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第三章第三章无机胶凝材料无机胶凝材料石膏石灰水玻璃硅酸盐水泥掺混合材的硅酸盐水泥其它品种水泥胶凝材料定义：是指在一定的条件下，经过一系列的物理化学作用后，能将散粒状（如砂、石子）或块状（砖、砌块）材料粘结成为具有一定强度的整体的材料。分类：气硬性石膏、石灰 无机胶凝材料 菱苦土、水玻璃 水硬性各种水泥 有机胶凝材料沥青、树脂、橡胶气硬性胶凝材料与水硬性胶凝材料的区别一是硬化条件硬化条件不同。气硬性胶凝材料只能在空气中凝结硬化，在水中不能硬化；而水硬性胶凝材料既能在空气中凝结硬化，而且能更好地在水中硬化和发展其强度二是适用环境适用环境不同。气硬性胶凝材料适宜用于干燥环境，不能用于潮湿环境，更不能用于水中；而水硬性胶凝材料不仅能用于空气中，而且能更好的用于水中。Construction Materials 第一节第一节 石石 灰灰(Lime)一、石灰的制备原 料：石 灰 石，主 要 成 分 是 CaCO3，有 少 量 MgCO3。原材料中粘土杂质含量小于8%反应式：生石灰 过火石灰 欠火石灰按氧化镁的多少，建筑石灰分钙质和镁 质石灰两类。5%,钙质石灰 MgO 5%,镁质石灰同等级的钙质石灰质量优于镁质石灰同等级的钙质石灰质量优于镁质石灰一、石灰的制备一、石灰的制备二、生石灰的消化（二、生石灰的消化（Slaking）反应式：依加水的多少，消化后的状态有：消石灰粉 石灰膏 石灰浆 生石灰粉直接粉磨 定义：工地上使用石灰时，通常将石灰加水，使之消解为膏状或粉末状的消石灰，这个过程称为石灰的“消化”，又称“熟化”。块状生石灰二、生石灰的熟化二、生石灰的熟化石灰的陈伏定义：石灰膏在储灰池中隔离空气下保存“两周”以上的工艺过程。目的：消除过火石灰的危害 要求：表面应保有一层水分，使其与空气隔绝过火石灰：过烧、表面形成一层釉质，熟化极慢，当这种未充分熟化的石灰抹灰后，会吸收空气中的水分继续熟化，体积膨胀，最终造成墙面的隆起、开裂。但若将生石灰磨细后使用，则不需要“陈伏”。制备工艺与产品石灰石10001200C磨细生石灰粉生石灰水喷淋熟石灰粉(水)化灰池石灰浆浓缩石灰膏陈伏煅烧温度较低，时间较短时，欠火石灰煅烧温度较高，时间较长时，过火石灰减轻或消除过火石灰的危害石灰浆体 氢氧化钙晶体 碳酸钙晶体石灰凝胶体石灰碳化体水孔隙水分损失碳化三、石灰的硬化结晶作用结晶作用生石灰或熟石灰水成为生石灰或熟石灰水成为Ca(OH)2浆体；浆体；浆体中游离水的不断损失，导致浆体中游离水的不断损失，导致Ca(OH)2结晶；结晶；晶粒长大、交错堆聚成晶粒结构网晶粒长大、交错堆聚成晶粒结构网硬化。硬化。碳化作用碳化作用Ca(OH)2与空气中的与空气中的CO2气体反应，在表面形成气体反应，在表面形成CaCO3膜层。膜层。提高耐久性。提高耐久性。石灰凝结硬化过程的特点1.速度慢,通常需要几周的时间 加快硬化速度的简易方法有加强通风和提高空气中CO2的浓度2.体积收缩大收缩大。容易产生收缩裂缝。四、石灰的性质与技术要求四、石灰的性质与技术要求1、良好的保水性与可塑性2、凝结硬化慢、强度低主要为失水硬化 3、耐水性差不宜用于潮湿、水侵环境 4、收缩大、抗折强度低加砂、丝麻5、吸湿性强1、石灰的性质、石灰的性质建筑生石灰的技术指标项目钙质生石灰镁质生石灰优等品一等品合格品优等品一等品合格品CaO+MgO含量（%，不小于）908580858075未消化残渣含量（5mm圆孔筛余，%，不大于）5101551015二氧化碳（%，不大于）5796810产浆量（L/kg，不小于）2.82.82.02.82.32.02、建筑石灰的技术要求、建筑石灰的技术要求Construction Materials 建筑生石灰粉的技术指标建筑生石灰粉的技术指标(JC/T480-92)(JC/T480-92)项 目钙质生石灰粉镁质生石灰粉优等品 一等品 合格品 优等品 一等品 