3.1-硅酸盐水泥（课件）- 《建筑材料》同步教学（哈尔滨工程大学出版社）

项目3 水 泥 目 录 CONTENT 行业PPT模板http：///hangye/ 1 2 3 4 硅酸盐水泥 掺混合材料的硅酸盐水泥 其他品种水泥 水泥抽样测试 PART 01 硅酸盐水泥 3.1.1 硅酸盐水泥的生产工艺概述 硅酸盐水泥的生产工艺可以简称为“两磨一烧”，即生料制备、熟料煅烧和水泥粉磨三个过程，如图3-1所示。 3.1.1 硅酸盐水泥的生产工艺概述 硅酸盐水泥的生产原料有石灰质原料、黏土质原料和少量校正原料。校正原料有铁质校正原料和硅质校正原料。原料经破碎，按一定比例配合、磨细，并调配均匀的过程，称为生料制备；生料在水泥窑内煅烧至约1450℃，部分熔融得到以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料，称为熟料煅烧；往熟料中加入适量石膏，有时还加入适量的混合材料共同磨细成水泥，称为水泥粉磨。 3.1.2 硅酸盐水泥的矿物组成 1.硅酸盐水泥熟料 硅酸盐水泥熟料简称熟料，经高温烧结而成，主要矿物组成是硅酸三钙(3CaO·SiO2，简式C3S)、硅酸二钙(2CaO·SiO2，简式C2S)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3，简式C3A)、铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3，简式C4AF)。水泥在水化过程中，四种矿物组成表现出不同的反应特性，如表3-1所示。 3.1.2 硅酸盐水泥的矿物组成 2.石膏 一般水泥熟料磨成细粉后与水相遇会很快凝结，无法施工。在水泥磨制过程中加入适量的石膏主要起到缓凝作用，同时还有利于提高水泥早期强度，降低干缩变形等。 石膏主要采用天然石膏和工业副产石膏两种。 提示 3.1.2 硅酸盐水泥的矿物组成 3.混合材料 为了达到改善水泥的某些性能，调节水泥的强度等级，增产水泥的目的，在水泥生产过程中掺入的人工或天然矿物质材料称为混合材料。按照矿物材料的性质，混合材料可分为活性混合材料和非活性混合材料。 活性混合材料是指具有火山灰性或潜在水硬性的混合材料。火山灰性是指单独不具有水硬性，在常温下与氢氧化钙和水发生水化反应，形成具有水硬性的化合物的性能。如粉煤灰、火山灰、硅藻土等都属于具有火山灰性的混合材料。 潜在水硬性是指该类矿物材料与水拌合后，在有少量激发剂的情况下，可利用自身溶出的化学成分形成具有胶凝性的水化产物的性能。如粒化高炉矿渣等就是具有潜在水硬性的混合材料。 提示 3.1.2 硅酸盐水泥的矿物组成 水泥中常用的活性混合材料有粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料及粉煤灰等。 粒化高炉矿渣是冶炼生铁时的副产品，即冶炼生铁时浮在铁水上面的熔融渣由排渣口排出后经急冷处理而成的粒状颗粒。粒化高炉矿渣的主要成分是CaO、Al2O3、SiO2。粒化高炉矿渣具有较高的化学潜能，但稳定性差。 3.1.2 硅酸盐水泥的矿物组成 凡天然的或人工的以SiO2、Al2O3 为主要成分的矿物质原料，磨成细粉加水后并不硬化，但与石灰混合后再加水能起胶凝作用的，称为火山灰质混合材料。火山灰质混合材料按成因可以分为天然的和人工的两类。天然的火山灰质混合材料有火山灰、凝灰岩、浮石、沸石岩、硅藻土等。人工的火山灰质混合材料有烧黏土、烧页岩、煤渣、煤矸石等。 3.1.2 硅酸盐水泥的矿物组成 粉煤灰是火力发电厂用煤粉做燃料时排出的细颗粒废渣。粉煤灰中含有较多的SiO2、Al2O3 和少量的CaO，具有较强的活性。 非活性混合材料在水泥中主要起填充作用，本身不具有(或具有微弱的)潜在的水硬性或火山灰性，但可以调节水泥强度，增加水泥产量，降低水化热。 