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道路工程材料2.水泥


2.1.3 石膏(CaSO4· 2H2O)
掺量:3~5% 作用:缓凝、调节凝结速度
2.1.4 水泥中的有害物质
• 游离氧化钙 f-CaO、氧化镁 f-MgO
• 三氧化硫 SO3 • 碱含量 →“碱-集料反应”
2.1.5 常用硅酸盐水泥品种
1) 硅酸盐水泥P I、P II:硅酸盐水泥熟料+0~5%混合材+石膏 2) 普通硅酸盐水泥PO:硅酸盐水泥熟料+6~15%混合材+石膏 3) 矿渣硅酸盐水泥PS:水泥熟料+20~70%粒化高炉矿渣+石膏
图2-2 几种矿物的水化释热量 C3A>C3S>C4AF>C2S
图2-3 几种矿物强度发展特征
2.1.2 水泥混合材料及其特性
混合材料:改善水泥性质(降低水化热,提高防腐性能) 调节水泥标号 提高水泥产量(节约水泥原料) 如:天然砂砾 火山灰或工业废渣(矿渣、炉渣、粉煤灰)等
2.1.2.1 活性混合材料
22.0 23.0 27.0 28.0 32.0
42.5
42.5 52.5 52.5 62.5 62.5
3.5
4.0 4.0 5.0 5.0 5.5
6.5
6.5 7.0 7.0 8.0 8.0
2.2.3.5 干缩率和磨损量
1)干缩性(抗裂、抗渗、抗冻、抗腐蚀) ① 矿物组成:C3A↑干缩性↑ C4AF↑收缩量↓(抗裂性最好) ② 细度↑干缩性↑
图2-2 几种矿物的水化释热量
强度 早期强度:C3S>C3A>C4AF>C2S 后期强度:C3S~C2S>C3A~C4AF
图2-3 几种矿物强度发展特征
图2-1 几种矿物的水化速率 C3A>C3S>C4AF>C2S 24h:大约有65%的C3A水化,C3S水化50%左右; 90d:四种矿物的水化程度已经接近
4) 火山灰质硅酸盐水泥PP:水泥熟料+20~50%火山灰质材料+ 石膏
5) 粉煤灰硅酸盐水泥PF:水泥熟料+20%~40%粉煤灰+石膏 道路硅酸盐水泥:道路硅酸盐水泥熟料+0~10%活性混合材+ 石膏