合格品CaO+MgO%858075807570CO2%791181012细度%（0.9mm）0.20.51.50.20.51.5细度%（0.125mm）7.012.018.07.012.018.03、建筑消石灰粉的技术指标、建筑消石灰粉的技术指标建筑消石灰粉的技术指标建筑消石灰粉的技术指标项目项目钙质消石灰钙质消石灰镁质消石灰镁质消石灰白云石消石灰白云石消石灰优等优等品品一等一等品品合格合格品品优等优等品品一等一等品品合格合格品品优等优等品品一等一等品品合格合格品品CaO+MgO含量含量（%，不小于），不小于）706560656055656055游离水（游离水（%）0.420.420.420.420.420.420.420.420.42体积安定性体积安定性合格合格合格合格-合格合格合格合格-合格合格合格合格细度细度0.90mm筛筛余筛筛余（%，不大于），不大于）000.5000.5000.50.125mm筛筛余筛筛余（%，不大于），不大于）310153101531015钙质（MgO4%）、镁质（4%MgO24%）和白云石消石灰粉（24%MgO30%）五、石灰的应用配制石灰砂浆和石灰乳；配制石灰砂浆和石灰乳；配制三合土和灰土配制三合土和灰土(石灰占灰土总重的石灰占灰土总重的10-10-30%30%，即一九、二八及三七灰土，即一九、二八及三七灰土)；制作碳化石灰板；制作碳化石灰板；生产无熟料水泥和硅酸盐制品。生产无熟料水泥和硅酸盐制品。某工地急需配制石灰砂浆。当时有消石灰粉、生石灰粉及生石灰材料可供选用。因生石灰价格相对较便宜，便选用，并马上加水配制石灰膏，再配制石灰砂浆。使用数日后，石灰砂浆出现众多凸出的膨胀性裂缝，请分析原因。这是由于石灰浆的陈伏时间不足，制使其中部分过火石灰在石浆砂浆制作时尚未水化，导致在硬化的石灰砂浆中继续水化成Ca(OH)2，产生体积膨胀，从而形成膨胀性裂纹。六、石灰的储存生石灰储存时间不宜过长，一般不超过一个生石灰储存时间不宜过长，一般不超过一个月。做到月。做到“随到随化随到随化”。(以防止碳化以防止碳化)不得与易燃、易爆等危险液体物品混合存放不得与易燃、易爆等危险液体物品混合存放和混合运输，和混合运输，(受潮熟化放出大量热量受潮熟化放出大量热量)。熟石灰在使用前必须陈伏熟石灰在使用前必须陈伏14d14d以上，以防止过以上，以防止过火石灰对建筑物产生的危害。火石灰对建筑物产生的危害。第二节第二节石石膏膏(Gypsum)是一种以硫酸钙（CaSO4）为主要成分的古老的气硬胶凝材料；特点：1、具有质轻、强度较高、绝热、防火、质地细腻 美观，是优良的装饰材料；2、易于加工、成品多样，能做成各类石膏线；3、资源丰富、分布广、储量大；4、理想的高效节能材料，是重点发展的新型材料一、石膏的制备一、石膏的制备原材料：天然二水石膏；CaSO4.2H2O（生石膏）天然无水石膏；CaSO4，仅用于生产无水 石膏水泥 化工石膏：磷石膏、氟石膏（化工副产品）工艺：原材料不同温度、压力煅烧磨细成品 二水石膏晶体形貌半水石膏晶体形貌天然石膏矿纤维状晶体石膏制备工艺示意图 各类石膏的特点各类石膏的特点建筑石膏CaSO41/2H2O：又称熟石膏，晶体较细，需水量较大（80100），因而强度较低。主要用于石膏建筑制品 高强石膏CaSO41/2H2O：晶粒粗大，需水量小（3545），强度高。高级室内抹灰、石膏线、石膏板等 可溶性石膏：需水量大，凝结很快，强度低，不宜直接使用。各类石膏的特点各类石膏的特点不溶性硬石膏：难溶于水，生产无水石膏水泥。高温煅烧石膏：硬化后有较高的强度和耐磨性，抗水性也较好。凝结硬化过程：流体塑性体固体。水化反应式：C=8.16g/L（半水石膏的溶解度）C=2.05g/L（二水石膏的溶解度）二、建筑石膏的凝结硬化二、建筑石膏的凝结硬化二、建筑石膏的凝结硬化凝结硬化过程中的水化反应：凝结硬化过程中的水化反应：CaSO40.5H2O1.5H2OCaSO42H2OQ即：石膏的水化反应是由二水石膏制备半水石膏的逆反应即：石膏的水化反应是由二水石膏制备半水石膏的逆反应凝结硬化机理凝结硬化机理“溶解沉淀理论溶解沉淀理论”l溶解溶解l沉淀沉淀l硬化硬化 半水石膏的溶解度(8.16g/L)大于二水石膏(2.05g/L)，因此，前者在水中不断溶解，生成Ca2+、SO42-离子的饱和溶液半水石膏的饱和溶液，对于二水石膏是过饱和溶液，后者不断结晶沉淀。二水石膏晶体不断生长、连生、交错，构成晶体颗粒堆聚的结晶结构网凝结硬化的物理化学过程 石膏浆体 半水石膏颗粒 二水石膏晶体石膏胶体石膏硬化体水孔隙水化初期：二水石膏晶体较少随着水化反应进行二水石膏晶体量石膏硬化体中晶体堆积体凝结硬化过程特点：1、速度快。水化过程一般为712min，整个凝结硬化过程只需2030min。2、体积微膨胀。建筑石膏凝结硬化过程产生约1%左右的体积膨胀，这是其它胶凝材料所不具有的特性，是一种较好的室内饰面材料。三、建筑石膏的等级与技术性质三、建筑石膏的等级与技术性质（GB9776-88)按强度、细度、凝结时间分：Construction Materials 技 术 指 标优等品 一等品 合格品强 度(MPa)抗折强度2.52.11.8抗压强度4.93.92.9细 度筛余（）5.010.015.0凝结时间（min）初凝时间6终凝时间30建筑石膏易吸潮，长期限储存强度会有所降低。