水泥

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摘要凡细磨材料,加水拌和后可以成为可塑性浆体,经过物理化学反应过程可形成坚固的石状体,既能在空气中硬化,又能在水中硬化的水硬性胶凝材料统称为水泥。 普通水泥,俗称洋灰、红毛泥、英泥,用于土木工程上的胶结性材料的总称,是当今世界上最重要的建筑材料之一。 水泥是一种粉末状材料,当它与水或...

水泥

凡细磨材料,加水拌和后可以成为可塑性浆体,经过物理化学反应过程可形成坚固的石状体,既能在空气中硬化,又能在水中硬化的水硬性胶凝材料统称为水泥。

普通水泥,俗称洋灰、红毛泥、英泥,用于土木工程上的胶结性材料的总称,是当今世界上最重要的建筑材料之一。

水泥是一种粉末状材料,当它与水或适当的盐溶液混合后,在常温下经过一定的物理化学作用,能由浆体状逐渐凝结硬化,并且具有强度,同时能将砂、石等散粒材料或砖、砌块等块状材料胶结为整体。水泥是一种良好的矿物胶凝材料,它与石灰、石膏、水玻璃等气硬性胶凝材料不同,不仅能在空气中硬化,而且在水中能更好地硬化,并保持和发展其强度。因此,水泥是一种水硬性胶凝材料。

水泥分类

1)按用途及性能分类。

A.通用水泥。这是一般土木建筑工程通常采用的水泥。通用水泥主要是指《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)规定的六大类水泥,即硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。

硅酸盐水泥:代号P.Ⅰ和P.Ⅱ,是由硅酸盐熟料石灰石或高炉矿渣及适量石膏磨细制成,其中P.Ⅰ不掺混合料,P.Ⅱ在硅酸盐水泥粉磨时掺加不超过水泥质量5%的石灰或粒化高炉矿渣混合材料。

普通硅酸盐水泥(简称普通水泥):代号P.O,是由硅酸盐水泥熟料、6%~15%的混合材料及适量石膏磨细制成,其活性混合材料最大掺量不得超过15%,其中允许使用不超过水泥质量5%的窑灰或不超过水泥质量10%的非活性材料来代替。

矿渣硅酸盐水泥(简称矿渣水泥):代号P.S,是由硅酸盐水泥熟料和粒状高炉矿渣及适量石膏磨制而成,其中粒化高炉矿渣掺加量按质量百分比范围为20%~70%,允许用石灰石、窑灰、粉煤灰和火山灰质混合材料中的一种材料代替矿渣,代替量不得超过水泥质量的8%,代替后水泥中的粒化高炉矿渣量不得少于20%。

火山灰质硅酸盐水泥(简称火山灰水泥):代号P.P,是由硅酸盐水泥熟料和火山灰及适量石膏磨制而成,其中火山灰质混合材料掺量为质量百分比20%~50%。

粉煤灰硅酸盐水泥(简称粉煤灰水泥):代号P.F,是由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰及适量石膏磨制而成,水泥中粉煤灰的掺量按照质量百分比计为20%~40%。

复合硅酸盐水泥(简称复合水泥):代号P.C,是由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料,称为复合硅酸盐水泥(简称复合水泥)。水泥中混合材料总掺加量按质量百分比应大于20%,不超过50%。水泥中允许用不超过8%的窑灰代替部分混合材料;掺矿渣时混合材料掺量不得与矿渣硅酸盐水泥重复。

B.专用水泥。专门用途的水泥,如G级油井水泥,道路硅酸盐水泥。

C.特性水泥。某种性能比较突出的水泥,如快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥。

2)按其主要水硬性物质名称分类。

A.硅酸盐水泥,即国外通称的波特兰水泥,是目前工程所使用的主要水泥。

B.铝酸盐水泥。凡以铝酸钙为主,含铝量在50%~60%的熟料磨制的水硬性材料,称为铝酸盐水泥。铝酸盐水泥具有一定的耐高温性能,在高温下仍能保持较高的强度,它适合用作配制各种耐火混凝土的结合剂。

C.硫(铁)铝酸盐水泥。硫(铁)铝酸盐水泥系列主要是以硫(铁)铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物组成新型水泥。硫(铁)铝酸盐水泥系列单独使用或配合 ZB型硫(铁)铝酸盐水泥专用外加剂使用,广泛应用于抢修抢建工程、预制构件、GRC制品、低温施工工程、抗海水腐蚀工程等。

