建筑工程概论第五讲.ppt

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1、第四节 水 泥,1、水泥的起源与发明：,水泥是一种水硬性胶凝材料。水泥起源于胶凝材料，是在胶凝材料的发展过程中逐渐演进和发明的。,2、分类：,气硬性胶凝材料： 水硬性胶凝材料：,有机胶凝材料： 无机胶凝材料：,如：沥青、 各种树脂,如：石灰、石膏,如：水泥,水泥的发明 19世纪初（18101824年），用人工配合粘土与石灰石经煅烧、磨细以制造水硬性胶凝材料已经开始组织生产。1824年，英国人阿斯普丁将粘土与石灰石配合烧制成块（熟料），再经磨细而成水硬性胶凝材料，加水拌和后能硬化制成人工石，并具有较高强度，其外观与当时建筑上常用的英国波特兰岛上出产的岩石相似，故称之为“波特兰水泥”（Portla

2、nd Cement)，并于1824年10月21日首先获得该产品的专利权。,水泥的定义和分类 水泥是一种细磨成粉末状，加入适量水后成为可塑性的浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等材料牢固地胶结成具有一定强度的水硬性胶凝材料。 按用途和性能分类,用于一般土木建筑工程中的水泥，如硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥等,具有专门用途水泥 ，如中、低热水泥，道路水泥等,具有某种性能比较突出的水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐水泥等,按其化学成分类 虽然水泥品种繁多，分类方法各异，但我国水泥产量的90%左右属以硅酸盐为主要水硬性矿物的硅酸盐水泥。,一、硅酸盐水泥 现行国家标准GB175-1999定义

3、：凡由硅酸盐水泥熟料、05的石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为硅酸盐水泥（国外统称为波特兰水泥）。,（一）硅酸盐水泥的生产工艺 生产原料 主要是石灰质原料和粘土质原料两类。 石灰质原料：如石灰石、白垩等，主要提供CaO 粘土质原料：如粘土、粘土质页岩等，主要提供SiO2、 Al2O3、Fe2O3 有时两种原料化学组成不能满足要求，还要加入少量校正原料(如铁矿粉等)调整。,生产工艺概述 硅酸盐水泥的生产工艺可概括为三个阶段： 生料制备：以石灰石、粘土和铁矿粉为主要原料（有时需加入校正原料），将其按一定比例配合、磨细，制得具有适当化学成分、质量均匀的生料。 熟料煅烧：将生料

4、在水泥窑内经1450高温煅烧至部分熔融，得到以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料。 水泥粉磨：将熟料加适量石膏和05的石灰石或粒化高炉矿渣共同磨细得到硅酸盐水泥。,补充：中国的水泥工业概况,第一个水泥厂唐山细棉土厂（后改组为启新洋灰公司，现为启新水泥厂）1889年建于河北省唐山，并于1892年建成投产。之后，又相继建成了大连、上海、中国、广州等水泥厂。,据英文 “Cement”的音译,据其和水后成泥状物的特性,水泥的名称：,细棉土 士敏土 水门汀 洋灰 水泥,硅酸盐水泥的生产工艺,石灰质原料 CaO,黏土质原料 SiO2、Al2O3、 Fe2O3,校正原料,生料,熟料,石膏,石灰石或粒化矿渣,按

5、比例,混合磨细,煅烧,1450,水泥,磨细,“两磨一烧”,（二）硅酸盐水泥熟料的矿物组成,生料,SiO2,CaO,化合反应,8001450,800左右,分解反应,Al2O3,Fe2O3,2CaOSiO2,3CaOSiO2,3 CaO Al2O3,4 CaOAl2O3Fe2O3,（三）硅酸盐水泥的水化和凝结硬化 水化 水泥加水拌和后，水泥颗粒立即分散于水中并与水发生化学反应，生成各种水化物。 硅酸三钙 水化硅酸钙 氢氧化钙 硅酸二钙 水化硅酸钙 氢氧化钙 铝酸三钙 水化铝酸钙 铁铝酸四钙 水化铝酸钙 水化铁酸钙,水泥中的石膏也很快与水化铝酸钙反应生成难溶的水化硫铝酸钙，也称为钙矾石晶体： 水化硫