因此，一般储存时间不得超过三个月。建筑石膏的标记顺序为：产品名称，抗折强度值，标准号。例：抗折强度为2.5MPa，标记为:建筑石膏2.5GB9776-88。三、建筑石膏的等级与技术性质三、建筑石膏的等级与技术性质石膏颗粒表面分子首先水化颗粒表面二水石膏晶体不断增多半水石膏全部水化成二水石膏 所以，石膏胶凝材料运输、储存中，必须防潮、防水，以免失效！三、建筑石膏的等级与技术性质三、建筑石膏的等级与技术性质1、表观密度小、抗折强度低加筋、覆面；2、凝结硬化快630min；加缓凝剂 3、孔隙率大、导热率小、质轻、吸声性好；4、体积微膨胀制品密实、表面光滑细腻；5、防火性好高温结晶水脱出；6、吸湿性强、耐水性和抗冻性差防水剂、铝 箔覆面改性。7、加工性能好：可锯、可刨、可钉、可打眼1.为什么石膏制品的耐水性差Why？答：答：石膏晶体是亲水性很强的离子晶体，而且晶体内有明石膏晶体是亲水性很强的离子晶体，而且晶体内有明显的解理面，层间和晶体颗粒间是较弱的氢键结合，因此，显的解理面，层间和晶体颗粒间是较弱的氢键结合，因此，水分子进入，降低了晶体层间和颗粒间的相互作用力，导水分子进入，降低了晶体层间和颗粒间的相互作用力，导致强度下降；其软化系数只有致强度下降；其软化系数只有0.300.45；另一方面，二水石膏在水中的溶解度较大，石膏制品另一方面，二水石膏在水中的溶解度较大，石膏制品长期在水中的强度将更低长期在水中的强度将更低。学会分析、思考和回答问题！2、如何改善石膏制品的耐水性 How?答：答：降低孔隙率，改善孔隙结构，对毛细缝隙进行憎水处降低孔隙率，改善孔隙结构，对毛细缝隙进行憎水处理，以减小吸水率；理，以减小吸水率；掺加其它矿物或有机物，以降低晶体水化物的溶解度，掺加其它矿物或有机物，以降低晶体水化物的溶解度，阻止水分子对晶体颗粒间的削弱作用。阻止水分子对晶体颗粒间的削弱作用。二水石膏晶体解理面3、为什么石膏制品的防火性好Why?答：答：石膏制品的孔隙率大，隔热性较好；二水石膏晶体含有石膏制品的孔隙率大，隔热性较好；二水石膏晶体含有两个结晶水分子，在受热后，二水石膏晶体脱去水分子，两个结晶水分子，在受热后，二水石膏晶体脱去水分子，并蒸发吸收和带走热量；硫酸钙分子的分解温度很高，因并蒸发吸收和带走热量；硫酸钙分子的分解温度很高，因此，在高温下，主要发生脱水和烧结。此，在高温下，主要发生脱水和烧结。学会分析、思考和回答问题！4、进一步思考的问题:警察在勘察犯罪野外现场时，用石膏翻版罪犯足印，其原警察在勘察犯罪野外现场时，用石膏翻版罪犯足印，其原理是什么？理是什么？试验证明石膏板有调节室内湿度的功能，为什么？试验证明石膏板有调节室内湿度的功能，为什么？如何在土木工程建设中正确地使用或选用石膏，为什么？如何在土木工程建设中正确地使用或选用石膏，为什么？调湿作用红线条表示室内湿度变化蓝线条表示室外湿度变化四、建筑石膏的应用建筑石膏是一种很好的绿色建材！应用中扬长避短，正确应用！建筑上的主要应用有：建筑石膏制品：各种板材：墙板、天花板等艺术装饰品粉刷石膏：墙面粉刷雕饰各种墙板德国一所教堂的外墙面雕饰室内墙面和天花板的雕饰建筑石膏与石灰的凝结硬化对比 请观察与对比经过半小时后的建筑石膏与石灰的凝结录像，并分析两者凝结硬化的差别 石膏凝结 石灰凝结 建筑石膏凝结过程很快，终凝时间不超过30 min；而石灰凝结慢。此外，石灰硬化后体积收缩，而石膏则略有膨胀，膨胀率为0.050.15，此性质使石膏制品干燥时不开裂，光滑饱满。石膏硬化后多孔，故强度较低。石灰水化形成Ca(OH)2，强度也不高，碳化后强度才能提高，但这是一个缓慢的过程。建筑石膏及石灰均为耐水性差的气硬性胶凝材料，且石膏吸湿、吸水性大。工程实例分析 某住户喜爱石膏制品，全宅均用普通石膏浮雕板作装饰。使用一段时间后，客厅、卧室效果相当好，但厨房、厕所、浴室的石膏制品出现发霉变形。请分析原因。厨房、厕所、浴室等处一般较潮湿，普通石膏制品具有强的吸湿性和吸水性，在潮湿的环境中，晶体间的粘结力削弱，强度下降、变形，且还会发霉。建筑石膏一般不宜在潮湿和温度过高的环境中使用。欲提高其耐水性，可于建筑石膏中掺入一定量的水泥或其它含活性SiO2、Al2O3及CaO的材料。如粉煤灰、石灰。掺入有机防水剂亦可改善石膏制品的耐水性。第三节第三节其他气硬性胶凝材料其他气硬性胶凝材料俗称泡花碱品种:硅酸钠水玻璃（Na2O.nSiO2）硅酸钾水玻璃（K2O.nSiO2）硅酸锂水玻璃（Li2O.nSiO2）通式：R2O.nSiO2 n-水玻璃模数（即二氧化硅与碱金属氧化物这间的摩尔比），一般在1.53.5之间。