2.2 水泥的技术性质
2.2.1 新拌水泥浆体的凝结硬化过程
2.2.1.1 硅酸盐水泥的凝结硬化过程
主要水化产物(比例)
水化硅酸钙( ~70%) Ca(OH)2 ( ~20%) 三硫型水化铝酸钙(钙矾石~7%) 硫型水化铝酸钙 三硫型水化铁铝酸钙 单硫型水化铁铝酸钙
图2-4 水泥的凝结硬化过程示意图
2.2.1.2 掺混合材料水泥的凝结硬化过程
1)反应条件 ⑴ 具有活性物质:活性SiO2和活性Al2O
⑶ 铝酸三钙:
在纯水中:C3A+H2O →(C4AH13、C4AH19、C3AH6…) (水泥瞬凝的原因)
水化铝酸钙
在石膏溶液中:C3A+Ca(OH)2+H2O →
C4AH13 三硫型水化铝酸钙(钙矾石)
C4AH13+CaSO4· 2H2O +H2O→ 3CaO· Al2O3· 3CaSO4· 32H2O
2) 耐磨性
① 熟料矿物:C4AF↑C3S↑C3A↓,耐磨性↑ (抗冲击性及各类强度)↑ ② 抗压强度↑、耐磨性↑
2.3 常用硅酸盐水泥
2.3.1和2.3.2五大品种水泥
☆ 硅酸盐水泥 ☆ 普通硅酸盐水泥 ☆ 矿渣硅酸盐水泥 ☆ 火山灰硅酸盐水泥
☆ 粉煤灰硅酸盐水泥
2.3.3 道路硅酸盐水泥
1)作用和使用要求
1)初始反应期:水泥熟料颗粒初始水解和水化(约5~10min,放热 7J/g.h) 4J/g.h) 3)凝结期:膜层破裂,水泥颗粒进一步水化(约6h,放热20J/g.h) 4)硬化期:水化物进一步发展,填充毛细孔(约6 h~若干年)
图2-4 水泥的凝结硬化过程示意图 水泥水化过程
2 )潜伏期:水化物薄膜围绕水泥颗粒成长变厚(约 1~2h ,放热
主要指标:细、凝、安、强,以强为主
2.2.3.1 细度
意义:细度愈大,早期强度愈高、凝结速度愈块、析水量减少 过细:生产成本高、在空气中硬化收缩大、不宜保存
图2-5 水泥细度与干缩率
指标:比表面积法(m2/kg) 筛析法(80μm方孔筛上的筛余量百分率)
2.2.3.2 凝结时间
定义:初凝:水泥加水拌和起至水泥浆开始失去塑性所需时间 终凝:水泥加水拌和时起至水泥浆完全失去塑性所需时间 测定方法:图2-6 水泥凝结时间测试示意图
Ⅰ型硅酸盐水泥,代号P.I,不掺混合材料
Ⅱ型硅酸盐水泥,代号P.II,掺加不超过水泥质量5%的
混合材料
2.1.1.1 硅酸盐水泥的原料与熟料
1) 原料—生料(主要化学成分):CaO—SiO2—Al2O3—Fe2O3 生产工艺——二磨一烧 石灰石┐ 磨细 1450℃ 磨细 粘 土┼─── 生料─── 熟料┐ ————水泥成品 铁矿粉┘ 石膏┘ 2)熟料(主要矿物): 硅酸三钙(3CaO· SiO2)——简写C3S
★ 腐蚀原因
① 水泥石中存在着引起腐蚀的成分 Ca(OH)2(约20%) 水化铝酸钙 ② 有侵蚀性介质存在:各种盐类、硫酸盐类及酸类物质
③ 水泥石本身不密实
2.2.2.1 水化物Ca(OH)2的溶失与置换
1)溶析性侵蚀(淡水腐蚀)
Ca(OH)2在动水或有压力水中直接溶失
2)盐类腐蚀 MgCl2+Ca(OH)2 → CaCl2 (易溶) +Mg(OH)2 3)酸类腐蚀 碳酸腐蚀:CO2+H2O +Ca(OH)2 → CaCO3+H2O CO2+H2O + CaCO3→ Ca(HCO3)2 盐酸腐蚀:HCl+Ca(OH)2 → CaCl2(易溶)+H2O
2.3.3 道路硅酸盐水泥
3)51~60%,以提高早期强度,尽早放开交通;
② C2S:不宜过多,其早期强度过低
③ C3A≤5%,考虑到其水化生成物耐腐蚀性较差
④ C4AF≥16%,提高水泥的抗折强度
⑤ 控制碱含量
水化铝酸钙 C4A· H13 → 钙矾石(体积比水化铝酸钙增加 1.5 倍)
★ 腐蚀的危害 ① 水泥石密度下降、强度降低 ② 混凝土开裂与崩解
2.2.2.3 水泥石腐蚀的防止
1)合理选择水泥品种(根据侵蚀环境特点选择) 2)提高水泥石的密实程度 合理降低水灰比 使用减水剂 3)加作保护层
2.2.3 水泥的技术指标
2.2.2.2 硫酸盐腐蚀 (在Ca(OH)2存在的情况下)
Ca(OH)2 + Na2SO4 → CaSO4· 2H2O+NaOH+H2O 水中
Ca(OH)2 + Mg SO4 → CaSO4· 2H2O+Mg(OH)2 水中 Ca(OH)2 + H2SO4 → CaSO4· 2H2O+H2O 水中 CaSO4· 2H2O+C4A· H13 → Ca(OH)2+3C3A· 3CaSO432H2O 水泥石中 钙矾石
◇ 用途:供道路面层和机场道面结构专用
◇ 主要技术要求:抗折强度高 干缩性小
耐磨性好
2.3.3 道路硅酸盐水泥
2)矿物组成对技术性能的影响
① 抗折强度高:C3S↑、C4AF↑、C3A↓、f- CaO↓。 ② 干缩性小(抗渗、抗冻):C3A↓,C4AF↑ ③ 耐磨性好: C4AF↑,C3S↑,C3A↓,强度高
表1硅酸盐水泥各龄期强度值
影响强度等级因素:熟料矿物 C3S、C2S↑,强度↑ 细度大,水化反应快并充分,强度高
硅酸盐水泥各龄期强度值(GB175-1999)
强度等级
抗压强度/ MPa
3d 28d
抗压强度/ MPa
3d 28d
42.5
42.5R 52.5 52.5R 62.5 62.5R
17.0
2.2.3.3 体积安定性
意义:水泥浆在硬化后因体积膨胀不均匀而变形的情况
测定方法:沸煮法
压蒸法图2-7 压蒸法测试示意图
图2-5 水泥细度与干缩率的关系
图2-6 水泥凝结时间测试示意图
图2-7 压蒸法模具示意图
2.2.3.4 强度等级和标号
意义:强度是水泥的重要技术性质之一 也是划分水泥强度等级的主要依据 强度等级 ※强度试验条件:水泥 : 标准砂= 1:3 、水灰比= 0.5 ,试件 4×4×16㎝,标准养护、测定3d与28d抗压强度与抗折强度 ※型号:早强型R和普通型(根据3d强度) ※强度等级: 硅酸盐水泥—42.5、42.5R、52.5、52.6R、62.5、62.5R 普通水泥—32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.6R
C4(A、F)H13+CaSO4· 2H2O+H2O→3CaO· (Al2O3· Fe2O3)3CaSO4· 32H2O
三硫型水化铁铝酸钙
当石膏耗尽后:同铝酸三钙,生成单硫型水化硫铁铝酸钙
★ 水泥水化小结
生料 熟料 水泥石
主要化学成分 主要矿物成分
CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 C3S C2S C3A C4AF CaSO4· 2H2O
2. 水泥
水泥——水硬性胶凝材料 不仅能在空气中硬化,还能更好地在水中硬化, 保持并继续增长其强度


主要内容 水泥的矿物组成及其技术特性 水泥的技术性质
2.1 水泥的矿物组成及其特性
2.1.1 硅酸盐水泥熟料
硅酸盐水泥: 硅酸盐水泥熟料、0~5%石灰石或粒化高炉矿渣,石膏
硅酸盐水泥类型:
硅酸二钙(2CaO· SiO2)——简写C2S
铝酸三钙(3CaO· Al2O3)——简写C3A 铁铝酸四钙(4CaO· Al2O3· Fe2O3)——简写C4AF
2.1.1.2 硅酸盐水泥熟料中主要矿物组成的技术特性
水化程度:C3A>C3S>C4AF>C2S
图2-1 几种矿物的水化程度
释热量:C3A>C3S>C4AF>C2S
活性:能与碱水溶液和硫酸盐溶液反应,生成水硬性化合物 • 粒化高炉矿渣:CaO,SiO2,Al2O3,Fe2O3 (含量>90%) • 火山灰质混合材料:活性SiO2和活性Al2O3
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