D.氟铝酸盐水泥。这是用适当成分的生料烧成以氟铝酸钙为主要成分,硅酸二钙为次要成分的熟料,加适量石膏、粒化高炉矿渣和激发剂等,共同磨细制得的水硬性胶凝材料。具有凝结快、早期强度高等特点。常温凝结时间只有几分钟,可加缓凝剂按需要调节。主要用于抢修工程及堵水工程。也可用作型砂黏结剂。

3)按主要技术特性分类。

A.快硬性。分为快硬水泥和特快硬水泥两类。

快硬水泥是“快硬硅酸盐水泥”的简称。初期强度增加速率较快的水硬性胶凝材料。硅酸三钙和铝酸三钙含量高于普通水泥。比表面积大、硬化快、初期强度高。主要用于抢修工程、军事工程、预应力钢筋混凝土制件、配制干硬性混凝土等。

特快硬水泥由硫铝酸钙和硅酸二钙等主要矿物组成。其特点是早期强度高、微膨胀、干缩小。适应于负温度施工、地质矿井、抢修、堵漏等工程。品质指标:0.08mm筛余不超过10.0%,比表面积大于380m2/kg;初凝大于5min,终凝小于40min;早期强度高,强度超前发挥于早期,1d达70%以上,3d达到设计指标;负温度性能优越,该水泥不仅水化热高,且放热集中,在-10℃环境中其强度仍能正常发挥;耐久性能好,不同水灰比的混凝土后期强度继续增长,长期强度可靠;抗渗性能好,抗渗标号不小于S30;微膨胀,干缩小;水泥静浆试体自由膨胀率1d龄期时约0.01%,28d龄期时约0.05%,干缩率约为普通硅酸盐水泥的1/2;抗硫酸盐侵蚀性能强,耐蚀系数明显高于抗硫酸盐水泥,比普通硅酸盐水泥高1倍以上;宽水灰比,耐稀释。在水灰比成倍增加时,仍能很好凝固并增加强度。

B.水化热。分为中热水泥和低热水泥两类。

水泥主要成分为各种无机氧化物,这些物质一旦与水接触就会溶于水,与水发生化学反应,即水泥水化。这些化学反应都是放热反应。因此,在水化过程中不断有热量放出,称为水化热。有两种表示方法:水化放热速率和水化累积放热量,常用单位分别为kJ/(kg·h)、kJ/kg。实际中的水化热指的是在一定龄期内单位质量的水泥完全水化放出的热量。根据水化热的大小,可以将水泥分为中热水泥和低热水泥。

C.抗硫酸盐性。

分中抗硫酸盐腐蚀和高抗硫酸盐腐蚀两类。抗硫水泥是硅酸盐水泥的一个品种。由于限制了水泥中某些矿物组成的含量,从而提高了对硫酸根离子的耐腐蚀性。

中抗硫酸盐硅酸盐水泥是以特定矿物组成的硅酸盐水泥熟料,加入适量石膏,磨细制成的具有抵抗中等浓度硫酸根离子侵蚀的水硬性胶凝材料,中抗硫酸盐硅酸盐水泥简称中抗硫酸盐水泥,代号P″MSR。

高抗硫酸盐硅酸盐水泥是以特定矿物组成的硅酸盐水泥熟料,加入更多的石膏,磨细制成的具有抵抗较高浓度硫酸根离子侵蚀的水硬性胶凝材料,高抗硫酸盐硅酸盐水泥简称高抗硫酸盐水泥,代号H″MSR。

D.膨胀性。根据膨胀水泥的膨胀强度等特性,将其分为膨胀水泥和自应力水泥两类。

水泥的膨胀是以线膨胀为主要指标,根据《膨胀水泥膨胀率检验方法》(JC 313—2009)进行测试,测试要求试体经24h湿气养护,脱模测初长,然后在水中养护至1d、7d、28d,分别测定试体长度。

水泥净浆试体水中养护时各龄期线膨胀率应符合以下要求:1d不得小于0.05%;7d不得小于0.10%;28d不得小于0.50%。

当膨胀水泥中膨胀组分含量较多,膨胀值较大,在膨胀过程中又受到限制时(如钢筋限制),则水泥本身会受到压应力。该压力是依靠水泥自身水化而产生的,称为自应力,用自应力值(MPa)表示应力大小。其中自应力值大于2MPa的称为自应力水泥。

水泥性能

深层搅拌施工常用水泥有普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥。

1)强度等级。

A.普通硅酸盐水泥。强度等级分为42.5级、42.5R级、52.5级、52.5R级四个等级。

B.矿渣硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥。强度等级分为32.5级、32.5R级、42.5级、42.5R级、52.5级、52.5R级六个等级。