n值越大，越难溶于水中一、水玻璃一、水玻璃（一）水玻璃的生产（一）水玻璃的生产湿法：将石英砂和苛性钠溶液在压蒸锅(23大气压)内用蒸汽加热，并搅拌，使直接反应而成液体水玻璃。干法：将石英砂和碳酸钙磨细拌匀，在熔炉内于13001400温度下熔化，按下式反应生成固体水玻璃，然后在水中加热溶解而成液体水玻璃：Construction Materials 碳化硬化：水玻璃吸收空气中的二氧化碳，形成无定形的硅酸硅胶，并逐渐干燥而硬化。由于空气中的 CO2含量低，水玻璃的硬化过和缓慢。为了加速硬化，常加入氟硅酸钠（Na2SiF6）。掺量为水玻璃的12%15%。（二）水玻璃的硬化（二）水玻璃的硬化（三）水玻璃的特性1、良好的粘结能力；2、较强的耐酸性能：由于硬化后的水玻璃 主要成分为SiO2,在强氧化性酸中具有 较高的化学稳定性，能抵抗大多数无 机酸和有机酸的作用；3、具有良好的耐热性能；4、不耐水、不耐碱。（四）水玻璃的应用（四）水玻璃的应用涂刷或浸渍材料外墙的抗风化剂。加固基础化学加固法（水玻璃氯化钙）亦称硅化加固法。配防水砂浆水玻璃中加入2至5种矾，制成防水剂，用于填缝，局部抢修。配耐酸砂浆耐酸工程。配耐热砂浆高炉基础。修补砖墙裂缝 注意：不能长期浸水、不耐碱。问 题？为什么水玻璃模数n越大，粘结力越强，耐水性越好？答：答：n是是SiO2/R2O的摩尔比，的摩尔比，n越大，表明越大，表明SiO2含量越大，硬化后的玻璃体中含量越大，硬化后的玻璃体中SiO2的的交联密度越大，所以，粘结力越强，耐水交联密度越大，所以，粘结力越强，耐水性越好。性越好。第四节 硅酸盐水泥水泥的分类按性能和用途分按性能和用途分水泥通用水泥专用水泥特性水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥复合硅酸盐水泥石灰石硅酸盐水泥如砌筑水泥、油井水泥、道路水泥、大坝水泥等如白色硅酸盐水泥、快凝快硬硅酸盐水泥等46 Construction Materials 加拿大加拿大Montreal体育体育馆 47 输水水管管内径 6.6m 外径7.5m48 美国加州引水渠3.4.1 水泥(cement)的生产与基本组成硅酸盐水泥定义：由硅酸盐水泥熟料、05石灰石或粒化高炉矿渣，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。称为硅酸盐水泥（波特兰水泥）。分类：不掺加混合材料，称为型硅酸盐水泥，代号 PI加入不超过水泥质量5的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料，称为型硅酸盐水泥，代号 P一、硅酸盐水泥是怎样制造的？原原料：料：硅质：粘土，硅质：粘土，(SiO2、Al2O3)，占占1/3钙质：石灰石、白垩等，钙质：石灰石、白垩等，(CaO)，占，占2/3调节原料：铁矿与砂，调节与补充调节原料：铁矿与砂，调节与补充Fe2O3与与SiO2制造工艺：制造工艺：原料经原料经粉磨粉磨混合后得到混合后得到水泥生料水泥生料生料经窑内生料经窑内煅烧煅烧得到得到水泥熟料水泥熟料水泥熟料石膏水泥熟料石膏(或再混合材）一起经或再混合材）一起经粉磨粉磨混混合后得到合后得到水泥水泥“两磨一烧”水泥生料可以是：u 与水混合成浆体湿法工艺u 加少量水制成料球半干法工艺u 加稍多水制成湿球半湿法工艺u 干粉混合物干法工艺硅质(粘土)钙 质(石灰石)1450调节原料石膏石膏石膏石膏水水泥泥生生料料熟熟料料混合材混合材水泥制造的“两磨一烧”工艺流程粉粉磨磨煅煅烧烧粉粉磨磨预热器回转窑硅酸盐水泥熟料制造工艺流程回转窑尾14501500C二、硅酸盐水泥的熟料成分二、硅酸盐水泥的熟料成分硅酸盐水泥熟料：以适当比例的石灰质原料、粘土质原料和少量校正原料共同磨制成生料，将生料送入水泥窑中进行高温煅烧至部分熔融，所得的以硅酸钙（CaSiO3）为主要成分的产物。矿物名称 英文名称 缩写分子式矿 物 式硅酸三钙AliteC3SCa3SiO53CaOSiO2硅酸二钙BeliteC2SCa2SiO42CaOSiO2铝酸三钙AluminateC3ACa3Al2O63CaOAl2O3铁铝酸四钙FerriteC4AFCa2(Al,Fe)2O54CaOAl2O3Fe2O3含 量(mass%)376015377151018化学组成：化学组成：主要成分：主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)，Al2O3(=A)，Fe2O3(=F)少量杂质：少量杂质：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。