硅酸盐水泥的基本组成、水化和硬化机理

第三章水泥 按使用性质及用途分为三种类型： 一、通用水泥：通用硅酸盐水泥,包括:硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥； 二、专用水泥：道路硅酸盐水泥、砌筑水泥等； 三、特性水泥：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥等。第三章水泥 第一节硅酸盐水泥的基本组成与生产原理 第二节硅酸盐水泥的水化和硬化机理 第三节硅酸盐水泥的技术性质及其性能特点 第四节掺混合材料的硅酸盐水泥 第五节常用水泥的选用原则 第六节其它品种水泥第一节硅酸盐水泥的基本组成与生产原理 定义：凡是由硅酸盐水泥熟料、适量的混合材料（0~5％石灰石或粒化高炉矿渣）、适量的石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥(国外称波特兰水泥)。 硅酸盐水泥分两种类型，不掺混合材料的为I型硅酸盐水泥，代号P·I；在硅酸盐水泥熟料中掺加不超过水泥质量5％的混合材料的为II型硅酸盐水泥，代号P·II。 一、硅酸盐水泥的生产 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 概述 二、硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其特性一、硅酸盐水泥的生产工艺概述生料水泥煅烧（约14500C）熟料“两磨一烧”工艺一、硅酸盐水泥的生产工艺概述水泥生产线示意图：1.生料贮存；2.磨细设施；3.生料混合设施；4.预热/预煅烧装置；5.回转窑；6.熟料贮存；7.外加剂；8.熟料磨细；9.水泥贮存&灌装二、硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其特性1.硅酸盐水泥熟料的矿物组成硅酸三钙3CaO·SiO2（C3S）：36～60%，硅酸二钙2CaO·SiO2（C2S）：15～37%，铝酸三钙3CaO·Al2O3（C3A）：7～15%，铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3（C4AF）：10～18%。硅酸三钙和硅酸二钙称为硅酸钙矿物，一般占总量的75％～82％(国家标准中规定不小于66%,CaO与SiO2的质量比不小于2.0)。二、硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其特性 2．水泥熟料主要矿物与水作用时的特性 ①磨细后能与水发生水化反应，生成具有水硬性的水化产物。 ②C3S、C3A、C4AF水化快，C2S水化慢， C3A＞C3S＞C4AF＞C2S ③水化反应过程中会放出热量,C3A、C3S放热量大，C3A＞C3S＞C4AF＞C2S ④C3S早期强度和后期强度均较高，C2S早期强度低，后期强度高。C3A、C4AF强度均不高。四个矿物的强度均随龄期成曲线变化，见图3.2。图5-2水泥熟料各矿物的强度增长曲线图5-3水泥熟料各矿物的放热曲线第二节硅酸盐水泥的水化和硬化机理 一、硅酸盐水泥的水化 二、硅酸盐水泥的凝结硬化 三、影响水泥凝结和硬化的主要因素一、硅酸盐水泥的水化 水泥颗粒与水接触后，水泥熟料各矿物立即与水发生水化作用，生成新的水化物，并放出一定的热量。 一、硅酸盐水泥的水化 水化硅酸钙几乎不溶于水，形成后立即以胶体微粒析出，并逐渐凝聚而成为凝胶体。 氢氧化钙呈六方晶体。由于氢氧化钙可溶于水，但溶解度不大，所以溶液很快达到饱和状态。一、硅酸盐水泥的水化 水化铝酸钙为立方晶体。由于铝酸三钙的水化、凝结和硬化速度很快，为了调节水泥的凝结时间，在水泥中掺入了少量石膏。铝酸三钙水化后形成的水化铝酸钙会与石膏作用，生成三硫型水化硫铝酸钙，也称钙矾石晶体（以AFt 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示），其反应式如下：一、硅酸盐水泥的水化 铁铝酸四钙与水反应后生成水化铝酸钙晶体和水化铁酸钙凝胶体。一、硅酸盐水泥的水化 综上所述，硅酸盐水泥与水作用后，生成的主要水化产物有两类： 凝胶体：水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶体； 晶体：氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。 