常用的非活性混合材料有磨细的石灰石、石英岩、黏土、慢冷矿渣及高硅质炉灰等。 提示 3.1.3 硅酸盐水泥的水化和凝结硬化 1.硅酸盐水泥的水化 水泥加水拌合后，水泥熟料的各种矿物立即与水发生反应，生成新的水化物，并放出一定的热量。其反应式为 2(3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2 2(2CaO·SiO2)+4H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2 3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O 4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O 部分水化铝酸钙与石膏作用发生如下反应： 3CaO·Al2O3·6H2O+3(CaSO4·2H2O)+19H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O 硅酸盐水泥的水化产物主要有水化硅酸钙胶凝体、水化铁酸钙胶凝体、氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体和水化硫铝酸钙晶体。在完全水化的水泥石中，水化硅酸钙约占50%，氢氧化钙约占25%。 3.1.3 硅酸盐水泥的水化和凝结硬化 2.硅酸盐水泥的凝结和硬化 水泥水化后，生成各种水化产物，随着时间的推移，水泥浆逐渐失去塑性，而成为具有一定强度的固体，这一过程称为水泥的凝结硬化。硅酸盐水泥的凝结与硬化是一个连续且复杂的物理化学变化过程，通常认为，水泥加水拌合后，水泥颗粒表面开始与水发生化学反应，逐渐形成水化物膜层，随着水化反应的持续进行，水化物增多，膜层增厚并互相接触连接，形成疏松的空间网络。此时，水泥浆体失去流动性和部分可塑性，但未具有强度，此即“初凝”。当水化作用不断深入并加速进行时，生成较多的胶凝和晶体水化物，且互相贯穿而使网络结构不断加强，至浆体完全失去可塑性，并具有一定的强度，此即“终凝”。此后，水化反应继续进行，水化物也随时间的延续而增加，且不断充实毛细孔，水泥浆体的网络结构更趋致密，强度大为提高，并逐渐变成坚硬的岩石状固体———水泥石，这一过程称为硬化。 3.1.4 硅酸盐水泥的技术性质 1.细度 细度是指水泥颗粒粗细的程度，它是影响水泥性能的重要指标。颗粒越细，与水反应的表面积越大，因而水化反应的速度越快，水泥石的早期强度越高，但硬化收缩也越大，且在储运过程中易受潮而降低活性。因此，水泥细度应适当，根据《通用硅酸盐水泥》(GB175—2007)，硅酸盐水泥比表面积不小于300m2/kg。 3.1.4 硅酸盐水泥的技术性质 水泥净浆标准稠度用水量是指拌制水泥净浆时为达到标准稠度所需的加水量。它以水与水泥质量之比的百分数表示。对不同的水泥品种，水泥的标准稠度用水量也各不相同，一般为24%~33%。 2.标准稠度及其用水量 水泥净浆标准稠度是指在测定水泥的凝结时间、体积安定性等性能时，为使其具有准确的可比性，水泥净浆以标准方法测试所达到统一规定的浆体可塑性程度。 3.1.4 硅酸盐水泥的技术性质 3.凝结时间 凝结时间是指水泥从加水开始到失去流动性，即从可塑状态发展到固体状态所需的时间。凝结时间分为初凝时间和终凝时间。初凝时间是水泥从开始加水拌合至水泥浆开始失去可塑性所需的时间；终凝时间是从水泥开始加水拌合至水泥浆完全失去可塑性，并开始产生强度所需的时间。 水泥的凝结时间对施工有重大意义。水泥的初凝不宜过早，以便在施工时有足够的时间完成混凝土或砂浆的搅拌、运输、浇捣和砌筑等操作；水泥的终凝不宜过迟，以免拖延施工工期。《通用硅酸盐水泥》(GB175—2007)规定：硅酸盐水泥的初凝时间不小于45min，终凝时间不大于390min。 3.1.4 硅酸盐水泥的技术性质 4.