等。矿物组成：矿物组成：硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：硅酸盐水泥熟料的组成水泥颗粒宏观形貌水泥颗粒的结构水泥熟料颗粒细观形貌水泥熟料矿物微观结构二、硅酸盐水泥的熟料成分二、硅酸盐水泥的熟料成分石膏是硅酸盐系水泥中必不可少的组成材料，主要作用是调节水泥的凝结时间，常采用天然的或合成的二水石膏CaSO42H2O。除四种主要成分外，水泥中尚含有少量游离CaO、MgO、SO3及碱（K2O、Na2O）这些均为有害成分，国家标准中有严格限制。三、水泥的水化、凝结、硬化水泥的水化、凝结、硬化水化：物质由无水状态变为有水状态，由低含水变为高含水，统称为水化。凝结：水泥加水拌和初期形成具有可塑性的浆体，然后逐渐变稠并失去可塑性的过程称为凝结。三、水泥的水化、凝结、硬化水泥的水化、凝结、硬化硬化：失去可塑性以后，浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的石状固体（水泥石），这一过程称为硬化。水泥水（流体）可塑性浆体（塑性体）固体三、水泥的水化、凝结、硬化水泥的水化、凝结、硬化水泥水化反应2(3CaOSiO2)+6H2O3CaO2SiO2 3H2O +3Ca(OH)2 （水化硅酸钙）水化速度较快，早期强度高，水化热较高水化速度较快，早期强度高，水化热较高(2CaOSiO2)+4H2O3CaO2SiO23H2O+Ca(OH)2（水化硅酸钙）水化速度较慢，早期强度低，水化热较小水化速度较慢，早期强度低，水化热较小三、水泥的水化、凝结、硬化水泥的水化、凝结、硬化水泥水化反应 3CaOAl2O3+6H2O3CaOAl2O36H2O（水化铝酸三钙）水化速度很快，早期强度高，放热量大水化速度很快，早期强度高，放热量大4CaOAl2O3Fe2O3+7H2O 3CaOAl2O36H2O+CaOFe2O3H2O（水化铝酸三钙）（水化铁酸钙）水化反应快，水化放热中等，强度较低水化反应快，水化放热中等，强度较低三、水泥的水化、凝结、硬化水泥的水化、凝结、硬化水泥水化产物 晶体氢氧化钙 2025 水化铝酸钙 水化硫铝酸钙（石膏作用下生成）(钙矾石石)胶体水化硅酸钙（C-S-H）70 水化铁酸钙 C-S-H尺度为1.0100nm,1nm=10-7mm63 Construction Materials 水泥水泥浆扫描描电镜照片（照片（7d龄期期）C-S-H钙矾石石64 Construction Materials C-S-H 水化硅酸水化硅酸钙凝胶凝胶CH Crystal 氢氧化氧化钙晶体晶体 电镜下的水泥水化产物图电镜下的水泥水化产物图水泥浆中氢氧化钙的生长3 天7 天28 天365 天66 Construction Materials 水泥的水化示意水泥的水化示意图167 Construction Materials 水泥的水化示意水泥的水化示意图2水泥的水化示意水泥的水化示意图268 Construction Materials 水泥的水化示意水泥的水化示意图3水泥的水化示意水泥的水化示意图369 Construction Materials 水泥的水化示意水泥的水化示意图4水泥的水化示意水泥的水化示意图470 Construction Materials 水泥的水化示意水泥的水化示意图5水泥的水化示意水泥的水化示意图571 Construction Materials 水泥的水化示意水泥的水化示意图5水泥的水化示意水泥的水化示意图672 Construction Materials 水泥的水化示意水泥的水化示意图6水泥的水化示意水泥的水化示意图773 Construction Materials 水泥的水化示意水泥的水化示意图7水泥的水化示意水泥的水化示意图874 Construction Materials 水泥的水化示意水泥的水化示意图8水泥的水化示意水泥的水化示意图9硅酸盐水泥熟料矿物的基本特性名称水化反应速率水化放热量强度耐化学侵蚀性干缩硅酸三钙快大较高中中硅酸二钙慢小早期低后期高良中铝酸三钙最快最大低差大铁铝酸四钙快中低优胜小抗压强度与水化放热的比较工程实例分析某大体积的混凝土工程，浇注两周后拆模，发现挡墙有多道贯穿型的纵向裂缝。