由于水泥熟料中硅酸三钙和硅酸二钙的含量高，所以在完全水化的水泥石中，水化硅酸钙凝胶体约占70％，而氢氧化钙约占20％，钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙约占7％。水泥浆扫描电镜照片（7d龄期）C-S-H钙矾石C-S-H水化硅酸钙凝胶CH氢氧化钙晶体电镜下的水泥水化产物图二、硅酸盐水泥的凝结硬化 水泥加水拌和后，最初形成具有流动性和可塑性的浆体，经过一定时间，水泥浆体逐渐变稠失去可塑性，这一过程称为凝结。 随着时间继续增长，水泥产生强度且逐渐提高，并形成坚硬的石状体——水泥石，这一过程称为硬化。 水泥的凝结与硬化是一个连续的复杂的物理化学变化过程，这些变化决定了水泥一系列的技术性能。二、硅酸盐水泥的凝结硬化水泥浆开始凝结完全凝结人工石材初凝时间终凝时间硬化凝结 水泥颗粒的水化是从表面向内部进行的，水化程度受水和水化物的扩散所控制，水泥颗粒的内核很难完全水化。因此。硬化的水泥石是由水化产物(凝胶体和结晶体)、未水化的水泥颗粒、水和孔隙(毛细孔和凝胶孔)组成的。水泥石的工程性质决定于水泥石的组成和结构。 水泥的凝结硬化过程，也是水泥强度发展的过程。水泥的水化是随着时间的延长而不断进行的，水化产物也会不断增加并填充毛细孔，使毛细孔孔隙率减少，凝胶孔孔隙率增大。水泥加水拌合后的前28d的水化速度较快，强度发展也快，随后水化速度减慢，强度增加幅度减小。二、硅酸盐水泥的凝结硬化三、影响水泥凝结和硬化的主要因素 1.水泥熟料的矿物组成 水泥中C3S和C3A含量越高，凝结硬化也越快。 2.水泥的细度 水泥越细，颗粒就越小，其与水接触的面积也就越大，则水化速度越快，凝结硬化也越快。 3．水泥浆体的水灰比 水灰比是拌制水泥浆时水与水泥的质量之比，水泥完全水化所需的用水量约为水泥质量的25％，但这样的水量很难形成具有足够流动性的浆体，因而实际工程中必须加入较多的水，以便取得较好的塑性。 水灰比决定了水泥浆体的稠度，水灰比越大，则水泥浆体的稠度越小（即越稀），凝结硬化也越慢。三、影响水泥凝结和硬化的主要因素 4.水泥的水化程度 水灰比相同时，水化程度愈高，则水泥浆体中水化产物愈多，凝结硬化也越快。 5．石膏掺量 石膏(常用CaSO4·2H2O)是水泥的缓凝剂，能调节水泥的凝结硬化速度。在磨制水泥时，若不掺入少量石膏，则水泥浆凝结很快。当掺入少量石膏后，硫酸钙将与水化铝酸钙作用，生成难溶的水化硫铝酸钙晶体(钙矾石)，减少了溶液中的铝离子，延缓了水泥浆体的凝结速度，但石膏掺量必须适当，掺入过多的石膏不仅缓凝作用不大，而且会引起凝结硬化后的水泥石出现开裂。三、影响水泥凝结和硬化的主要因素 5．环境的温度和湿度 环境因素（主要是温度和湿度）对水泥的凝结硬化有着明显的影响。 温度越高，水泥水化速度越快，凝结硬化的速度就越快。 环境湿度大，水泥浆中的水分不仅不易蒸发，使水泥石中保持有水泥水化及凝结硬化所需要的化学用水，而且在水泥石中水分不足时，能使水泥石吸收环境中的水分，保证水泥进行水化和硬化。如果环境干燥，水泥浆中的水分蒸发过快，当水分蒸发完后，水化作用将无法进行，硬化停止，强度不再增长，甚至还会在制品表面产生干缩裂缝。第三节硅酸盐水泥的技术性质及其性能特点 一、硅酸盐水泥的主要技术性质 1.密度 2.细度 3.标准稠度用水量 4.凝结时间 5.体积安定性 6.强度和强度等级 7.其它技术指标一、硅酸盐水泥的主要技术性质 1.密度 硅酸盐水泥的密度一般在3.05~3.15g／cm3，平均可取为3.10g／cm3，其大小主要取决于水泥熟料的矿物组成。堆积密度为1000~1600kg/m3。一、硅酸盐水泥的主要技术性质 2.细度——水泥颗粒的粗细程度。对水泥性质有很大影响。 水泥颗粒粒径一般在7~200μm范围内，颗粒愈细，与水起反应的表面积就愈大，因而水化速度较快，而且较完全，早期强度和后期强度都较高。水泥颗粒过粗，则不利于水泥活性的发挥，但水泥过细，在空气中的硬化收缩性较大，生产成本也较高。 硅酸盐水泥的细度采用比表面积法检验。一、硅酸盐水泥的主要技术性质 比表面积——单位质量的粉末所具有的总表面积，用m2／kg表示。 比表面积法是根据一定量空气通过一定空隙率和厚度的水泥层时，所受阻力不同而引起流速的变化来测定水泥的比表面积。 硅酸盐水泥的细度采用勃氏透气法比表面积仪（GB/T8074-2008）进行检验，要求其比表面积大于300m2／kg。