上述R表示早强型(主要是3d强度较同等级水泥强度高)。

2)物理力学指标。

A.密度。水泥密度包括颗粒密度和堆积密度,其颗粒密度一般在2.8~3.2g/cm3之间,堆积密度根据水泥的密实状态(自然堆结\罐内密实)在1.3~1.8t/m3之间。

B.细度。细度是指水泥颗粒总体的粗细程度,水泥细度是表示水泥被磨细的程度或水泥分散度的指标。通常,水泥是由诸多级配的水泥颗粒组成的。水泥颗粒级配的结构对水泥的水化硬化速度、需水量、和易性、放热速度、特别是对强度有很大的影响。在一般条件下,水泥颗粒在0~10μm时,水化最快,在3~30μm时,水泥的活性最大,大于60μm时,活性较小,水化缓慢,大于90μm时,只能进行表面水化,只起到微集料的作用,大于100μm(0.1mm)活性就很小了。

C.比表面积。水泥比表面积是水泥单位质量的总表面积(m2/kg),表示硅酸盐水泥细度。水泥的比表面积与磨水泥的工艺条件有很大的关系。一般来说,水泥细度越细,比表面积越大,同时水泥的强度越好。所以现在有的厂家利用设备的优势,把水泥的比表面积提高到500m2/kg以上。根据《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)的规定,硅酸盐水泥比表面积应大于300m2/kg。普通水泥的比表面积通常在350~400m2/kg之间。

D.凝结时间。硅酸盐水泥初凝不小于45min,终凝不大于390min;普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥初凝不小于45min,终凝不大于600min。

E.安定性。水泥体积安定性是水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性,是判定水泥质量是否合格的主要指标之一。如果水泥硬化后产生不均匀的体积变化,即为体积安定性不良,安定性不良会使水泥制品或混凝土构件产生膨胀性裂缝,降低建筑物质量。水泥安定性其对工程质量的影响最大,出厂检验必须合格。测定方法为沸煮法。

F.强度。不同品种相同强度等级的通用硅酸盐水泥,其28d强度等级是相对应的,如42.5级强度等级硅酸盐水泥,其对应的28d龄期抗压强度和抗折强度分别为42.5MPa和6.5MPa;而52.5级强度等级硅酸盐水泥,其对应的28d龄期抗压强度和抗折强度分别为52.5MPa和7.0MPa;62.5级强度等级硅酸盐水泥,其对应的28d龄期抗压强度和抗折强度分别为62.5MPa和7.5MPa。

G.有害物质。一般水泥中的有害物质是氧化镁和三氧化硫,按种类不同其要求也不同。

氧化镁:P.Ⅰ、P.Ⅱ、P.O水泥中氧化镁含量不宜超过5%,如经压蒸安定性合格,则水泥中氧化镁含量允许放宽到6%;对于P.S、P.P、P.C水泥,只控制热熟料中的氧化镁含量。

三氧化硫:P.S水泥中的三氧化硫含量不得超过4%;其他五种水泥中的三氧化硫含量均不得超过3.5%。

H.不溶物。不溶物是指经盐酸处理后的残渣,再以氢氧化钠溶液处理,经盐酸中和过滤后所得的残渣经高温灼烧所剩的物质。不溶物含量高对水泥质量有不良影响。P.Ⅰ硅酸盐水泥中不溶物不得超过0.75%;P.Ⅱ硅酸盐水泥中不溶物不得超过1.50%。

I.烧失量。烧失量是指水泥在灼烧过程中所排出的结晶水,碳酸盐分解出的CO2,硫酸盐分解出的SO2,以及有机杂质被排除后物量的损失。烧失量是用来限制石膏和混合材中杂质的,以保证水泥质量。

J.总碱量。水泥中的碱可分为三种:总碱量、可溶性碱和有效碱。总碱量是由酸溶法测定的,是水泥中各种碱的总量。可溶性碱是将水泥放入水中搅拌一定的时间所能溶出的碱量。因此,也称为水溶性碱,有效碱是指当水泥硬化后存在于硬化水泥浆体孔溶液中的碱。

水泥选用

深层搅拌法根据所施工工程目的不同,土体改良对象的差异,不同的工程使用的水泥略有不同。一般来说,可根据当地水泥厂的生产情况选择水泥品种,水泥标号以32.5级为宜。试验表明,水泥达到一定标号后,增加水泥标号,工程效果增强效应并不十分明显,但施工成本增加很多。

(1)根据被加固的土体选择水泥。

1)形成拌和物施工特性的要求。对于不同土质的地基进行加固处理施工时,土体密度、级配、天然含水率孔隙度和水泥土浆稠度等均为控制加固体指标。水泥土的密度是上述指标的综合反映,而水泥土的稠度反映了其施工性能,对深层搅拌的搅拌均匀程度、施工操纵性能都会有很大影响,也最终影响工程质量。