该工程使用某立窑水泥厂生产42.5型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下：C3S 61C2S14C3A14C4AF 11 由于该工程所使用的水泥C3A和C3S含量高，导致该水泥的水化热高，且在浇注混凝土中，混凝土的整体温度高，以后混凝土温度随环境温度下降，混凝土产生冷缩，造成混凝土贯穿型的纵向裂缝。首先，对大体积的混凝土工程宜选用低水化热，即C3A和C3S的含量较低的水泥。其次，水泥用量及水灰比也需适当控制。四、水泥石的结构四、水泥石的结构水泥石的组成：未水化水泥颗粒；水化产物晶体、胶体；毛细孔、毛细水。水泥石是多相（固相、液相、气相）多孔体系，水泥石的工程性质取决于水泥石的结构组成，即决定于水化物的类型和相对含量、内部孔的大小、形状和分布状态。毛细孔：未被水化产物所填充的原充水空间 凝胶孔：C-S-H内部的结构孔 28。影响水泥石结构的因素影响水泥石结构的因素水灰比水化程度 养护时间龄期 温度石膏用量80 Construction Materials 养护对水泥强度发展的影响81 Construction Materials 蒸汽养蒸汽养护蒸气养护的水泥混凝土构件蒸气养护的水泥混凝土构件问题？水泥凝结硬化速度快，好吗？答：水化加快，放热速率加速，升温并膨胀，凝结硬化形成的微结构体积较疏松，且在随后的降温期间，或受干燥环境作用收缩变形时产生大量微裂缝，致使结构混凝土强度与渗透性（耐久性）受到严重影响。水泥宜在什么条件下凝结硬化？答：水泥宜在常温(2010C)与相对湿度较高的条件下，凝结硬化。即水泥水化速度适宜的温度，水化 所需水分供应充足的条件。五、硅酸盐水泥的技术性质五、硅酸盐水泥的技术性质硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥GB175-19991、密度、细度 密度：3.053.20g/cm3，一般取3.1。堆积密度：1.3g/cm3。细度指水泥颗粒的粗细程度，用筛分析法（300m2/kg），影响水泥的水化速度、收缩等性质。粒径：40m水化非常缓慢，接近惰性。细度不符合要求的水泥为细度不符合要求的水泥为不合格品不合格品！采用边长为80m的方孔筛对水泥试样进行筛析试验，用筛余百分数表示水泥的细度。根据一定量空气通过一定空隙率和厚度的水泥层时，所受阻力不同而引起流速的变化来测定水泥的比表面积（单位质量的粉末所具有的总表面积）2、氧化镁、三氧化硫、碱含量、氧化镁、三氧化硫、碱含量氧化镁（MgO）：5%。影响体积稳定性。三氧化硫(SO3):3.5%。影响体积稳定性。碱(Na2O、K2O):0.6%，以Na2O0.685K2O计。超量造成碱骨料反应破坏。3、凝结时间、凝结时间初凝时间（t初）：水泥开始加水拌和至水泥浆开始失去可塑性所需的时间。终凝时间（t终）：水泥开始加水拌和至水泥浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。GB175-1999规定：t初45min t终6.5h实验测定国标国标规定：凡初凝时间不符合规定的水泥为规定：凡初凝时间不符合规定的水泥为废品废品；终；终凝时间不符合规定的水泥为凝时间不符合规定的水泥为不合格品不合格品。为什么？。为什么？答：答：水泥凝结时间的规定是为了有足够的时间进行施工水泥凝结时间的规定是为了有足够的时间进行施工操作和硬化的混凝土质量；操作和硬化的混凝土质量；初凝时间太短，来不及施工，水泥石结构疏松、性初凝时间太短，来不及施工，水泥石结构疏松、性能差，水泥无使用价值，即为能差，水泥无使用价值，即为废品废品；终凝时间太长，强度增长缓慢，也会影响施工，即终凝时间太长，强度增长缓慢，也会影响施工，即为为不合格品不合格品。3、凝结时间、凝结时间凝结时间的工程意义凝结时间的工程意义水泥的初凝时间不宜过早，以便在施工时有足够的时间完成混凝土或砂浆的搅拌、运输、浇注和砌筑等工作。水泥的终凝时间不宜过迟，以免延误施工工期。异常情况闪凝无石膏 假凝温度过高、石膏少 缓凝温度过低、有机质4、体积安定性、体积安定性定义：是水泥硬化后因体积膨胀而产生不均匀变形的性质。体积安定性不良的水泥应作废品处理。原因：熟料中含游离氧化钙（f-CaO）过多 熟料中含游离氧化镁（f-MgO）过多 掺入石膏过多4、体积安定性、体积安定性游离氧化钙、镁膨胀原因游离氧化钙、镁膨胀原因熟料中f-CaO、f-MgO都是过烧的，结构致密，水化很慢；水泥硬化后才吸收孔隙中水分熟化：CaO+H2O=Ca(OH)2 MgO+H2O=Mg(OH)2体积膨胀97以上，从而引起不均匀体积膨胀，使水泥石开裂。