混凝土的原材料之水泥.pptx

混凝土的原材料之水泥篇混凝土的原材料之水泥篇北京建筑工程学院北京建筑工程学院 水泥之所以对混凝土如此重要是因为水泥之所以对混凝土如此重要是因为它它有优良的胶凝性能有优良的胶凝性能。四大类型矿物，可以四大类型矿物，可以在短时间内水化形成坚强的石状结构，且在短时间内水化形成坚强的石状结构，且在大气、水中稳定存在。是一种高能量的在大气、水中稳定存在。是一种高能量的人造材料。人造材料。经过近两百年的研究、生产与经过近两百年的研究、生产与实践，水泥技术已经相当成熟，是人类改实践，水泥技术已经相当成熟，是人类改造自然，从事建设的有力武器。造自然，从事建设的有力武器。水泥的生产水泥的生产硅酸盐水泥的生产过程可以概括为硅酸盐水泥的生产过程可以概括为“两两磨一烧磨一烧”。石灰石粘 土铁矿石生料磨熟料磨烧成设备水泥产品Cement Production in ChinaIncrease of cement output in China:2002:700 million tons.2003:825 million tons.2004:960 million tons.2005:1024 million tons.2006:1240 million tons.2007:1360 million tons.2008:1400 million tons.2009：1600 million tons.half of the cement output of the world.硅酸盐水泥熟料硅酸盐水泥熟料 化学成分化学成分:CaO、Al2O3、Fe2O3、SiO2 矿物组成矿物组成：Alite C3S3CaO SiO2 3660%BeliteC2S 2CaO SiO2 1537%，此此二二者者75-82%；C3A 3CaO Al2O3 715%C4AF4CaO Al2O3 Fe2O3 10-18%此二者此二者 25%；f-CaO、MgO 45m45m的熟料的熟料颗粒对颗粒对28d28d强度基本没有作用，所以这种颗粒可有可强度基本没有作用，所以这种颗粒可有可无或可以尽量降低；无或可以尽量降低；而混凝土界许多专家研究后认而混凝土界许多专家研究后认为：为：增加水泥中未水化的熟料颗粒可以大大减少混增加水泥中未水化的熟料颗粒可以大大减少混凝土的收缩。凝土的收缩。而现在水泥细度的增加，而现在水泥细度的增加，使水泥中的使水泥中的粗颗粒大大减少。混凝土的收缩量的增大，产生裂粗颗粒大大减少。混凝土的收缩量的增大，产生裂缝的可能性变大。缝的可能性变大。高铁混凝土限制水泥细度高铁混凝土限制水泥细度u高速铁路高性能混凝土开始对水泥高速铁路高性能混凝土开始对水泥细度进行限制细度进行限制，要求，要求350m350m2 2/kg/kg。（2 2）凝结时间）凝结时间 加水拌和加水拌和可塑浆体具有流动性可塑浆体具有流动性初凝初凝稠硬浆体流动性消失稠硬浆体流动性消失终凝终凝硬化浆体强度增长硬化浆体强度增长诱导期凝结硬化初凝时间终凝时间GB175-2007GB175-2007规定，硅酸盐水泥初凝不早规定，硅酸盐水泥初凝不早于于45min45min，终凝时间不晚于，终凝时间不晚于6h30min6h30min。水泥浆体屈服值与凝结时间的关系水泥浆体屈服值与凝结时间的关系 屈服值钙矾石形成（或二水石膏形成）初凝终凝C-S-H形成水化时间初凝时间取决于C3A、C4AF及C3S的水化；终凝时间主要受C3S水化控制。Ca2+、OH-Al(OH)4-SO42-C-S-HAftCSH2凝结时间的测定凝结时间的测定维卡仪维卡仪试针支架试杆圆模 试杆沉至底板试杆沉至底板3-5mm时，时，即为初凝状态；当下沉即为初凝状态；当下沉0.5mm，没有压痕时即为，没有压痕时即为终凝状态。