6、铝酸钙（钙矾石） 经过上述水化反应后，主要水化产物为：水化硅酸钙(50%)、氢氧化钙(25%)、水化铝酸钙、水化铁酸钙及水化硫铝酸钙等。,凝结硬化 随着时间的推延，水泥浆逐渐失去塑性，形成具有一定强度的石状体，这个过程叫水泥的凝结硬化。,硅酸盐水泥的水化与凝结硬化可简述如下： 水泥水具有流动性、可塑性浆体失去可塑性凝结 随后水泥浆体开始产生强度， 坚硬的水泥石硬化,水化,水泥加水拌合后的水化反应，一方面使水泥浆中起润滑作用的自由水分逐渐减少；另一方面，水化产物在溶液中很快达饱和或过饱和状态而不断析出，水泥颗粒表面的新生物厚度逐渐增大，使水泥浆中固体颗粒间的间距逐渐减小，越来越多的颗粒相互连接形

7、成了骨架结构。此时，水泥浆便开始慢慢失去可塑性，表现为水泥的初凝。,随着水化产物的不断增加，水泥颗粒之间的毛细孔不断被填实，加之水化产物中的氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体不断贯穿于水化硅酸钙等凝胶体之中，逐渐形成了具有一定强度的水泥石，从而进入了硬化阶段。水化产物的进一步增加，水分的不断丧失，使水泥石的强度不断发展。水泥的硬化期可以延续至很长时间，但28天基本表现出大部分强度。,（四）水泥的技术性质 细度 细度指水泥颗粒的粗细程度。一般情况下，水泥颗粒越细，其总表面积越大，与水反应时接触的面积也越大，水化反应速度就越快，所以相同矿物组成的水泥，细度越大，凝结硬化速度越快，早期强度越高。一般认为，

8、水泥颗粒粒径小于40m时才具有较大的活性。但水泥颗粒太细，使混凝土发生裂缝的可能性增加，此外，水泥颗粒细度提高会导致生产成本提高。,水泥全部加入水中,开始失去可塑性,完全失去可塑性,初凝时间,终凝时间,凝结时间 水泥从加水时至水泥浆失去可塑性所需的时间。凝结时间分初凝时间和终凝时间。 初凝时间：从水泥加水至水泥浆开始失去可塑性所经历的时间； 终凝时间：从水泥加水至水泥浆完全失去可塑性所经历的时间。,水泥的初凝时间不宜过短，终凝时间不宜过长。水泥的初凝时间太短，则在施工前即已失去流动性和可塑性而无法施工；水泥的终凝时间过长，则将延长施工进度和模板周转期。我国现行国标(GB175-1999)规定，

9、硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于6.5h。普通硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于10h。,水泥的体积安定性 水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀程度。如果这种体积变化是轻微的均匀的，则对建筑物的质量没什么影响，但是如果混凝土硬化后，由于水泥中某些有害成分的作用，在水泥石内部产生了剧烈的、不均匀的体积变化，则会在建筑物内部产生破坏应力，导致建筑物的强度降低。若破坏应力发展到超过建筑物的强度，则会引起建筑物开裂、崩塌等严重质量事故，这种现象称为水泥的体积安定性不良。,强度 水泥技术要求中最基本的指标，它直接反映了水泥的质量水平和使用价值。 水泥的强度越高，其胶结能力也越大。

10、硅酸盐水泥的强度主要取决于熟料的矿物组成和水泥的细度，此外还与水灰比、试验方法、试验条件、养护龄期等因素有关。,我国现行标准水泥胶砂强度检验方法（ISO法）（GB176711999）规定：将水泥、标准砂及水按规定的比例（水泥：标准砂：水1：3：0.5），用规定方法制成40mm40mm160mm的标准试件，在标准条件（24h之内在温度201，相对湿度不低于90的养护箱或雾室内，24h后在201的水中）下养护，测定其3d和28d的抗折强度和抗压强度 。 相对湿度：空气中实际所含水蒸气密度和同温度下饱和水蒸气密度的百分比值。,水泥强度等级 按规定龄期抗压强度和抗折强度来划分，硅酸盐水泥各龄期强度不低

