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硅酸盐水泥的水化放热曲线 水泥的水化放热量大

2021-01-23 17:14 作者:中彩神网 点击:

  水泥成分,种类,生产_化学_自然科学_专业资料。第六章 水 泥 内容 水泥的定义和分类 水泥的生产 水泥的基本组成 水泥的水化硬化 水泥的品质要求 常用水泥的基本特征与用途 特种水泥的组成与主要性能 一、水泥的定义和分类 定

  第六章 水 泥 内容 水泥的定义和分类 水泥的生产 水泥的基本组成 水泥的水化硬化 水泥的品质要求 常用水泥的基本特征与用途 特种水泥的组成与主要性能 一、水泥的定义和分类 定义:凡细磨成粉末状,加入适量水后成为塑性浆 体,既能在空气中硬化,又能在水中硬化,并能将 砂、石等散粒或纤维材料牢固地胶结在一起的水硬 性胶凝材料,统称为水泥。 硅酸盐水泥定义:以硅酸盐水泥熟料、适量石膏 磨细制成的水硬性胶凝材料。 按组成分类: 常用水泥/硅酸盐水泥(以硅酸盐水泥熟料为主要组分) 如:硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥等 特种水泥(以非硅酸盐类水泥熟料为主要组分) 如:高铝水泥、硫铝酸盐水泥等 组分材料: (1)硅酸盐水泥熟料:适当成分的生料烧至部分熔融, 所得以硅酸钙为主要成分的产物 (2)石膏:天然石膏或工业副产石膏(工业生产中以 硫酸钙为主要成分的副产品),掺量2~5% (3)活性混合材:具有火山灰性或潜在水硬性的混合 材料,如粒化高炉矿渣、粉煤灰等 (4)非活性混合材:活性指标不符合标准要求的潜在 水硬性或火山灰性混合材料以及砂岩和石灰石 (5)窑灰:从水泥回转窑窑尾废气中收集下的粉尘 (6)助磨剂:在水泥粉磨时起助磨作用而不损害水泥 性能的一种外加剂,加入量1% 常用水泥品种 水泥品种 水泥 代号 熟料 水泥组成 石膏 混合材 Ⅰ型硅酸盐水泥 P.Ⅰ Ⅱ型硅酸盐水泥 P. Ⅱ 普通硅酸盐水泥 P.O 硅酸盐水 泥熟料 95~98% 硅酸盐水 泥熟料 90~97% 硅酸盐水 泥熟料 80~92% 适量(控制 SO33.5%) 适量(控制 SO33.5%) 适量(控制 SO33.5%) 不掺任何混合材 掺加不超过水泥质量5%的石 灰石或粒化高炉矿渣混合材 掺6~15%混合材。活性混合 材15%(允许用窑灰5%或 非活性混合材10%代替), 非活性混合材10% 水泥品种 水泥 代号 熟料 石膏 水泥组成 混合材 矿渣硅酸盐 P.S 水泥 硅酸盐水 适量(控制 泥熟料 SO34%) 25~78% 粒化高炉矿渣20~70%,允许用 石灰石、窑灰和火山灰质混合材 中的一种材料代替,代替数量 8%,替代后水泥中粒化高炉矿 渣20% 火山灰质硅 P.P 酸盐水泥 粉煤灰硅酸 P.F 盐水泥 复合硅酸盐 P.C 水泥 硅酸盐水 适量(控制 泥熟料 SO33.5%) 45~78% 硅酸盐水 适量(控制 泥熟料 SO33.5%) 55~78% 硅酸盐水 适量(控制 泥熟料 SO33.5%) 45~83% 火山灰质混合材20~50% 粉煤灰20~40% 掺两种或两种以上混合材料,总 掺量按质量百分比计为15~50%, 允许用8%的窑灰代替部分混合 材料,掺矿渣时,混合材掺量不 得与矿渣水泥重复 二、水泥的生产 原材料: (1)石灰石质原料(主要成份为碳酸钙,提供氧 化钙),如石灰岩、泥灰岩、白垩、贝壳等 (2)粘土质原料(提供氧化硅和氧化铝及部分氧 化铁),如黄土、粘土、页岩、泥岩、粉砂岩及 河泥等 (3)少量校正原料(铁质校正原料和硅质校正原 料,提供氧化铁和氧化硅),铁质校正原料如低 品位铁矿石、炼铁厂尾矿以及硫酸厂工业废渣硫 酸渣(硫铁矿渣)等;硅质校正原料如砂岩、河 砂、粉砂岩等。 