硅酸盐水泥

水泥是水泥膏体的主要成分,是硅酸盐水泥混凝土的粘结剂(PCC)。它是一种水力水泥,当与水结合时,就会硬化成固体。它散布在一个聚合矩阵中,形成PCC。作为一种材料,硅酸盐水泥已经使用了超过175年,从经验的角度来看,它的性能是众所周知的。然而,硅酸盐水泥是一种复杂的化学物质,其作用机制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:通过形成水合物,无机材料或通过化学反应,通过化学反应形成和发展强度的无机材料,并能够在水下进行。
  • 硅酸盐水泥:一种主要由液压钙硅酸盐组成的液压水泥。

背景

英国波特兰岛
图1.英国波特兰的岛屿

在韦茅斯附近的波特兰法案的石灰石
图2.韦茅斯附近的波特兰比尔的石灰石

虽然使用水泥(液压和非液压)返回数千年(以古代埃及时间至少),但第一次出现“波特兰水泥”在19岁TH.世纪。1824年,Joseph Aspdin,LEEDS Mason在液压水泥上取出了他在“波特兰”水泥(Mindess和Young,1981的Medicess和Young[1])。他命名为水泥,因为它产生了一种类似于在波特兰小岛上的天然石灰石的颜色,英语通道中的半岛(见图1和2)。从那时起,“波特兰水泥”的名称已卡住,并以所有小写写成,因为它现在被认为是一种物料类型的商品名,而不是对英格兰波特兰的特定参考。

今天,硅酸盐水泥是世界上使用最广泛的建筑材料,每年生产约15.6亿吨(17.2亿吨)。波特兰水泥混凝土的年全球产量约为380万立方米(50亿立方码)/年(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

虽然有几种商业制造的波特兰水泥的变化,但它们各自分享许多相同的基本原料和化学成分。波特兰水泥的主要化学成分是钙,二氧化硅,氧化铝和铁。钙衍生自石灰石,玛尔或粉笔,而二氧化硅,氧化铝和铁来自砂,粘土和铁矿石。其他原材料可包括页岩,壳牌和工业副产物,如轧机规模(Ash Grove Cement Company,2000[4])。

基本的制造过程是将这些材料在窑炉中加热到大约1400到1600摄氏度(2600到3000华氏度)——在这个温度范围内,两种材料发生化学反应形成硅酸盐钙(Mindess and Young, 1981)[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,虽然他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。本节简要介绍了典型硅酸盐水泥的基本化学成分和它是如何水化的。

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 化学式 速记表示法 按重量百分比
三钙硅酸钙 3Cao×SIO.2 C3.S. 50.
双硅酸钠 2Cao×SiO.2 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 Caso.4.×H.2O. CSH2 3.5
典型的氧化物组成一般目的波特兰水泥心态和年轻,1981年)
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)。迅速水合物和硬化,主要负责初始组和早期强度。波特兰水泥百分比的百分比3.S将表现出更高的早期力量。
  • 双硅酸钠(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。
  • 铝酸盐钙(C3.一种)。水合物和硬化最快。几乎立即释放大量的热量,贡献早期强度。石膏加入到波特兰水泥中延迟C.3.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。
  • 四铝铝铁(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显示了热量进化的速度,这给出了水合时间的近似思想,以及典型的波特兰水泥最初设置。

图2.典型波特兰水泥水合过程中的热量进化速率。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

了解波特兰水泥的构成化合物的基本特征,可以通过调节每种化合物的量来改变其性质。在美国,AASHTO M 85和ASTM C 150中,硅酸盐水泥标准规范,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.波特兰水泥的ASTM类型

类型 名称 目的
一世 普通的 通用水泥适用于大多数目的。
IA. 到正常的空气吸入 I型空气录制改性。
II 适度硫酸盐耐药 用作预防硫酸盐中度侵蚀的预防措施。它产生的热量通常比I型水泥少,速率慢。
IIA. 中度硫酸盐耐空 - 空气夹带 II型的空气夹带改性。
III 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. 高早期强度空气夹带 III型的空气夹带改性。
IV. 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. 高硫酸盐抗性 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]),列出测试的更常见的美国Portland水泥物理属性。指定值,在给定,来自ASTM C 150,波特兰水泥的标准规范

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])。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)。具体的。Prentice-Hall,Inc.Neglewood Cliffs,NJ。
  2. 加拿大水泥协会。(2002)。网站。访问了http://www.cement.ca/。加拿大水泥协会。渥太华。从2002年1月15日访问。
  3. 美国混凝土路面协会(ACPA)。Bob体育下载链接APP(2002)。网站。访问了http://www.Bob体育下载链接APPpavement.com.。从2002年1月15日访问。
  4. 灰树丛水泥公司。(2000)。网站。访问了http://www.ashgrove.com/index.html.。灰树丛水泥公司。欧陆格罗夫,ks。从2002年1月15日访问。
  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。Skokie,IL。