2)加固体的强度的要求。水泥与土体搅拌混合所形成的加固体,其强度是水泥和土体特征的共同体现。水泥细度越细,其比表面积就越大,水化作用反应速度也就越快,水化作用就越充分,其胶结能力也就越强。实际上水泥是多种成分、多种组分的集合体,水泥中的有些矿物组分所特有的性质所决定,即是粒度较大,但当其自身强度大,最终所形成的水泥固结体强度也会比较高,当其自身活性大,水泥水化反应更快,其早期强度可能也就越高。

(2)根据工程环境选用水泥。水泥土的耐盐酸腐蚀性能受水泥品种的影响。从提高水泥土耐盐酸腐蚀性角度出发,粉质黏土和粉土宜优先选用普通硅酸盐水泥,其次选用复合硅酸盐水泥,选用矿渣硅酸盐水泥时耐盐酸腐蚀效果最差;砂土选用复合硅酸盐水泥时效果较好,采用矿渣硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥时耐盐酸腐蚀性略差一些。

(3)根据工程性质选用水泥。

1)深层搅拌桩复合地基工程。深层搅拌桩复合地基工程,即地基加固工程,是在地基中形成竖向增强体,并与土形成复合地基,共同承担上部传来的荷载,以强化地基强度,提高地基承载力为目的。此类工程项目应当考虑强度指标、变形指标、活性指标和耐久性指标等,可以选用32.5级及以上硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥。

2)深基坑挡土支护工程。在深基坑开挖工程中,深层搅拌水泥土进行挡土支护,此类工程对水泥的选择应当考虑水泥的强度指标、水化热指标,可以选用32.5级及以上硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥。以早强水泥为优选,不宜选用水化热较大的和安定性较差的水泥。

3)防渗墙工程。深层搅拌防渗墙(止水帷幕)工程要求水泥有较好的耐久性,较好的充填性,并有一定强度,能够抵抗水头作用下的渗透变形,要求水泥土变形模量适中,与周围堤身、土体能协调变形。通过大量工程实践证明,可以选用32.5级及以上普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥。由于有长期地下水作用,若地下水有侵蚀作用,选用水泥需要考虑防止酸碱盐的侵蚀性。

(4)工程实例。某水库1969年建成,库区集水面积19.0km2,总库容1850.0万m3,水质呈中性,是一座以防洪、治涝、灌溉为主的中型水库。水库长期运行年久失修,坝脚多处出现渗漏,经有关部门鉴定为三类坝,水库属病险水库,需进行除险加固。该水库的除险加固方案中坝体防渗采用水泥土搅拌桩防渗墙方案,防渗墙体无侧限抗压强度不小于0.5MPa,渗透系数小于A×10-6cm/s(1≤A<10)。

水泥验收

水泥可以采用袋装或者散装,袋装水泥每袋净含量50kg,且不得少于标示质量的98%,随机抽取20袋水泥,其总质量不得少于1000kg。

水泥袋上应清楚标明下列内容:产品名称、代号、净含量、强度等级、生产许可证编号、生产者名称和地址、出厂编号、执行标准号、包装日期和主要混合材料名称。掺火山灰质混合材料的普通水泥还应标上“掺火山灰”字样。包装袋两侧应印有水泥名称和强度等级。硅酸盐水泥和普通水泥的印刷采用红色;矿渣水泥的印刷采用绿色;火山灰水泥、粉煤灰水泥和复合水泥采用黑色。

散装水泥运输时应提交与袋装水泥标志相同内容的卡片。

建设工程中使用水泥之前,要对同一生产厂家、同期出厂的同品种、同强度等级的水泥,以一次进场的、同一出厂编号的水泥为一批,按照规定的抽样方法抽取样品,对水泥性能进行检验。袋装水泥以200t为一批,不足200t按一批计算;散装水泥以500t为一批,不足500t的按一批计算。重点检验水泥的凝结时间、安定性和强度等级,合格后方可投入使用。存放期超过3个月的水泥,使用前必须重新进行复验,并按复验结果使用。

水泥保管

水泥在运输和储存时不得受潮和混入杂物,不同品种和强度等级水泥应分别储存,不得混杂。使用时应考虑先存先用,不可储存过久。

储存水泥的库房必须干燥,库房地面应高出室外地面30cm。若地面有良好的防潮层并以水泥砂浆抹面,可直接存放,否则应用木料垫高地面20cm。袋装水泥堆垛不宜过高,一般为10袋,如储存时间短、包装质量好可堆至15袋。袋装水泥垛一般应离开墙壁和窗户30cm以上。水泥垛应设立标示牌,注明生产厂家、水泥品种、强度等级、出厂日期等。应尽量缩短水泥的储存期,通用水泥不宜超过3个月,否则应重新测定强度等级,按实际强度使用。