生产工艺:“两磨一烧” 生料制备:石灰质原料,粘土质原料与少量 校正原料经破碎后,按一定比例配合、磨细,并 配合为成分合适,质量均匀的生料 熟料煅烧:生料在水泥窑内煅烧至部分熔融 所得以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料 水泥粉磨:熟料加适量石膏,有时还加适量 混合材料或外加剂共同磨细为水泥 用 窑 外 分 解 窑 干 法 生 产 的 工 艺 流 程 水泥窑系统中发生的化学反应 石灰石 CaO CO2 粘土 SiO 2 Al2O3 Fe2O3 H2O 3CaO SiO2 2CaO SiO2 3CaO Al2O3 4CaO Al2O3 Fe2O3 水泥窑系统中发生的物理化学反应过程 (1)干燥与脱水 ~100℃,脱去物料中的自由水和粘土矿物的层间 水 ~400~600 ℃,脱去粘土矿物的配位水 (2)碳酸盐分解 碳酸钙与碳酸镁在煅烧过程中分解放出二氧化碳 ~590℃,MgCO3≒MgO+CO2-1047~1214J/g ~890℃,CaCO3≒CaO+CO2-1645J/g (3)固相反应 ~800℃,CaO·Al2O3(CA)、CaO·Fe2O3(CF)与 2CaO·SiO2(C2S)开始形成。 800~900℃,开始形成12CaO·7Al2O3(C12A7)。 900~1100℃,2CaO·Al2O3SiO2(C2AS)形成后又分 解。开始形成3CaO·Al2O3(C3A)和 4CaO·Al2O3·Fe2O3(C4AF)。所有碳酸钙均分解, 游离氧化钙达最高值。 1100~1200℃,大量形成C3A和C4AF,C2S含量达最 大值。 (4)液相和熟料的烧结 到达最低共熔温度(1250℃)后,开始出现 液相。硅酸二钙与游离氧化钙都逐步溶解于液相 中,反应生成硅酸盐水泥的主要矿物硅酸三钙 3CaO·SiO2(C3S) 。在高温液相作用下,水泥 熟料逐渐烧结。 液相 C2S+CaO C3S 三、水泥的基本组成 (1)硅酸盐水泥熟料 氧化物组成 CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3 MgO、 SO3、TiO2、P2O5、K2O和Na2O等 ~95% ~5% 主要氧化物含量波动范围: CaO Al2O3 62~67%; 4~7%; SiO2 Fe2O3 20~24%; 2.5~6.0%。 矿物组成 经高温煅烧后,两种或两种以上的氧化物反应 生成多种矿物集合体,结晶细小(30~60μm)。 四种主要矿物: 硅酸盐矿物, 硅酸三钙 3CaO·SiO2,可简写为C3S; 75% 硅酸二钙 2CaO·SiO2,可简写为C2S; 溶剂矿物, 铝酸三钙 3CaO·Al2O3,可简写为C3A; 22% 铁相固溶体4CaO·Al2O3·Fe2O3作为代表式,可 简写为C4AF。 另外,还含有少量的游离氧化钙(f-CaO)、方 镁石(结晶氧化镁)、含碱矿物以及玻璃体等。 熟料矿物的基本特性 矿物 含量 强度 耐化 水化 早 后 凝结 水化热 学侵 干 速度 期 期 时间 蚀性 缩 C3S 50% 较快 高 高 正常 中 中 中 C2S 20% 较慢 低 高 缓慢 小 良 小 C3A 7~15% 迅速 高 低 很快 大 差 大 C4AF 10~18% C3A 低 低 正常 小 后期慢 优小 矿物组成的计算 鲍格(Bogue)法: C3S=4.07C-7.60S-6.72A-1.43F-2.86SO3; C2S=8.60S+5.07A+1.07F+2.15SO3-3.07C =2.87S-0.754C3S; C3A=2.65A-1.69F; C4AF=3.04F; CaSO4=1.70SO3 式中C——CaO;S——SiO2;A——Al2O3;F—— Fe2O3 百分含量。 (2)混合材 活性混合材 混合材磨细后与石灰和石膏拌合,加水后既 能在水中又能在空气中硬化的称为活性混合材。 粒化高炉矿渣:炼铁高炉的熔融矿渣经水淬急冷形 成,物相组成大部分为玻璃体,具有较高的化学 潜能,在激发剂的作用下具有水硬性。 化学成分:CaO、Al2O3、SiO2 90% MgO、MnO、Fe2O3、CaS、FeS、TiO2等 质量系数=(CaO+MgO+Al2O3)/(SiO2+MnO) 活性矿渣质量系数1.2,非活性矿渣质量系数1.2 粒化高炉矿渣粉的活性指数(A)=R/R0×100% 粒化高炉矿渣粉级别(28d的A):S105,S95,S75 火山灰质混合材 凡天然的及人工的以氧化硅、氧化铝为主要 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拌和,则不但能在空气中 硬化,而且能在水中继续硬化者称为火山灰质混 合材。 