体积安定性 水泥体积安定性是表征水泥硬化后，体积变化均匀性的物理性质指标。水泥硬化后，如果其中某些有害成分的含量超出某一限度，就会产生不均匀的体积变化，使结构物开裂，甚至崩塌。影响体积安定性的主要因素有水泥中游离氧化镁、游离氧化钙的含量过多或三氧化硫的含量过多。体积安定性不合格的水泥不能用于工程中。 3.1.4 硅酸盐水泥的技术性质 5.强度 水泥强度是表征水泥力学性质的重要指标。我国采用水泥胶砂来评定水泥的强度。水泥的强度除与水泥本身的性质(矿物组成、细度等)有关外，还与水灰比、试件制作方法、养护条件和养护时间等有关。根据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T17671—2021)，将按质量计的一份水泥、三份中国ISO标准砂和半份的水(水灰比为0.50)，用标准制作方法制成40mm×40mm×160mm的棱柱体，在标准养护条件(20℃±1℃)下养护，测定其达到规定龄期(3d、28d)的抗折强度和抗压强度，该值是评定水泥等级的依据。 3.1.4 硅酸盐水泥的技术性质 5.强度 硅酸盐水泥按规定龄期的抗压强度和抗折强度可划分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个等级。不同强度登记的硅酸盐水泥，起不同龄期的强度应符合下表的规定。 强度等级 抗压强度/MPa 抗折强度/MPa 3 d 28 d 3 d 28 d 42.5 ≥17.0 ≥42.5 ≥3.5 ≥6.5 42.5R ≥22.0 ≥4.0 52.5 ≥23.0 ≥52.5 ≥4.0 ≥7.0 52.5R ≥27.0 ≥5.0 62.5 ≥28.0 ≥62.5 ≥5.0 ≥8.0 62.5R ≥32.0 ≥5.5 3.1.4 硅酸盐水泥的技术性质 硅酸盐水泥按规定龄期的抗压强度和抗折强度可划分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个等级。不同强度等级的硅酸盐水泥，其不同龄期的强度应符合表3-2的规定。 为提高水泥的早期强度，我国现行标准将水泥分为普通型和早强型(R型)两个型号。早强型水泥的3d抗压强度可以达到28d抗压强度的50%；同强度等级的早强型水泥，3d抗压强度较普通型的可以提高10%~24%。 3.1.4 硅酸盐水泥的技术性质 6.水化热 水泥与水发生水化反应所放出的热量称为水化热，通常用J/kg表示。水化热的大小主要与水泥的细度及矿物组成有关。颗粒越细，水化热越大；矿物中C3A、C3S的含量越高，水化放热越大。大部分的水化热集中在早期放出，3~7d后逐渐减少。 3.1.4 硅酸盐水泥的技术性质 7.密度与堆积密度 硅酸盐水泥的表观密度一般为3.1~3.2g/cm3。水泥的堆积密度在松散状态下一般为1000~1100kg/m3，在紧密堆积状态下可达1400~1700kg/m3。在混凝土配合比设计中，通常取水泥的密度为3.1g/cm3，堆积密度为1300kg/m3。 《通用硅酸盐水泥》(GB175—2007)除对上述内容做了规定外，还对不溶物、烧失量、碱含量等提出了要求。Ⅰ型硅酸盐水泥中不溶物的含量不大于0.75%，Ⅱ型硅酸盐水泥中不溶物的含量不大于1.50%。 3.1.4 硅酸盐水泥的技术性质 Ⅰ型硅酸盐水泥中烧失量的含量不大于3.0%，Ⅱ型硅酸盐水泥中烧失量的含量不大于3.5%。水泥中的碱含量按Na2O+0.658K2O计算值表示，若使用活性骨料，则要限制水泥中的碱含量或由供需双方商定。氯离子的含量不大于0.06%。 根据《通用硅酸盐水泥》(GB175—2007)，当化学指标、凝结时间、安定性和强度任何一项不符合标准时，判定为不合格水泥。 提示 3.1.5 水泥石的腐蚀及其防止 BUSINESS REPORT 1.水泥石的腐蚀 用硅酸盐水泥配制成的各种混凝土可用于不同的工程结构。