硅酸盐水泥

水泥是水泥浆的主要成分,是普通水泥混凝土(PCC)的粘结剂。它是一种液压水泥,当与水结合时,硬化成固体。分散在聚合基质中形成PCC。作为一种材料,硅酸盐水泥已经被使用了超过175年,从经验的角度来看,它的行为是很好的理解。然而,化学上,硅酸盐水泥是一种复杂的物质,其机理和相互作用尚未完全确定。ASTM C 125和波特兰水泥协会(PCA)提供了以下精确定义:

  • 液压水泥:一种无机材料或无机材料的混合物,通过与水发生化学反应,形成水合物而固化并增强强度,并能在水下这样做。
  • 硅酸盐水泥:主要由水力硅酸盐钙组成的水力水泥。

背景

英格兰的波特兰岛
图1所示。英格兰的波特兰岛

在韦茅斯附近的波特兰比尔石灰石
图2.韦茅斯附近的波特兰比尔的石灰石

尽管水泥的使用(包括水力水泥和非水力水泥)可以追溯到几千年前(至少可以追溯到古埃及时代),但硅酸盐水泥的首次出现是在19世纪TH.世纪。1824年,利兹的一位泥瓦匠约瑟夫·阿斯普丁(Joseph Aspdin)为一种水力水泥申请了专利,他创造了“波特兰”水泥(Mindess and Young, 1981)[1]).他之所以给这种水泥命名,是因为它产生的混凝土颜色与在英吉利海峡的半岛波特兰岛开采的天然石灰石颜色相似(见图1和图2)。“波特兰水泥”这个名字被保留下来,并且全部用小写书写,因为它现在被认为是一种材料的商业名称,而不是指英格兰的波特兰。

如今,硅酸盐水泥是世界上使用最广泛的建筑材料,每年大约生产15.6亿吨(17.2亿吨)。全球每年硅酸盐水泥混凝土的产量在380万立方米(50亿立方码)左右(加拿大水泥协会,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变体,但它们都有许多相同的基本原料和化学成分。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、氧化铝和铁来自沙子、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,如磨鳞(Ash Grove水泥公司,2000年)[4]).

基本的制造过程是将这些材料在窑中加热到大约1400到1600°C(2600 - 3000°F)——这是两种材料相互作用形成钙硅酸盐的温度范围(Mindess和Young, 1981年)[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

硅酸盐水泥的特点是其化学成分,尽管它们很少用于路面应用。Bob体育下载链接APP然而,硅酸盐水泥的化学性质决定了它的物理性质和固化方式。因此,对硅酸盐水泥化学的基本了解可以帮助人们理解它是如何以及为什么会有这样的行为。本节简要介绍典型硅酸盐水泥的基本化学成分及其水化过程。

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 and Young, 1981)[1]

化学名称 化学公式 速记表示法 按重量百分比
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 曹4×艾尔2O.3.×菲2O.3. C4.AF. 8.
石膏 卡索4.×H.2O. CSH2 3.5
通用硅酸盐水泥的典型氧化物成分Mindess and Young, 1981)
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。

  • 硅酸三钙(C3.S).水合物和硬化速度快,是初始凝固和早期强度的主要原因。硅酸盐水泥中C含量较高3.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).水合物和变硬最快。几乎立即释放大量的热量,并在一定程度上有助于早期的力量。在硅酸盐水泥中加入石膏以延缓C3.水合作用。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.房颤).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.房颤。

图4显示了热演化速率,它给出了水化时间的近似概念和典型硅酸盐水泥初始凝固的时间。

图4.典型波特兰水泥的水合过程中的热量进化速度。两种硅酸盐水合的结果是形成硅酸钙水合物(由于可变化学计量,通常代表C-S-H)。C-S-H占水合浆料(水+水泥)的体积约1/2-2/3,因此主导其行为(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征,就有可能通过调整每种化合物的数量来改变其性能。在美国,AASHTO M 85和ASTM C 150硅酸盐水泥的标准规范,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。ASTM硅酸盐水泥类型

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 到正常的空气吸入 I型的一种引气改进。
2 适度的耐硫酸 用于预防中度硫酸盐侵蚀。它通常比I型水泥产生的热量少,速度慢。
花絮 中等硫酸盐阻力-吸气 II型引气改造。
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. 高早期力量-空气引伸 III型的空气夹带改性。
4 水合化热 用于必须将水化热降到最低的大体积应用,如重力坝。含有约一半的C3S和C3A和两倍的C2S类型水泥。
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物理性能测试。给定的规格值取自ASTM c150,硅酸盐水泥的标准规范

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]).然而,如果在砂浆试验中没有仔细指定砂子,结果可能是不可转移的。



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。修订于2002年1月15日。
  3. 美国混凝土路面协会。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.修订于2002年1月15日。
  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。修订于2002年1月15日。
  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。