掺入石膏过多高硫型水化硫铝酸钙（钙矾石）水泥浆中的钙钒石生长在水泥石孔隙中的针状的钙钒石晶体4、体积安定性、体积安定性体积安定性不良的检验体积安定性不良的检验国家标准（GB1346）规定采用：沸煮法：雷氏夹、试饼法f-CaO引起的 压蒸法 f-MgO引起的 长期浸水法石膏引起的体积安定性不良的水泥为体积安定性不良的水泥为废品废品！5.5.强度及强度等级强度及强度等级国家标准规定，水泥和标准砂和水按1:3.0:0.5质量比配制成胶砂，经标准试验方法搅拌成型。制成40mm40mm160mm的标准试件，在标准条件（1d温度为201，相对湿度95以上的空气中带模养护；1d以后拆模，放入201的水中养护）下养护。根据水泥品种不同，分别测定3d、28d的抗折强度和抗压强度，即为水泥的胶砂强度。5、水泥的强度与强度等级、水泥的强度与强度等级强度等级依水泥胶砂强度检验方法（GB/T 17671-1999）分为:42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个强度等级(ISO法)。R代表早强型95 Construction Materials 6、水泥的强度与强度等级、水泥的强度与强度等级硅酸盐水泥各龄期强度要求硅酸盐水泥各龄期强度要求(GB175-1999)(GB175-1999)强度等级强度等级抗抗压强度度(MPa)抗折抗折强度度(MPa)3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.528.062.55.08.062.5R32.062.55.58.07、水化热、水化热定义：水泥水化时放出的热量。以J/kg示。主要集中在水化初期（7d）主要考虑：放热总量与放热速度 影响因素：熟料的矿物组成：如C3A；水泥的细度：越细，放热速度越快；水泥的强度等级：越高，放热速度越快、越大；外加剂：掺加缓凝剂可降低早期水化热。7、水化热、水化热水化热对工程的影响水化热对工程的影响对大体积混凝土（高层基础、大坝等），由于混凝土是热的不良导体，水化热在混凝土内的聚集造成内外温差过大（可达5070），内胀外缩的结果在混凝土产生拉应拉应力力使混凝土产生热裂缝；冬季混凝土施工水化热有利于水泥的水化和混凝土早期强度的发展。98 Construction Materials 大体大体积的的桥梁梁洞庭湖大桥洞庭湖大桥洞庭湖大桥桥梁的热裂缝桥梁的热裂缝100 Construction Materials 大大坝此外，国标规定，硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥，凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性中任一项不符合要求，均为废品。凡细度、终凝时间中的任一项不符合本标准或混合材料掺加量超过最大限量和强度低于商品强度等级的指标时为不合格品。水泥包装标志中水泥品种、强度等级、生产者名称和出厂编号不全的也属地不合格品。六、水泥石的腐蚀与防止六、水泥石的腐蚀与防止定义：水泥石在外界侵蚀性介质外界侵蚀性介质（软水、含酸、含盐、含碱等）的作用下结构受到破坏，强度降低的现象称为水泥石的腐蚀。表现形式：体积膨胀膨胀型腐蚀 体积收缩溶出型腐蚀 103 碱骨料反应引起混凝土的自由变形产生网状裂缝碱骨料反碱骨料反应104 Construction Materials 膨胀裂缝膨胀裂缝105 Construction Materials 膨胀裂缝膨胀裂缝 106 Construction Materials 开裂的轨枕开裂的轨枕1、水泥石腐蚀性破坏的原因外因：外因：环境中的腐蚀性介质，如：软水；酸、碱、盐的水溶液等。内因：内因：水泥石内存在原始裂缝和孔隙，为腐蚀性介质侵入提供了通道；水泥石内有在某些腐蚀性介质下不稳定的组分，如：Ca(OH)2，水化铝酸钙等；腐蚀与毛细孔通道的共同作用 加剧水泥石结构的破坏。2、软水的腐蚀、软水的腐蚀软水：重碳酸盐(含HCO3-)的含量比较低较低的水（如雨水、雪水、内陆河水、湖水）。腐蚀机理：A、长期饱和水：水泥石中Ca(OH)2晶体逐渐溶出；B、在静水、无水压下：溶液饱和溶解作用停止；2、软水的腐蚀、软水的腐蚀C、在有压、流动的软水下：Ca(OH)2不断溶出并带走引起在一定碱度下稳定的C-S-H的分解溶出水泥石崩溃；在硬水下：重碳酸盐与 Ca(OH)2反应生成不溶的碳酸钙堵塞毛细孔阻止腐蚀的进行。