露天临时储存袋装水泥,应选择地势高、排水条件好的场地,并应进行垫盖处理,以防受潮。

水泥用途

在19世纪初期,人们用人工配合的石灰石和黏土为原料,再经煅烧、磨细成为制造水硬性胶凝材料的方法。1824年,英国人阿斯普丁将石灰石和黏土配合烧制成块,再经磨细制成水硬性胶凝材料,发明了“波特兰水泥”。从此,水泥成为各类工程建设中最主要的水硬性胶凝材料。

水泥属于无机水硬性胶凝材料,不仅可用于干燥环境中的工程,而且也可以用于潮湿环境及水中的工程,在建筑住宅、市政工程、公路交通、水利电力、能源矿山、国防建设、港口工程、航空航天、农业等基础设施的各类工程建设中。

水泥原材料

建筑工程中应用最广泛的硅酸盐系列水泥生产所用原材料,主要包括生产硅酸盐水泥熟料的原材料、石膏和混合材料3类。

(1)硅酸盐系列水泥熟料原材料 硅酸盐系列水泥熟料原材料有石灰石、黏土和铁粉。

①石灰石。石灰质原料采用天然石灰石、凝灰岩和贝壳等,主要提供水泥中的CaO。

②黏土。主要为黏土(或页岩、泥岩、粉砂岩、河泥等),其主要成分为SiO2,其次为Al2O3和少量的Fe2O3。

③铁粉。铁矿粉主要采用赤铁矿,化学成分为Fe2O3,主要弥补黏土中铁质含量的不足。

(2)石膏 在生产硅酸盐系列水泥时,必须掺入适量石膏,以延缓水泥的凝结。在硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥中,石膏主要可起到缓凝作用;而在掺加较多混合材料的水泥中,石膏还起激发混合材料活性的作用。掺入的石膏主要为天然石膏矿、无水硫酸钙等。

(3)混合材料 为了改善水泥的某些性能,调节水泥的强度等级,提高水泥的产量,扩大水泥品种,降低水泥成本,在生产水泥时加入的矿物质材料称为混合材料。混合材料分为活性混合材料和非活性混合材料2类。

①粒化高炉矿渣。凡在高炉冶炼生铁时,所得以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物,经淬冷成粒后,即为粒化高炉矿渣。粒化高炉矿渣是生产水泥掺加的一种混合材料,其化学成分主要为CaO、Al2O3、SiO2,约占总质量的90%以上,另外还含有少量的MgO、Fe2O3和一些硫化物。粒化高炉矿渣在淬冷成粒时,形成不稳定的玻璃体而具有潜在水硬性。但慢冷矿渣不具有水硬性。

②粉煤灰。粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰,是燃煤电厂排出的主要固体废物。我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。在混凝土中掺加适量的粉煤灰,可以节约大量的水泥和细骨料;减少混凝土用水量;改善混凝土拌合物的和易性;增强混凝土的可泵性;减少混凝土的徐变;减少水化热、热能膨胀性;提高混凝土抗渗能力;增加混凝土的修饰性。

③火山灰质混合材料。火山灰质混合材是天然的及人工的以CaO和Al2O3为主要成分的矿物质原料。这种混合材料磨成细粉加水后并不硬化,但与石灰混合后再加水拌和后不但能在空气中硬化,而且能在水中继续硬化。火山灰质混合材可分为天然的和人工的2类。天然火山灰质混合材可分为火山生成的和沉积生成的2种。火山生成的主要有火山灰、火山凝灰岩、浮石等;沉积生成的主要有硅藻土、硅藻石及蛋白石等。

非活性混合材料掺入水泥中,主要起到填充的作用,可以大大提高水泥的产量,降低水化热,调节(降低)水泥强度等级,并对水泥的其他性能影响不大。主要品种有慢冷矿渣、磨细石英砂、石灰石粉等。

水泥化学组成

硅酸盐系列水泥生料中各种成分的含量范围

化学成分 CaO SiO 2 Al2O3 Fe2Os
含量范围/% 62~67 20~24 4.0~7.0 2.5~6.0

水泥生产工艺

硅酸盐系列水泥的生产工艺,可以概括为“两磨一烧”:即将原材料按照规定比例混合后磨细制成生料;将制好的生料经过煅烧成为水泥熟料;将水泥熟料、混合材料、石膏按比例混合后磨细制得成品。

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