水泥呈粉末状,与水混合后成可塑性浆体,经一系列物理化学作用凝结硬化变成坚硬的石状体,并能将散粒状材料胶结成为整体。水泥浆体不仅能在空气中硬化,还能更好地在水中硬化、保持并继续增长其强度,故水泥属于水硬性胶凝材料。
水泥是最主要的建筑材料之一,广泛应用于工业民用建筑、道路、水利和国防工程。作为胶凝材料与骨料及增强材料制成混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土构件,也可配制砌筑砂浆、装饰、抹面、防水砂浆用于建筑物砌筑、抹面、装饰等。
在地勘行业钻探施工中,平整场地,修建地盘和泥浆循环系统,钻孔护壁灌浆和封孔以及桩基工程和锚杆锚索浇筑混凝土工程等,都广泛应用水泥材料。下面着重介绍水泥的分类、性质及有关使用。
(一)水泥的类型与主要性能
1.水泥的类型划分
水泥品种繁多,按其主要水硬性物质,可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等系列,其中以硅酸盐系列水泥生产量最大,应用广泛。
硅酸盐类水泥是以硅酸钙为主要成分的各种水泥的总称。它以硅酸钙为主要的熟料成分,并掺入少量混合材料和适量石膏,共同磨细制成。按其性能和用途不同,又可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类。
硅酸盐类水泥分类如表1-2所示。
2.硅酸盐类水泥的技术性质与技术要求
(1)硅酸盐水泥的技术性质
1)细度。水泥细度表示水泥颗粒的粗细程度。水泥颗粒越细,水化反应速度越快,水化放热快,凝结硬化速度快,早期强度越高。但水泥颗粒过细,粉磨过程能耗高、成本高,而且过细的水泥硬化过程收缩率大,易引起开裂。国家标准规定:硅酸盐水泥的细度以比表面积法表示,比表面积越大,表示粉末越细。普通硅酸盐水泥及其他几种通用水泥的细度用筛析法表示,筛析法以筛余粗颗粒的百分比表示粗细程度,表明水泥中较粗的惰性颗粒所占的比例。
表1-2 硅酸盐类水泥分类
2)凝结时间。水泥从合水开始到失去流动性,即从可塑状态发展到固体状态所需的时间称水泥的凝结时间。水泥的凝结时间有初凝时间与终凝时间之分。自加水拌合起,至水泥浆开始凝结所需的时间称初凝时间。自加水拌合至水泥浆完全凝结(完全失去塑性)开始产生强度的时间称终凝时间。初凝时间不能过短,是为了保证施工过程能从容地在水泥浆初凝之前完成。因此,初凝不符合标准要求应做废品处理。终凝时间不可过长,因为水泥终凝后才开始产生强度,而水泥制品遮盖浇水养护以及下面工序的进行,需待其具有一定强度后方可进行。凝结时间的测定必须具备两个规定条件:一是在规定的恒温恒湿环境中;二是受测水泥浆必须是标准稠度的水泥浆。各批水泥的矿物成分、粉磨细度不尽相同,拌成标准稠度的水泥浆时用水量也各不相同。标准稠度用水量是指水泥净浆达到规定稠度(标准稠度)时所需的拌合水量,以占水泥质量的百分率表示。水泥标准稠度用水量一般在24%～33%。
3)安定性。水泥安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。当水泥浆体硬化过程发生不均匀变化时,会导致膨胀开裂、翘曲称安定性不良。安定性不合格的水泥应做废品处理,不得用于建筑工程。
4)强度与强度等级。水泥的强度取决于水泥熟料的矿物组成、混合材料的品种、数量以及水泥的细度。由于水泥很少单独使用,所以水泥的强度是以水泥、标准砂、水按规定比例拌合成水泥胶砂拌合物,再按规定方法制成软练水泥胶砂试件,测其不同龄期的强度。国标规定硅酸盐类水泥的强度等级是以水泥软练胶砂试件规定龄期的抗折强度和抗压强度数据评定。又根据3天强度分为普通型和早强型(R)。
5)水化热。水泥与水的水化反应是放热反应,所释放的热称为水化热。水化热的多少和释放速率取决于水泥熟料的矿物组成、混合材料的品种和数量、水泥细度和养护条件等。大部分水化热在水泥水化初期放出。硅酸盐水泥是六种通用水泥中水化热最大、放热速率最快的一种。普通水泥水化热数量和放热速率其次,掺大量混合材料的水泥则水化热较少。水泥的水化热多,有利于冬期施工,可在一定程度上防止冻害。但不利于大体积工程,大量水化热聚集于内部,造成内部与表面有较大温差,内部受热膨胀,表面冷却收缩,使大体积混凝土在温度应力下严重受损。尽管国标没有规定通用水泥的水化热限值,但选用水泥时应充分考虑水化热对工程的影响。