在正常的环境条件下，水泥石的强度会不断增加，具有较好的耐久性。但某些不良的环境条件，会引起水泥石强度降低，甚至引起严重的破坏，这种现象称为水泥石的腐蚀。 3.1.5 水泥石的腐蚀及其防止 引起水泥石腐蚀的原因很多，亦很复杂，现将几种主要的腐蚀因素简述如下。 (1)软水腐蚀。软水是指重碳酸盐含量较小的水。硅酸盐水泥属于水硬性胶凝材料，具有足够的抗水能力，但硬化后，如果不断受到淡水的侵袭，则水泥的水化产物将按照溶解度的大小依次逐渐被水溶解，产生溶出性侵蚀，最终导致水泥石被破坏。 3.1.5 水泥石的腐蚀及其防止 (2)酸类腐蚀。在大多数天然水及工业污水中，由于大气中CO2 的溶入，常会产生碳酸侵蚀。碳酸先与水泥石中的Ca(OH)2 作用，生成不溶于水的碳酸钙，然后水中的碳酸与碳酸钙进一步作用，生成易溶性的碳酸氢钙。 3.1.5 水泥石的腐蚀及其防止 (3)盐类腐蚀。绝大部分硫酸盐对水泥石都有明显的侵蚀作用。SO42- 离子主要存在于海水、地下水及某些工业污水中。当溶液中的SO42- 大于一定浓度时，碱性硫酸盐能与水泥石中的Ca(OH)2 发生反应，生成硫酸钙CaSO4·2H2O，并结晶析出。硫酸钙再与水泥石中未水化的铝酸钙反应，生成钙矾石，其体积膨胀，引起水泥石的破坏。以硫酸钠为例，其反应式为 镁盐腐蚀亦是一种盐类腐蚀形式，主要存在于海水及地下水中。镁盐主要是硫酸镁和氯化镁，与水泥石中的Ca(OH)2 发生置换反应。 反应产物———氢氧化镁的溶解度极小，极易从溶液中析出而使反应不断向右进行。氢氧化镁松软而无胶凝能力，氯化钙和硫酸钙易溶于水，尤其硫酸钙(CaSO4·2H2O)会继续产生硫酸盐的腐蚀。因此，硫酸镁对水泥石的破坏极大，起着双重腐蚀作用。 3.1.5 水泥石的腐蚀及其防止 PROJECT Introduction (4)强碱腐蚀。水泥石在一般情况下能够抵抗碱类的侵蚀，但是如果长期处于浓度较高的碱溶液中，也会受到腐蚀，而且随着温度的升高，侵蚀作用也会加强。这类侵蚀主要包括化学侵蚀和结晶侵蚀两类。 3.1.5 水泥石的腐蚀及其防止 化学侵蚀是指强碱溶液与水泥石中的水泥水化物发生化学反应，生成胶结力不强且易为碱液溶析的产物。例如， 2CaO·SiO2·nH2O+2NaOH=2Ca(OH)2+Na2O·SiO2+(n-1)H2O 3CaO·Al2O3·6H2O+2NaOH=3Ca(OH)2+Na2O·A12O3+4H2O 结晶侵蚀则是碱液先渗入水泥石孔隙，然后又在空气中干燥呈结晶析出，因结晶产生压力而引起的胀裂现象。 2NaOH+CO2+9H2O=Na2CO3·10H2O 3.1.5 水泥石的腐蚀及其防止 2.水泥石腐蚀的防止 (1)根据腐蚀环境的特点，合理选用水泥品种。 (2)提高水泥石的密实度。 (3)敷设耐蚀保护层(耐酸石料、耐酸陶瓷、玻璃、塑料或沥青等)。 3.1.5 水泥石的腐蚀及其防止 思政目标：培养学生的民族自信心和自豪感，激发学生的爱国热情，培养学生学思结合、知行合一，增强其勇于探索的创新精神。 请看以下资料：距今5500多年前，中国先民开始使用水泥。中国是世界第一大水泥生产国，2022年的水泥产量为21.30亿吨。但很少有人知道，中国也是世界上最早使用水泥的国家。 在甘肃大地湾901号房址，出土了世界上最早的水泥制品。根据遗址工作人员介绍，当时出土的水泥墙面非常平整、光亮照人，能像镜子一样照出人的面貌来。经化验，其主要成分是硅酸钙，每平方厘米的抗压强度达到120kg，相当于今天M10水泥。现在的水泥是将石灰石、铁粉、砂石等混合烧制后加入矿渣、粉煤灰、石膏磨细而制成的。制作过程中，温度要高。而大地湾水泥制作极简单，从河滩捡来料姜石，磨粉，加入蛋清、米汁搅拌好即可。这种水泥干后呈白色。 请同学们分析一下现代水泥与大地湾水泥的区别。思考一下材料的发展需要我们怎么去做。 思 政 课 堂 非常感谢您的观看 $$