一、硅酸盐水泥的主要技术性质 3.标准稠度用水量——水泥净浆达到标准稠度时的拌和用水量，按水泥质量百分比计； 水泥的标准稠度是指水泥净浆对标准试杆（或试锥）的沉入达到一定阻力时的稠度。我国国标（GB/T1346-2001）中规定，水泥标准稠度的标准测定方法为试杆法（标准法），或试锥法（代用法）。 硅酸盐水泥的标准稠度用水量通常在24％~30％之间。 标准稠度用水量的大小，可以反映出水泥的需水性，标准稠度用水量愈大，表明其需水性愈大。标准稠度和凝结时间测定仪一、硅酸盐水泥的主要技术性质 4.凝结时间 凝结时间分为初凝时间和终凝时间。 初凝时间是指水泥与水拌和至标准稠度净浆达到初凝状态（即开始失去可塑性）所需的时间； 终凝时间是水泥与水拌和至标准稠度净浆达到终凝状态（即完全失去可塑性并开始产生强度）所需的时间。 国家标准（GB175-2007）规定，硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于6.5h。 为何这样规定?一、硅酸盐水泥的主要技术性质 规定初凝时间和终凝时间的意义： 为使混凝土和砂浆有充分的时间进行搅拌、运输、浇捣和砌筑，水泥的初凝时间不能过短。当施工完毕，则要求尽快硬化而产生强度，故终凝时间不能太长，否则会使施工周期变长。 影响水泥凝结时间的主要因素： （1）铝酸三钙含量与石膏掺量的匹配； （2）水泥的细度；（3）水灰比； （4）凝结时的温度； （5）混合材料掺量。一、硅酸盐水泥的主要技术性质 5.体积安定性——水泥净浆硬化过程中体积变化的均匀性和稳定性。 如果在水泥硬化过程中，产生不均匀的体积变化，就会使水泥石产生膨胀性裂缝，这种现象称为水泥体积安定性不良。 引起水泥体积安定性不良的原因及控制方法： 游离CaO过多；控制方法：沸煮法（雷氏夹法或试饼法）检验合格； 游离MgO过多；控制方法：压蒸法检验合格，或生产控制，MgO含量≤5% 掺入的石膏过多，生产控制,SO3含量≤3.5%一、硅酸盐水泥的主要技术性质 6.强度及强度等级 强度是评价水泥质量、确定水泥强度等级的重要指标。水泥强度除了与水泥矿物组成和细度有关外，还与水灰比、试件制作方法、养护条件和龄期等因素有关。 根据现行国标（GB17671-1999）中规定，水泥胶砂强度检验方法是： 将水泥和标准砂以1︰3的比例混合后，以0.5的水灰比拌制成一组塑性胶砂，用标准方法制成40mm×40mm×160mm的标准试件，在标准条件（20℃±1℃，相对湿度不小于90%或水中）下养护，达到规定龄期（3d、28d）时，测定其抗折强度和抗压强度。一、硅酸盐水泥的主要技术性质 水泥的强度等级是根据规定龄期（3d和28d）测定的抗压强度和抗折强度来划分的，各强度等级水泥在各龄期的强度不得低于表5-2规定的数值。按国家标淮(GBl75—2007)规定，硅酸盐水泥的强度等级有42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六种。 强度等级中有R的为早强型，无R的为普通型。早强型水泥的3d抗压强度可达28d抗压强度的50%左右，并比同强度等级的普通型水泥的3d强度提高10%以上。一、硅酸盐水泥的主要技术性质 7.其它技术指标 （1）有害成分含量 为了保证水泥的使用质量，要求水泥中的氧化镁MgO和三氧化硫SO3含量、碱含量不得超过标准规定的限量（见表5-3）。 碱含量(选择性指标):指水泥中Na2O和K2O的含量。 水泥中Na2O和K2O含量较高时，可能在混凝土中与活性集料发生碱—集料反应，使混凝土出现开裂、强度降低或破坏。用户要求低碱时：Na2O+0.685K2O≤0.60%一、硅酸盐水泥的主要技术性质 （2）不溶物含量 不溶物将影响水泥的有效成分含量，所以不溶物含量不得超过标准规定的限量（见表5-3）。 （3）烧失量 不得超过标准规定的限量（见表5-3）。 (4)氯离子含量 不得超过0.06%。 二、硅酸盐水泥的技术标准 我国现行的硅酸盐水泥国家标准为《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）。 标准规定，凡化学指标(包括氧化镁含量、三氧化硫SO3含量、碱含量、不溶物含量、烧失量、氯离子含量)、凝结时间、安定性和强度符合规定要求的为合格品，凡化学指标、凝结时间、安定性和强度中的任何一项技术指标不符合规定要求的为不合格品。