11、于规定数值。在规定各龄期的抗压强度和抗折强度均符合某一强度等级的最低强度值要求时，以28d抗压强度值（MPa）作为强度等级，硅酸盐水泥强度等级分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个强度等级。,水泥型号 为提高水泥早期强度，我国现行标准将水泥分为普通型和早强型（或称R型）两个型号。早强型水泥3d的抗压强度较同强度等级的普通型强度提高10%24%；早强型水泥的3d抗压强度可达28d抗压强度的50%。,硅酸盐水泥强度标准（GB1751999） 水泥混凝土路面用水泥，在供应条件允许时，应尽量优先选用早强型水泥，以缩短混凝土养护时间，提早通车。,硅酸盐水泥强度标准（GB

12、1751999） 水泥混凝土路面用水泥，在供应条件允许时，应尽量优先选用早强型水泥，以缩短混凝土养护时间，提早通车。,（六）硅酸盐水泥石的腐蚀与防止 硅酸盐水泥硬化后形成的水泥石，在正常环境条件下将继续硬化，强度不断增长。但在某些腐蚀性液体或气体的长期作用下，水泥石就会受到不同程度的腐蚀，严重时会使水泥石强度明显降低甚至完全破坏，这种现象称为水泥石的腐蚀。,水泥石腐蚀的基本原因 内因：水泥石中存在有引起腐蚀的组成成分氢氧化钙和水化铝酸钙；水泥石本身不密实，有很多毛细孔通道，侵蚀性介质易进入其内部； 外因 ：外界存在腐蚀性介质和条件。,硅酸盐水泥的生产工艺,石灰质原料 CaO,黏土质原料 SiO

13、2、Al2O3、 Fe2O3,校正原料,生料,熟料,石膏,石灰石或粒化矿渣,按比例,混合磨细,煅烧,1450,水泥,磨细,“两磨一烧”,硅酸盐水泥熟料的矿物组成,生料,SiO2,CaO,化合反应,8001450,800左右,分解反应,Al2O3,Fe2O3,2CaOSiO2,3CaOSiO2,3 CaO Al2O3,4 CaOAl2O3Fe2O3,温故知新,1、水泥的生产工艺,2、水泥的技术性质：细度、凝结时间、体积安定性、强度,硅酸盐水泥强度标准（GB1751999） 比如：水泥混凝土路面用水泥，在供应条件允许时，应尽量优先选用早强型水泥，以缩短混凝土养护时间，提早通车。,（七）硅酸盐水泥的

14、特性与应用 凝结硬化快，早期及后期强度均高。适用于有早强要求的工程（如冬季施工、预制、现浇等工程），高强度混凝土工程（如预应力钢筋混凝土，大坝溢流面部位混凝土）。 抗冻性好。适用于抗冻性要求高的工程。 水化热高。不宜用于大体积混凝土工程。但有利于低温季节蓄热法施工。 耐腐蚀性差。因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量较多。不宜用于流动的淡水接触及有水压作用的工程，也不适用于受海水、矿物水等作用的工程。,抗碳化性好。因水化后氢氧化钙含量较多，故水泥石的碱度不易降低，对钢筋的保护作用较强。适用于空气中二氧化碳浓度高的环境。 耐热性差。因水化后氢氧化钙含量高。不适用于承受高温作用的混凝土工程。 耐磨性好

15、。适用于高速公路、道路和地面工程。,（八）硅酸盐水泥的储存与运输 硅酸盐水泥在储存和运输过程中，应按不同品种、不同强度等级及出厂日期分别储运，不得混杂。 要注意防潮、防水。 水泥的有效储存期是3个月。一般水泥在储存3个月后，强度降低约1020，6个月后降低1530。存放超过3个月的水泥必须经过检验后才能使用。,二、掺混合材料的硅酸盐水泥 为改善硅酸盐水泥的某些性能，同时达到增加产量和降低成本的目的，在硅酸盐水泥熟料中，掺入一定数量的混合材料和适量石膏共同磨细的水硬性胶凝材料，称为掺混合材料的硅酸盐水泥 。可分为普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥及复合硅酸盐水泥

