硅酸盐水泥

水泥是水泥浆料中的主要成分 - 波特兰水泥混凝土(PCC)的粘合剂。它是一种液压水泥,当与水相结合时,硬质成固体。散布在聚合矩阵中,它形成PCC。作为一种材料,波特兰水泥已超过175年使用,从实证的角度来看,其行为得到了很好的理解。然而,化学上,波特兰水泥是一种复杂的物质,其机制和相互作用尚未得到完全定义。ASTM C 125和波特兰水泥协会(PCA)提供以下精确定义:

  • 液压水泥:水合物一种无机物质或无机物质的混合物,通过与水发生化学反应形成水合物而固化并增强强度,并能在水下进行
  • 硅酸盐水泥:水化硅酸盐水泥主要由水化硅酸盐钙组成的水化水泥

背景

英格兰波特兰岛
图1所示。英格兰波特兰岛

韦茅斯附近波特兰比尔的石灰岩
图2.韦茅斯附近的波特兰比尔的石灰石

尽管水泥的使用(包括水力和非水力)可以追溯到几千年前(至少到古埃及时代),但“波特兰水泥”的第一次出现是在19世纪TH.世纪。1824年,利兹的泥瓦匠约瑟夫·阿斯普丁为一种水力水泥申请了专利,他发明了“波特兰”水泥(Mindess and Young, 1981年)[1]).他将这种水泥命名为“水泥”,因为这种混凝土的颜色与在英吉利海峡的波特兰半岛上开采的天然石灰石相似(见图1和图2)。“波特兰水泥”的名称已经被固定下来,并且全部用小写字母书写,因为它现在被认为是一种材料的商品名称,而不是对英国波特兰的具体引用。

如今,波特兰水泥是世界上最广泛使用的建筑材料,每年生产约15.6亿吨(1.72亿吨)。Portland水泥混凝土的年度全球生产每年悬停约380万立方米(50亿立方码)(加拿大的水泥协会,2002年[2]).在美国,刚性路面是波特兰水泥和波特兰水Bob体育下载链接APP泥混凝土的最大单一使用(ACPA,2002年[3]).

制造业

尽管商业生产的硅酸盐水泥有几种不同的品种,但它们都有许多相同的基本原材料和化学成分。硅酸盐水泥的主要化学成分是钙、硅、氧化铝和铁。钙来自石灰石、泥灰或白垩,而硅、氧化铝和铁则来自砂、粘土和铁矿石。其他原材料可能包括页岩,贝壳和工业副产品,如磨规模(Ash Grove水泥公司,2000年[4]).

基本的制造工艺将这些材料在窑中加热至约1400至1600°C(2600-3000°F) - 两种材料在化学上相互作用以形成钙硅胶(Markess和Young,1981)的温度范围[1]).这种被称为“熟料”的加热物质通常是小灰色黑色颗粒的形式,其直径约为12.5mm(0.5英寸)。然后将熟料冷却并粉碎成细粉,几乎完全通过0.075mm(No.200)筛和用少量石膏来强化。结果是波特兰水泥。波特兰水泥协会(PCA)在他们的网站上有一个很好的互动图。

化学性质

虽然它们很少适用于路面应用,但波特兰水泥的特征在于它们的化学成分。Bob体育下载链接APP然而,它是一种植物的水泥的化学性质,可以确定其物理性质以及它如何治愈。因此,对波特兰水泥化学的基本理解可以帮助人们了解它的表现如何以及为什么。本节简要介绍了典型的波特兰水泥的基本化学成分以及如何水合物。

基本组成

表1和图3显示了波特兰水泥的主要化学复合成分。

表1。典型波特兰水泥的主要成分(Mindess和Young, 1981[1]

化学名称 化学公式 速记表示法 重量百分比
三钙硅酸钙 曹3×SiO2 C3.S. 50.
硅酸二钙 曹2×SiO2 C2S. 25.
三钙铝酸盐 3Cao×Al2O3. C3.一种 12.
四铝铝铁 4CAO×A1.2O.3.×FE.2O.3. C4.AF. 8.
石膏 卡索4.×H.2O. CSH.2 3.5
通用硅酸盐水泥的典型氧化物组成
图3.通用波特兰水泥心态和年轻,1981年的典型氧化物组成。

水合作用

当波特兰水泥与水混合时,其化学化合物成分经历了一系列化学反应,使其使其硬化(或设定)。这些化学反应均涉及向表1中列出的基本化学化合物中加入水。这种与水的化学反应称为“水合”。这些反应中的每一个发生在不同的时间和速率。在一起,这些反应的结果决定了波特兰水泥的硬化和增长力量。

