1、波特兰水泥,波特兰水泥是一种水硬性水泥，系由烧窑中的水泥烧块(含有水硬性硅酸钙)研磨而成。 1824年，英格兰的一个砌砖工人约瑟夫艾斯伯汀，首先使用“波特兰水泥”这个名词来描述一种取得专利的胶结性产品，这种产品的制造是将黏土、石灰石或白垩的混合物在锅炉中加热，直到温度足够将二氧化碳去除为止。,波特兰水泥,使用“波特兰”这个名词，是因为使用此种水泥所拌制而成的混凝土，其颜色与英国得塞郡波特兰岛上的天然岩石相似。 英国水泥制造家I. C. Johnson应该是波特兰水泥的真正发明者。在1845年的时候，他的工厂即开始生产波特兰水泥，本质上与吾人今日所用的水泥相似。,制造水泥之原料,制造波特兰水泥之
2、原料，其主要的三种成分为： 氧化钙(石灰，CaO ) 二氧化硅( SiO2 ) 氧化铝( Al2O3 ),水泥之原料,氧化钙源自于石灰岩或白垩，而二氧化硅和氧化铝则由黏土、页岩和铁铝氧石获得。 大部分的原料包含少量的氧化铁、氧化镁、三氧化硫、碱金属和二氧化碳，其中氧化钙和二氧化硅占原料成分的百分比分别约为60 %和20 %，氧化铁和氧化铝约占10 %。 铁矿也作为助熔剂使用，可降低水泥烧块的温度。,水泥之制造,水泥系将石灰质原料( CaCO3)及黏土质原料( SiO2+Al2O3+Fe2O3)按化学成分及欲制成水泥品种决定配料比例，经研磨、烧结再加石膏研磨致所须细度而成。 制造水泥典型原料比例
3、 CaO=63.0%，SiO2=22.0%，Al2O3= 6.0% MgO= 2.6%，Fe2O3= 2.5%，SO3=2.0% K2O= 0.6%，Na2O= 0.3%，CO2，H2O,C-A-S三相平衡图,Al2O3+ Fe2O3,SiO2,CaO+ MgO,水泥制造流程,水泥制造流程,水泥研磨混合工法,湿式法(Wet Process) 水泥原料研磨时加水混合成灰泥浆较常用；易于输送进入旋转窑锻烧需耗用较高能量使灰浆中水分汽化。 干式法(Dry Process) 将压碎之原料以球磨机研磨成可通过200号筛的粉末状。 将磨细之原料粉末直接输入窑内锻烧。,干式法烧结制程,在干制过程中，将混合物
4、倒入转窑中，并在干燥状态加热，此可节省燃料的消耗和用水，不过此制程之灰尘较多。虽然湿制法通常较干制法有效率，但需要较多的燃料故较不经济。,水泥之化学组成,硅酸三钙(Tri-calcium Silicate) 3CaO.SiO2简写C3S；重量比=50% 硅酸二钙(Di-calcium Silicate) 2CaO.SiO2简写C2S；重量比=25% 铝酸三钙(Tri-calcium Aluminate) 3CaO.Al2O3简写C3A；重量比=12% 铝铁酸四钙(Tetra-calcium Aluminoferrite) 4CaO.Al2O3.Fe2O3简写C4AF；重量比=8% 硫酸钙(Ca
5、lcium Sulfate Dihydrate;Gypsum) CaSO4.2H2O简写CSH2；重量比=3.5%,水泥的成分(ASTM),水泥组成物计算,博格计算(Bogue Calculation ASTM C150),Case A:,Case B:,A:Al2O3 F:Fe2O3,水泥组成物性质,水泥水化组成物特性,C4AF水化速率并无定量数据；但较不含石膏(CSH2)时为快,组成物对水泥强度影响,C3S含量愈多，则早期强度愈高 后期(约180日)则C2S多强度高 C3A水化作用快 第一天强度为C3A之表现,组成物对水泥强度影响,不纯物对水泥的影响,游离石灰(CaO) 成因：原料成分配合
6、不当或锻烧不完全降低水泥之强度、耐久性及水密性。 游离石灰含量愈少愈好；CaO0.5%。 石膏(CaSO4.2H2O)钙钒石(C6AS3H32) 水泥熟料添加2 4%石膏研磨，可延缓氧化铝水化作用，以延长凝结时间。 石膏太少凝结时间缩短；太多因无水硫酸SO3作用造成体积膨胀(Bulk expansion)而干缩增大、强度降低。,不纯物对水泥的影响,碱性氧化物(K2O&Na2O) 提高水泥早期强度；降低长期强度。 易造成碱骨材反应(Alkali-reaction Aggregate) K2O&Na2O与带有SiO2、Al2O3之活性骨材作用产生一吸水不放水之半透明膜状类似水玻璃物质；因其吸水不排