6)水泥的密度和堆积密度。硅酸盐水泥(P·I,P·Ⅱ)密度一般为3.0～3.2g/cm3,普通水泥、复合水泥略低,矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥一般在2.8～3.0g/cm3。水泥的密度主要与熟料的质量、混合材料的掺量有关。水泥的堆积密度除与水泥组成、细度有关外,主要取决于堆积的紧密程度。根据堆积的疏密程度不同,堆积密度约为1000～1600kg/m3,通常采用1300kg/m3
(2)硅酸盐水泥的技术要求
《GB175—1999硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》中对硅酸盐水泥及普通水泥提出了细度、凝结时间、安定性、强度的要求及不溶物、氧化镁、三氧化硫、烧失量和碱含量的限制。
1)细度硅酸盐水泥比表面积大于300m2/kg,普通水泥80μm方孔筛筛余不得超过10.0%。
2)凝结时间硅酸盐水泥初凝不得早于45min,终凝不得迟于6.5h。普通水泥初凝不得早于45min,终凝不得迟于10h。
3)安定性用沸煮法检验必须合格。为了保证水泥长期安定性,还规定了水泥中氧化镁含量不得超过5.0%。如果水泥经压蒸安定性试验合格,则水泥中氧化镁含量允许放宽到6.0%;水泥中三氧化硫含量不得超过3.5%。
4)强度。水泥强度等级按规定龄期的抗压强度和抗折强度来划分,各强度等级水泥的各龄期强度不得低于表1-3数值。
表1-3 硅酸盐水泥、普通水泥各强度等级、各龄期强度最低值
(据《GB175—1999硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》)
3.水泥的主要特性与应用
硅酸盐水泥和普通水泥性能相近,与矿渣、火山灰、粉煤灰水泥和复合硅酸盐水泥等通用水泥相比具有如下特性:
1)强度高。硅酸盐水泥凝结硬化快,强度高,尤其是早期强度增长率大,特别适合早期强度要求高的工程、高强混凝土结构和预应力混凝土工程。
2)水化热高。硅酸盐水泥中C3S和C3A含量高,早期放热量大,放热速度快,早期强度高,用于冬季施工常可避免冻害。但高放热量对大体积混凝土工程不利,如无可靠的降温措施,不宜用于大体积混凝土工程。
3)抗冻性好。硅酸盐水泥拌合物不易发生泌水,硬化后的水泥石密实度较大,所以抗冻性优于其他通用水泥。适用于严寒地区受反复冻融作用的混凝土工程。
4)碱度高、抗碳化能力强。硅酸盐水泥硬化后的水泥石显强碱性,埋于其中的钢筋在碱性环境中表面生成一层灰色钝化膜,可保持几十年不生锈。由于空气中的CO,与水泥石中的Ca(OH)2会发生碳化反应生成CaCO3,使水泥石逐渐由碱性变为中性,当中性化深度达到钢筋附近时,钢筋失去碱性保护而锈蚀,表面疏松膨胀,会造成钢筋混凝土构件报废。因此,钢筋混凝土构件的寿命往往取决于水泥的抗碳化性能。硅酸盐水泥碱性强密实度高,抗碳化能力强,所以特别适用于重要的钢筋混凝土结构和预应力混凝土工程。
5)耐蚀性差。硅酸盐水泥石中有大量的Ca(OH)2和水化铝酸钙,容易引起软水、酸类和盐类的侵蚀。所以不宜用于受流动水、压力水、酸类和硫酸盐侵蚀的工程。
6)耐热性差。硅酸盐水泥石在250℃温度时水化物开始脱水,水泥石强度下降。当受热700℃以上将遭破坏。所以硅酸盐水泥不宜单独用于耐热混凝土工程。
7)湿热养护效果差。硅酸盐水泥在常规养护条件下硬化快、强度高。但经过蒸汽养护后,再经自然养护至28d测得的抗压强度往往低于未经蒸养的28d抗压强度。
普通水泥中掺入不超过15%的混合材料,主要是为了调节强度、增加产量,其特性、应用范围与同强度等级硅酸盐水泥相近。与硅酸盐水泥的差别为早期强度稍低、水化热稍低、抗冻性稍差、碱度较低、耐蚀性和耐热性稍好。
(二)水泥的水化、凝结与硬化
1.水泥的水化
水泥加水拌合成为可塑性水泥浆,水泥颗粒表面的矿物开始在水中溶解并与水发生水化反应的过程,即称水泥的水化。
2.水泥的凝结与硬化
随着水泥水化反应的进行,水泥浆体逐渐变稠失去可塑性,这一过程称为水泥的凝结。随着水泥水化的进一步进行,凝结的水泥浆开始产生强度并逐渐发展成为坚硬的水泥石,这一过程称为水泥的硬化。水泥浆的凝结、硬化是水泥水化的外在反映,它是一个连续的、复杂的物理化学变化过程。
1)水泥的初凝。是指水泥加水拌合,至逐渐变稠失去塑性,但不具有强度的这一过程,称为水泥的初凝。
2)水泥的终凝。是指水泥加水拌合,至完全失去塑性、并开始形成强度的过程,称为水泥的终凝。
(三)影响水泥凝结、硬化的关键因素
1)水泥熟料成分。
2)水泥颗粒细度。
3)水灰比。水泥浆的水灰比是指在水泥砂浆拌合时,加水量与水泥质量之比。
4)水泥配制时的环境温度等。