天然:火山灰、火山凝灰岩、浮石、硅藻土、硅藻 石、蛋白石等 人工:烧粘土、活性硅质渣、粉煤灰、烧页岩等。 粉煤灰 燃煤发电厂电收尘器收集的细灰 主要化学成分:SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 物相组成:玻璃体60~85%;结晶化合物 10~30%;未燃尽碳约5%。 类别 CaO含量 来源 活性 低钙粉煤灰 10% 无烟煤燃烧所得副产品 较低 高钙粉煤灰 15~30% 褐煤和次烟煤燃烧所得的副产品 较高 非活性混合材 与水泥成分不起化学作用或化学作用很小的 称为非活性混合材。 磨细石英砂、石灰石、慢冷矿渣等 作用:提高水泥产量,减少水化热,降低水泥标 号。 (3)石膏 天然石膏或工业副产石膏(CaSO4,CaSO4·2H2O) 作用:调节凝结时间,提高早期强度,降低干缩变 形,改善耐久性、抗渗性等性能,对混合材起活性激发 作用。 最佳掺量:C3A含量,混合材 以水泥中SO3含量作为石膏掺量的控制指标 过少,不能合适地调节水泥正常凝结时间 过多,可能导致水泥体积安定性不良 四、水泥的水化硬化 定义:水泥与水接触时,水泥中的各组分 与水的反应称为水化。 水泥 +水 水泥浆 凝结、硬化 水泥石 cement Cement paste Hardened cement paste 硅酸盐水泥的水化硬化 水化过程 主要水化产物: 水化铝(铁)酸钙 CH Ca-Al C-S-H凝胶 水化硫铝(铁)酸钙 硬化浆体结构: 未水化的水泥颗粒、水化产物、孔隙 影响强度的因素: C-S-H生成量,孔隙(气孔和毛细孔) 矿渣硅酸盐水泥的水化硬化 熟料矿物+水 水化产物 水化硅酸钙 碱性激发剂:CH(+SiO2+Al2O3) 水化铝酸钙 硫酸盐激发剂:石膏(+SiO2+Al2O3 ) 水化硫铝(铁)酸钙 火山灰水泥的水化硬化 熟料矿物+水 水化产物 二次反应 CH(+SiO2+Al2O3) 水化硅酸钙 水化铝酸钙 五、水泥的品质要求 凝结时间——工程施工 初凝:水泥加水拌和开始至标准稠度净浆开始失 去可塑性所经历的时间。45min 终凝:浆体完全失去可塑性并开始产生强度所经 历的时间。 硅酸盐水泥6.5h 其他品种水泥10h(2008年实施GB175-2007) 测定:维卡仪 影响因素:水泥品种、水灰比、环境温度 强度——水泥质量 确定水泥强度等级; 设计混凝土和砂浆配合比的强度依据 胶砂(水泥1+中国ISO标准砂3+水0.5) 棱柱体试件(40mm×40mm×160mm) 20±1℃湿气 24h 脱模 20±1℃水中 预定龄期(3d、28d) 测定抗压强度和抗折强度 水泥强度等级按照28d抗压强度值划分 (2008年实施GB175-2007) 硅酸盐水泥:42.5、42.5R、52.5、 52.5R、62.5、62.5R六个等级 普通水泥:42.5、42.5R、52.5、52.5R 四个等级 矿渣硅酸盐水泥、火山灰水泥、粉煤 灰水泥、复合水泥: 32.5、32.5R 、42.5、 42.5R、52.5、52.5R六个等级 体积安定性 体积安定性不良是指已硬化水泥石产 生不均匀的体积变化现象。 引起体积安定性不良的原因: (1)f-CaO过量 CaO+H2O=Ca(OH)2 (2)f-MgO过量 MgO+H2O=Mg(OH)2 (3)石膏掺量过多 石膏+C-A-H AFt 细度 影响水泥安定性、需水量、凝结时间 及强度 国标: 硅酸盐水泥比表面积300m2/kg 透气式比表面积仪 其他水泥80μm标准筛上筛余量10% 筛析法 水化热 水泥水化放出的热称为水泥的水化热。 硅酸盐水泥的水化放热曲线 水泥的水化放热量大部分在3~7d内放 出,以后逐渐减少 大体积混凝土,冬季混凝土施工 水泥水化放热量与水泥细度、混合材 种类和数量有关 中热硅酸盐水泥和低热硅酸盐水泥, 适用于水化热较低的大坝和大体积混凝土 工程。 水泥化学品质指标 (1)不溶物:熟料中未参与矿物形成反应的粘土和 结晶SiO2 ,是煅烧不均匀,化学反应不完全的标 志。。 (2)烧矢量:反映熟料的烧成质量,混合材掺量是 否适当以及水泥风化的情况。 (3)氧化镁:以方镁石晶体存在的MgO导致水泥长 期安定性不良。 (4)SO3:造成水泥体积安定性不良,通过控制石 膏掺量控制。 (5)碱含量(Na2O+0.658K2O):与活性骨料发生 碱骨料反应,导致混凝土不均匀膨胀破坏。 抗蚀性(耐久性) (1)淡水(溶蚀):流动水,水压,混凝土 渗透性较大 (2)酸与酸性水(溶析和化学溶解):碳酸 (3)硫酸盐(侵蚀):除硫酸钡以外的硫酸 盐,“镁盐侵蚀” (4)含碱溶液(化学侵蚀和结晶侵蚀) 六、常用水泥的基本特征与用途 硅酸盐水泥与普通水泥 特性 标号高 凝结硬化快,抗冻性好 CH含量高 水化放热量大 用途 配制高强混凝土和预应力混凝土 早强高、凝结快的工程,有抗冻融 要求,冬季施工的工程 抗淡水、海水侵蚀和抗硫酸盐侵蚀 能力差 不宜用于大体积工程 矿渣水泥 特性 凝结硬化较慢,早强低,后期强 度不低 养护时间较长,湿热养护可加速 硬化速度 抗冻性、抗渗性和抵抗干湿交替 循环性能较差 CH 较少,水化产物碱度低,抗碳 化能力较差,抗淡水、海水和硫 酸盐侵蚀能力较强 耐热性较好 用途 水工工程和海港工程 耐热混凝土工程 火山灰水泥 特性 用途 凝结硬化较慢,早强低, 后期强度不低 养护时间较长,蒸汽或湿 不宜于冬季施工 热养护可加速硬化速度 水化热低 宜用于浇筑大体积工程 CH含量低,较高的抗硫 最适宜用于地下或水下工程, 酸盐侵蚀性能,抗大气稳 需要抗渗、抗淡水或抗硫酸 定性差,抗冻性差 盐侵蚀的工程,不宜用于受 冻部位 采用软质混合材(如硅藻 不宜用于干燥地区 土)的收缩变形大 粉煤灰水泥 特性 用途 水化硬化较慢,早强较低,后 承受荷载较迟的工程 期强度不低 水化热较小 大体积混凝土工程 抗硫酸盐侵蚀能力较强 适用于水工工程和海港工程 需水量较小,混凝土和易性好, 干缩小,抗裂性好,抗碳化能 力差,抗冻性较差 复合水泥 特性取决于所掺混合材的种类、掺量及相对比例 白色硅酸盐水泥 325、425、525、625四个强度等级 白度分为特级、一、二、三级 彩色硅酸盐水泥 27.5、32.5、42.5三个强度等级 基本色有红色、黄色、蓝色、绿色、棕色、黑色等 七、特种水泥的组成与主要性能 铝酸盐水泥 以钒土和石灰石为原料,按适当比例配合进 行烧结或熔融,再经粉磨而成,代号CA。 按Al2O3百分数分为四类: CA-50 50%≤Al2O360% CA-60 60% ≤Al2O368% CA-70 68% ≤Al2O377% CA-80 77% ≤Al2O3 组成 化学组成 CaO 32~42% Al2O3 ≥50% 矿物组成 SiO2 0.5~8.0% Fe2O3+FeO 0.5~2.5% 铝酸一钙(CA) 70% 凝结缓慢,硬化快 二铝酸一钙(CA2) 水化硬化较慢,早期强 度低,后期强度不断增高,耐热性高 七铝酸十二钙(C12A7)水化速度快,凝结迅 速,强度不高,含量10%使水泥快凝 铝方柱石(C2AS)和β-C2S SiO2 5%,形 成β-C2S, SiO2含量较高时形成C2AS ,水化速度 慢,影响早强,配料中严格限制SiO2含量 特性 (1)水化硬化过程 15~20℃ 水化产物CAH10、C2AH8、AH3 温度升高,开始出现C3AH6 30 ℃,水化产物主要是C3AH6、AH3 转晶反应(CAH10和C2AH8 C3AH6),随 温度提高而加速,水泥石强度倒缩 (2)水泥基本性能 细度:比表面积≥300m2/kg或0.045mm方孔筛筛余≤20% 凝结时间:CA-50,-70,-80 30min/6h;CA-60 60min/18h 强度:1d、3d 标准稠度用水量:不大,水化所需结合水较多 水化放热量、水化速率:水化放热量正常,水化速率很快 养护温度:约15℃,不得超过25 ℃(转晶反应) 闪凝:与硅酸盐水泥或石灰相混 耐高温性:1300 ℃以下 良好的抗硫酸盐及抗海水侵蚀性能 抗蚀性好,但对浓酸及碱溶液的耐蚀性不好 主要用于工期紧急的抢修工程,避免接触碱溶液,不 宜用于长期承载结构及高温、高湿环境。 低水灰比、降低养护温度及掺加石膏或无水石膏,可 改善长期强度下降现象。

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