  • 硅酸钙(C3.S).水合物和迅速硬化,并在很大程度上负责初始凝固和早期强度。波特兰水泥C3.S将表现出更高的早期力量。
  • 硅酸二钙(C2S).水合物缓慢和硬化,并且在很大程度上负责强度增加超过一周。
  • 铝酸三钙(C3.一种).水合和硬化最快。释放大量的热量几乎立即,并有助于早期的力量。在硅酸盐水泥中加入石膏以延缓C3.水合。没有石膏,c3.水合将导致波特兰水泥在加水后几乎立即设定。
  • Tetracalcium aluminoferrite (C4.AF).水合物迅速,但为力量贡献很小。它的使用允许波特兰水泥制造中的下窑温度。大多数波特兰水泥色效应是由于c4.AF。

图4显示了热演化速率,给出了水化时间的近似概念,以及典型硅酸盐水泥最初凝固的时间。

图2。典型硅酸盐水泥水化过程中的热演化速率。两种硅酸盐水合作用的结果是硅酸盐钙水合物的形成(通常写成C-S-H,因为它是可变的化学计量学)。C-S-H约占水合膏体(水+水泥)体积的1/2 - 2/3,因此支配着它的行为(Mindess和Young, 1981[1]).

门廊水泥的类型

了解硅酸盐水泥组成化合物的基本特性,可以通过调整各化合物的含量来改变其性能。在美国,AASHTO m85和ASTM C 150,波特兰水泥的标准规范,识别八种基本类型的波特兰水泥混凝土(表2)。这里还没有提到许多其他类型的混合和专有的水泥。

表2。硅酸盐水泥的ASTM类型

类型 名称 目的
一世 普通的 适用于大多数用途的通用水泥。
IA 正常空气夹带 I型引气改造。
2 适度的耐硫酸 用作防止硫酸盐攻击的预防措施。它通常会以比我水泥的速度较慢的速度产生更少的热量。
花絮 中等硫酸盐阻力-空气吸入 II型的空气夹带改性。
3 早期强度 在需要高早期强度时使用。它具有比I水泥的更高的C3s,并且已经越细,以提供更高的表面到体积比,两者都是速度水合。强度收益是我在前24小时内水泥的双倍。
IIIA. 高早期强度-空气导入 III型的空气夹带改性。
4 水合化热 当水合热必须在大容量应用中最小化,例如重力坝。含有大约一半的C3s和C3a,并双重C2s水泥。
V. 高耐硫酸 用作防止严重硫酸盐作用的预防措施 - 主要是其中土壤或地下水具有高硫酸盐含量。它以比我水泥的类型更慢的速度提高了强度。高硫酸盐抗性可归因于低C3A含量。

物理性质

波特兰水泥通常以其物理性质为特征,以进行质量控制目的。它们的物理属性可用于对波特兰水泥进行分类和比较。物理性质表征中的挑战是开发可以令人满意地表征关键参数的物理测试。本节,主要来自PCA(1988年[5]),列出了更常见的美国硅酸盐水泥的物理性能测试。所给出的规格值取自ASTM c150硅酸盐水泥标准规范

请记住,这些属性一般适用于“整洁的”水泥浆料 - 也就是说,它们仅包括波特兰水泥和水。整洁的水泥浆料通常难以处理和测试,因此它们引入了更大的变化。当在“砂浆”(水泥+水+砂)中使用时,水泥也可以不同地执行。随着时间的推移,已发现砂浆测试提供了更好的水泥质量指示,因此,整个水泥浆料的测试通常仅用于研究目的(Mindess和Young,1981[1]).但是,如果在迫击炮测试中没有仔细规定砂,则结果可能无法转移。



脚注(↵返回文本)
  1. Mindess,S.和Young,J.f.(1981)。混凝土.Prentice-Hall,Inc.Neglewood Cliffs,NJ。
  2. 加拿大水泥协会。(2002)。网站。在访问http://www.cement.ca/.加拿大水泥协会。渥太华,开。2002年1月15日通过。
  3. 美国混凝土路面协会(ACPA)。Bob体育下载链接APP(2002)。网站。在访问http://www.Bob体育下载链接APPpavement.com.2002年1月15日通过。
  4. Ash Grove水泥公司。(2000)。网站。在访问http://www.ashgrove.com/index.html.Ash Grove水泥公司。陆路格罗夫,KS。2002年1月15日通过。
  5. 波特兰水泥协会(PCA)。(1988)。混凝土混合物的设计与控制.波特兰水泥协会。科伊尔。