Ca(OH)2Ca(HCO3)2 2CaCO3+2H2O3、盐类的腐蚀、盐类的腐蚀硫酸盐腐蚀膨胀腐蚀 镁盐腐蚀双重腐蚀 MgSO4+Ca(OH)2+H2O=CaSO4.2H2O+Mg(OH)2 MgCl2+Ca(OH)2=CaCl2+Mg(OH)2 Mg(OH)2 松软而无胶凝能力，CaCl2易溶与水；CaSO4.2H2O则引起硫酸盐的破坏作用。高硫型水化硫铝酸钙4、酸类腐蚀、酸类腐蚀碳酸腐蚀工业污水、地下水 Ca(OH)2+CO2+H2O=CaCO3+2H2O CaCO3+CO2+H2OCa(HCO3)2一般酸的腐蚀工业建筑 HCl+Ca(OH)2=CaCl2+2H2O H2SO4+Ca(OH)2=CaSO4.2H2O水泥石受硫酸盐侵蚀后，因膨胀性水泥石受硫酸盐侵蚀后，因膨胀性结晶产物引起的开裂结晶产物引起的开裂5、强碱的腐蚀3CaOAl2O3+6NaOH=3Na2OAl2O3+3Ca（OH）2当水泥石被NaOH浸透后又在空气中干燥，与空气中的CO2作用，生成物在水泥石毛细孔中结晶沉淀使水泥石膨胀。6 6、防止水泥石腐蚀的措施、防止水泥石腐蚀的措施 主要针对引起腐蚀破坏的内因采取措施，主要针对引起腐蚀破坏的内因采取措施，根据使用环境条件，选用水泥品种，降低水根据使用环境条件，选用水泥品种，降低水泥石中不稳定组分的含量；泥石中不稳定组分的含量；提高水泥石的密实度，减少腐蚀性介质的通提高水泥石的密实度，减少腐蚀性介质的通道，如降低水灰比、掺加外加剂等；道，如降低水灰比、掺加外加剂等；表面防护处理，堵塞通道如：防腐涂层。表面防护处理，堵塞通道如：防腐涂层。七、硅酸盐水泥的应用七、硅酸盐水泥的应用常用于：常用于：1、重要结构的高强混凝土和预应力混凝土工程2、要求凝结快的现场浇注的混凝土工程3、冬季施工及严寒地区遭受反复冻融的工程七、硅酸盐水泥的应用七、硅酸盐水泥的应用不宜用于：不宜用于：1、受流动的软水和有水压作用的工程 2、受海水和矿物水作用的工程 3、大体积工程 4、耐热、耐酸工程第五节第五节掺混合材料的硅酸盐水泥掺混合材料的硅酸盐水泥定义：凡在硅酸盐水泥熟料中，掺入一定量的混合材料和适量的石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料，均属掺混合材料的硅掺混合材料的硅酸盐水泥。酸盐水泥。掺入目的：改善水泥的性能；增加品种；提高产量；节约熟料，降低成本掺混合材的硅酸盐水泥品种硅酸盐水泥熟料石膏 615%混合材普通硅酸盐水泥2070%矿 渣矿渣硅酸盐水泥2050%火山灰火山灰硅酸盐水泥2040%粉煤灰粉煤灰硅酸盐水泥1650%两种混合材复合硅酸盐水泥 掺混合材硅酸盐水泥的凝结硬化和性能与所掺混合材的种类与掺量密切相关！（一）水泥混合材料（一）水泥混合材料定义：在水泥生产过程中，为改善水泥性能，调节水泥强度等级，扩大使用范围而掺入的天然或人工的矿质原料称为水泥混合材料。分类：活性混合材料（active admixture）：具有火山灰性或潜在水硬性潜在水硬性的材料，如矿渣、粉煤灰(含有含有SiOSiO2 2和和AlAl2 2O O3 3)等。非活性混合材料（inactive admixture）：不具有潜在水硬性的材料，如石灰石粉、慢冷矿渣等。火山灰反应：火山灰反应：xCa(OH)2+SiO2+mH2O=xCaO SiO2 nH2OxCa(OH)2+Al2O3+mH2O=xCaO Al2O3 nH2O稀释作用稀释作用减少水泥中熟料矿物含量，降低水化热；减少水泥中熟料矿物含量，降低水化热；减少水泥石中减少水泥石中Ca(OH)2的含量。的含量。超细粉末的密实填充效应超细粉末的密实填充效应活性混合材料的作用 3d7d49d182d掺加粉煤灰的水泥石中掺加粉煤灰的水泥石中Ca(OH)2的含量的含量矿渣掺量对硬化水泥浆中矿渣掺量对硬化水泥浆中Ca(OH)2的影响的影响掺加粉煤灰的水泥的水化热掺加粉煤灰的水泥的水化热活性矿物粉磨颗粒与石灰的反应活性矿物粉磨颗粒与石灰的反应1、粒化高炉矿渣Granulated blast furnace slag定义：是高炉炼铁时所排出的以硅酸钙和铝酸钙为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后的产品。主要化学成分：CaOCaO、SiOSiO2 2、AlAl2 2O O3 3活性来源：玻璃体矿渣融体在淬冷成粒时，阻止了融体向结晶结构的转变而形成亚稳的玻璃体，因此具有潜在水硬性。2、粉煤灰(Fly ash)定义：火力发电厂煤粉燃烧后从烟道中收集的粉状物，又称飞灰。粒径150，呈玻璃质的空心或空心球状颗粒。化学成分：SiOSiO2 2、Al