16、。,（一）普通硅酸盐水泥 凡由硅酸盐水泥熟料、6%15%混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥），代号PO。 水泥中混合材料掺量按质量百分比计，掺活性混合材料时，最大掺量不得超过15%，其中允许用不超过水泥质量5的窑灰或不超过水泥质量10%的非活性混合材料来代替。掺非活性混合材料时，最大掺量不得超过水泥质量10%。,普通硅酸盐水泥强度等级分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个强度等级。 普通硅酸盐水泥强度标准（GB1751999）,由于混合材料的掺量较少，所以普通硅酸盐水泥的性质与硅酸盐水泥基本相同，略有差异，主要表现为：

17、1.早期强度略低；2.耐腐蚀性略有提高；3.耐热性稍好；4.水化热略低；5.抗冻性、耐磨性、抗碳化性略有降低。,（二）矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥：简称矿渣水泥，由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，代号PS。 水泥中粒化高炉矿渣掺加量按质量百分比计为2070。允许石灰石、窑灰、粉煤灰和火山灰质混合材料中的一种材料代替矿渣，代替数量不得超过水泥质量的8，代替后水泥中粒化高炉矿渣不得少于20,火山灰质硅酸盐水泥：简称火山灰水泥，凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，代号PP。 水泥中火山灰质混合

18、材料掺加量按质量百分比计为2050； 粉煤灰硅酸盐水泥：简称粉煤灰水泥，凡由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，代号PF。 水泥中粉煤灰掺加量按质量百分比计为2040。,这三种水泥强度等级分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个强度等级。 矿渣水泥、火山灰水泥及粉煤灰水泥的强度标准 (GB13441999),1、高 铝 水 泥,高铝水泥又称矾土水泥。它属于铝酸盐水泥。高铝水泥的强度发展很快，水化放热量基本上与高标号硅酸盐水泥相同，但放热速度极快, 高铝水泥有很好的抗硫酸盐性和抗海水腐蚀能力，甚至比抗硫酸盐的硅酸盐水泥还好。具有一定的耐高温性

19、。它适用于紧急抢修工程、严寒的冬季施工、处于海水或其他侵蚀介质作用、耐热混凝土等。由于高铝水泥的长期强度不稳定，一般不宜用作永久性的承重结构工程。,四、其他品种水泥,2、 快 硬 水 泥,快硬水泥有硅酸盐快硬水泥、硫铝酸盐型快硬水泥和氟铝酸盐型快硬水泥等。快硬硅酸盐水泥的强度等级以3d抗压强度来表示, 分为 32.5、37.5、42.5 三个强度等级。硫铝酸盐快硬水泥系列可分为超早强水泥、快硬高强水泥、无收缩水泥、膨胀水泥、自应力水泥、喷射水泥等。,3、 白色水泥和彩色水泥,白色硅酸盐水泥简称白水泥。它与硅酸盐水泥的主要区别在于氧化铁含量少，因而色白。由于水泥中存在氧化铁（Fe2O3）等成分之

20、故。当含量在 34% 时，熟料呈暗灰色；在 0.450.7% 时，带淡绿色；而降低到 0.350.40% 后，略带淡绿，接近白色。白色水泥和彩色水泥主要用于建筑装饰工程。,4、 膨胀水泥及自应力水泥,当水泥自应力值大于或等于 2 MPa 时，称为自应力水泥；当自应力值小于2 MPa 则称为膨胀水泥 我国常用的膨胀水泥品种如下: (1) 硅酸盐膨胀水泥 ；(2) 铝酸盐膨胀水泥 ； (3) 硫铝酸盐膨胀水泥 ；(4) 铁铝酸钙膨胀水泥。膨胀水泥适用于补偿混凝土收缩的结构工程，作防渗层或防渗混凝土；填灌构件的接缝及管道接头；结构加固与修补；固结机械底座及地脚螺丝等。 自应力水泥适用制造自应力钢筋混凝土压力管及其配件。,