终凝状态。影响凝结时间的因素：影响凝结时间的因素：C3A含量；含量；水泥的细度；水泥的细度；水灰比；水灰比；混合材掺量。混合材掺量。水泥标准稠度用水量测定水泥标准稠度用水量测定1055075560试针支架试锥试模 凝结时间需要凝结时间需要在标准稠度用水量在标准稠度用水量下测定。下测定。试锥下降深度试锥下降深度为为282mm282mm时的加时的加水量即为标准稠度水量即为标准稠度用水量。用水量。（3 3）强度）强度GB177-85GB177-85（旧标准）（旧标准）GB/T17671-1999 GB/T17671-1999 灰砂比灰砂比 1:2.5 1:2.5 1:3 1:3 水灰比水灰比 0.44-0.46*0.44-0.46*0.5 0.5 标准砂粒径标准砂粒径/mm/mm 0.25-0.650.25-0.65，其中，其中0.25-0.40%0.25-0.40%占占60%60%，0.40-0.650.40-0.65占占40%40%0.08-2.00.08-2.0，其中，其中0.08-0.50.08-0.5，0.5-1.00.5-1.0，1.0-2.01.0-2.0各占各占1/3 1/3 试件受压面积试件受压面积/mm/mm 4062.5 4062.5 4040 4040 水泥胶砂强度检验方法（水泥胶砂强度检验方法（ISOISO法）（法）（GB/T17671-1999GB/T17671-1999）4040160试体连模一起在湿气中（温度201，相对湿度不低于90%）养护24h，然后脱模在水中（201）养护，测定3d和28d强度。试件尺寸硅酸盐水泥各龄期的强度要求硅酸盐水泥各龄期的强度要求(GB175-2007)(GB175-2007)强度等级强度等级 抗压强度（抗压强度（MPaMPa）抗折强度（抗折强度（MPaMPa）3d 3d 28d 28d 3d 3d 28d 28d 42.5 42.5 17.0 17.0 42.542.53.53.56.56.542.5R 42.5R 22.022.042.542.54.04.06.56.552.5 52.5 23.023.052.552.54.04.07.07.052.5R 52.5R 27.027.052.552.55.05.07.07.062.5 62.5 28.028.062.562.55.05.08.08.062.5R 62.5R 32.032.062.562.55.55.58.08.0三个强度等级、两种类型。R早强型（4 4）安定性）安定性 水水泥泥在在调调水水和和凝凝结结以以后后，必必须须不不产产生生任任何何显显著著的的体体积积变变化化。体体积积安安定定性性不不良良的的水水泥泥，有有凝凝结结硬硬化化过过程程中中产产生生不不均均匀匀的的膨膨胀胀，从而导致硬化浆体的开裂。从而导致硬化浆体的开裂。f-CaOf-CaO、f-MgOf-MgO水化引起及水化引起及石膏掺量过石膏掺量过多多时，石膏与硬化体中的水化铝酸钙作用时，石膏与硬化体中的水化铝酸钙作用生成钙矾石，体积膨胀生成钙矾石，体积膨胀1.51.5倍造成破坏。倍造成破坏。安定性的检验方法安定性的检验方法 f-CaOf-CaO：沸煮法：沸煮法(饼法饼法)或雷氏法检验；或雷氏法检验；MgOMgO：216216，20atm3h20atm3h，试试体体膨膨胀胀率率不不超超 过过 0.5%0.5%。因因 其其 检检 测测 烦烦 琐琐，故故 规规 定定 f-f-MgO5.0%MgO5.0%。SOSO3 3：冷饼试验：将试饼置于潮湿环境或：冷饼试验：将试饼置于潮湿环境或浸入水中经过浸入水中经过28d28d或更长时间观察有无明显变或更长时间观察有无明显变形。