7、，造成过度膨胀而使骨材失去完整性致混凝土破裂。 K2O+Na2O 0.6% 氧化镁(MgO) 含量太高则水泥健性不佳；MgO 6%。,水泥的分类,第一类(Type I )：普通水泥 用于一般无特殊性质要求的营建工程。 第二类(Type II )：改良水泥 放热速率慢；适宜大体积灌浆。 可抵抗中度硫酸盐之侵害。 第三类(Type III)：早强水泥 早期强度高；适用于快速拆模及寒中混凝土。 第四类(Type IV)：低热水泥 水化热低、放热缓慢；适宜特大巨积混凝土。 第五类(Type V )：抗硫水泥 避免CaO与硫酸盐反应成硫铝酸钙而体积膨胀。,水泥细度,水泥的细度系指水泥颗粒的大小，对水泥水
8、化过程的行为影响甚大。 细度可由通过200号筛( 75 m )的百分比而定，例如，普通波特兰水泥约有80 %通过此号筛。,水泥细度试验,水泥的比表面积,另一种量测水泥细度的方法为测量水泥的比表面积，或单位重量的总表面积，单位为m2/kg，如ASTM C115 Wagner浊度计法或ASTM C204布兰氏气透仪法。 在气透仪法的试验中，量测一定空气通过一定气孔率水泥层的流动时间，即可依公式换算求得水泥的比表面积。,水泥细度对其性质的影响,细度主要影响水泥的水化反应，水化作用速度随着细度的增加而增加，也因而增加强度发展速率与水化热。例如，水泥的细度由200 m2/kg增加到300 m2/kg，可
9、使水泥砂浆7天的强度由25.5 MPa增加到29.7 MPa，强度大约增长了16 %。 但90天之后，由细度所造成的强度成长是可忽略的。 细度可减少水泥的泌水量，但却需要更多的水量来维持相同的工作性。,水泥细度,虽然较细的水泥拥有较高的早期强度及较好的工作性(在低水泥量的配比中)，但却会产生额外的裂缝，造成较低的抗冻融性。 第III型水泥是所有水泥中最细的。一般而言，水泥制造厂生产出的各种水泥都会比ASTM建议的细度( 280 m2/kg )来得细。 近年来，水泥的细度已经愈来愈细，1935年对水泥细度的最低要求为150 m2/kg，而今天所生产的第I型水泥，其细度约为330420 m2/kg
10、之间。,水泥强度,水泥的强度这个名词可能有些误导，因为它是由量测水泥砂浆的抗压强度而得，并非指水泥的强度而言。,水泥强度试验,通常是以1份水泥、2.75份标准砂及0.485份水混合 (输气水泥则为0.46份的水)之重量比例，制作50 mm立方的水泥砂浆试体，并于3、7、28天时进行抗压强度试验。 如此所得之抗压强度并不代表水泥或水泥砂浆的基本性质，因其强度可能随砂浆的配比或试体的大小而异。,水泥强度之标准,在ASTM C109中提到，砂浆的抗压强可提供一个强度的相对比较值。换言之，若在水泥用量不变的条件下，使用高强度水泥可增进混凝土的整体强度。 ASTM规定： 第I型水泥3天的强度需大于12.
11、4 MPa，7天的强度需大于19.3 MPa。 第II型水泥3天的强度需大于10.3 MPa，7天的强度需大于17.2 MPa。 第III型水泥3天的强度需大于24.1 MPa。,水泥强度的成长,水泥强度的成长,水泥的正常稠度,正常稠度可用来建立水泥的凝结特性，系利用费开氏仪以300磅的压力将10 mm直径的针来进行试验。 如果测针能在30秒内，由水泥浆表面贯入101 mm，则称此水泥浆拥有正常稠度；则此时的水量以水泥干重的百分比表示，即正常稠度的水灰比。,费开氏仪,如何选用水泥,混凝土性质：工作性、强度、耐久性 水泥性质：物理性质、化学性质 技术能力、人力 设备特殊要求 结构物紧迫性 施工速度 施工环境 成本经济性,