其检测烦琐，规定形。其检测烦琐，规定SOSO3 33.5%3.5%。（5 5）化学减缩）化学减缩 2C2C3 3S+6 HS+6 H2 2O=CO=C3 3S S2 2H H3 3+3 CH+3 CH 密度密度 3.14 1.00 2.44 2.23 3.14 1.00 2.44 2.23 分子量分子量 228.23 18.02 342.48 74.10228.23 18.02 342.48 74.10 Mol Mol体积体积 72.71 18.02 140.40 33.2372.71 18.02 140.40 33.23体系所占体积体系所占体积 145.42 108.12 140.40 99.69145.42 108.12 140.40 99.69 253.54cm 253.54cm3 3 240.09cm 240.09cm3 3=13.45cm=13.45cm3 3 C C3 3A AC C4 4AFAFC C3 3S SC C2 2S S一般硅酸盐水泥，每一般硅酸盐水泥，每100g100g减缩约减缩约7 79%9%。（6 6）水化热）水化热 硅酸盐水泥硅酸盐水泥1-3d1-3d龄期水化放热量为总龄期水化放热量为总放热量的放热量的50%50%，7d7d为为75%75%，6 6个月为个月为83-97%83-97%。因此水泥放热大部分在早期。因此水泥放热大部分在早期3-7d3-7d放出。放出。水泥矿物水化热，水泥矿物水化热，J/gJ/g 单矿物单矿物C C3 3S SC C2 2S SC C3 3A AC C4 4AFAF水化热水化热3d3d240240505088088029029028d28d37737710510513781378494494（7 7）碱含量）碱含量u水泥中碱含量含找Na2O+K2O计算值表示，标准规定不应大于0.06%或由买卖双方协商确定。水泥中碱含量较高时会在三方面对水泥造成不利影响：水泥中碱含量较高时会在三方面对水泥造成不利影响：发生碱-集料反应；导致水泥与高效减水剂相容性变差；使水泥抗裂性变差；混凝土构件中心温度与厚度的关系混凝土构件中心温度与厚度的关系 绝热的6m3m2m1m水泥量300kg/m3温升()混凝土龄期(d)505040403030202010100 02 24 46 68 81010 12121414 对冬季施工而言，对冬季施工而言，水化放热有利于水泥的水化放热有利于水泥的正常凝结，可不因环境正常凝结，可不因环境温度过低而使水化太慢。温度过低而使水化太慢。但如构筑物尺寸较大，但如构筑物尺寸较大，热量不易散失，温度升热量不易散失，温度升高，与其表面的温差过高，与其表面的温差过大，就会产生较大应力大，就会产生较大应力而导致裂缝。而导致裂缝。在大体积混凝土工程不宜采用硅酸盐水泥在大体积混凝土工程不宜采用硅酸盐水泥 大型基础、水坝、桥墩等大体积混凝土构大型基础、水坝、桥墩等大体积混凝土构筑物，由于水化热积聚在内部不易散热，内部筑物，由于水化热积聚在内部不易散热，内部温度常上升到温度常上升到50-6050-60以上，内外温度差所引以上，内外温度差所引起的应力，可使混凝土产生裂缝，因此水化热起的应力，可使混凝土产生裂缝，因此水化热对大体积混凝土是有害因素。在大体积混凝土对大体积混凝土是有害因素。在大体积混凝土工程中，不宜采用硅酸盐水泥。工程中，不宜采用硅酸盐水泥。水泥的三高问题u“高细度、高C3S含量、高强度等级”所谓的“三高”水泥对混凝土产生裂缝的不利影响应该说越来越大了。u例如机场跑道工程，在20世纪50-70年代修建的许多军事和民用机场，路面混凝土至今保持完好，而20世纪80年代后修建的混凝土路面三五年内出现破坏的有很多。u陕西省有一条渭惠水渠，是陕西省有一条渭惠水渠，是2020世纪世纪3030年代年代我国著名水利专家李仪址主持修建的，至我国著名水利专家李仪址主持修建的，至今今8080多年过去了，那些桥涵跌水设施大部多年过去了，那些桥涵跌水设施大部分保持完好，而分保持完好，而2020世纪世纪8080年代后修建的一年代后修建的一些水利设施，出现严重破坏的很多。些水利设施，出现严重破坏的很多。u我们也曾用过一些高强度等级的所谓“好水泥”做的房屋散水，经一个冬天，出现掉皮裂缝问题，而用低强度等级的所谓“差水泥”做的散水，却一直保持完好。u美国从20世纪30年代开始，把水泥中的C3S含量由30%提高到50%，把细度由允许大于75m的颗粒含量为22%，改为基本为零。70年后的今天，经调查发现，1930年前修建的桥梁有67%保持完好，而1930年后修建的桥梁只有27%保持完好。uR型水泥除了可以使混凝土早强、早拆模外，对混凝土的其他性能不会有明显好处。相反，由于它3d强度高，水化热和收缩集中，可能会对混凝土裂缝的产生带来不利的影响。所以，如果工程中对混凝土早强没有特别的要求，就最好不要使用它；u比表面积在400m2/kg以上的高强度等级水泥，由于其颗粒比较细，凝结较快，水化热集中，对混凝土的体积稳定性有不利影响，更使混凝土产生裂缝的可能性增加，所以使用时应慎重考虑；uC3A含量大的水泥，与混凝土外加剂的适应性变差，容易使混凝土出现假凝和塑性裂缝，u所以说，低强度等级水泥绝对不是劣质水泥，用它照样可以配出性能很好的高标号混凝土或其他品种的混凝土关于水泥认识误区关于水泥认识误区 1 1）长期以来，）长期以来，重水泥研究，轻混凝土研究，重水泥研究，轻混凝土研究，错误的认为水泥的问题解决了，混凝土的错误的认为水泥的问题解决了，混凝土的问题就解决了，不认为混凝土本身是一门问题就解决了，不认为混凝土本身是一门科学和复杂的技术。科学和复杂的技术。2 2）认为）认为将水泥作为胶凝材料的唯一组分是混将水泥作为胶凝材料的唯一组分是混凝土的最佳选择。凝土的最佳选择。3 3）认为）认为水泥掺加的越多，混凝土的质量越好水泥掺加的越多，混凝土的质量越好。4 4）水泥带来混凝土高的早期强度，使人们产水泥带来混凝土高的早期强度，使人们产生错觉，忽略了耐久性问题生错觉，忽略了耐久性问题。肆无忌惮地大量使用水泥造成很严重的后果肆无忌惮地大量使用水泥造成很严重的后果：1 1）没有解决混凝土的质量问题，）没有解决混凝土的质量问题，相反混凝土相反混凝土的的“富贵病富贵病”导致大量的混凝土的工程病导致大量的混凝土的工程病害。害。2 2）优质的天然资源被过快地消耗，生态遭到优质的天然资源被过快地消耗，生态遭到破坏破坏。优质天然河砂已很少；优质天然河砂已很少；据天津某单位的据天津某单位的勘测表明我国能生产水泥的石灰石贮量仅为勘测表明我国能生产水泥的石灰石贮量仅为500500亿吨亿吨，以其作为生产水泥的原料，按目前，以其作为生产水泥的原料，按目前水泥产量，仅够生产水泥水泥产量，仅够生产水泥4040年年；COCO2 2是主要是主要的温室效应气体，生产的温室效应气体，生产1 1吨水泥熟料约产生近吨水泥熟料约产生近1 1吨吨CO2CO2。1800-20001800-2000年年COCO2 2排放量排放量低碳混凝土技术的出路低碳混凝土技术的出路 给水泥在混凝土中重新定位，发挥给水泥在混凝土中重新定位，发挥其作用，克服其缺点其作用，克服其缺点，与矿物掺合料，与矿物掺合料形成合理的胶凝材料体系是混凝土高形成合理的胶凝材料体系是混凝土高性化过程中必须完成的观念转变。性化过程中必须完成的观念转变。