土木工程材料电子教案第4章无机胶凝材料.pdf

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1、土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第 4 章 无机胶凝材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录本章提要本章提要胶凝材料的基本概念。胶凝材料凝结硬化机理及其影响因素是什么?土木工程对胶凝材料有哪些性能要求？怎样正确选择和使用胶凝材料？本章重点：常用六大水泥的技术要求、性能特点并能合理选用；本章难点：硅酸盐水泥的缓凝机理。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录本 章 主 要 内 容概述4.1 气硬性胶凝材料气硬性胶凝材

2、料4.1.1石膏4.1.2石灰4.2 水硬性胶凝材料水硬性胶凝材料4.2.1通用硅酸盐水泥4.2.2其它品种水泥案例分析土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录概述基本概念胶凝材料的分类土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录基本概念：什么是胶凝材料？定义： 经过一系列物理、化学作用，能由浆体变成坚硬的固体，并能将散粒或片、块状材料胶结成整体的物质。特征：严格意义上胶凝材料应指浆体；能在常温下凝结硬化为固体；有较强的胶结能力；具有一定的使用性能。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土

3、木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录胶凝材料的种类？按其化学组成： 有机胶凝材料：沥青、树脂等。 无机胶凝材料：水泥、石膏、石灰、磷酸钙、磷酸镁等。按其硬化条件： 气硬性胶凝材料 石膏、石灰等； 水硬性胶凝材料 各种水泥等。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录气硬性与水硬性胶凝材料的特点气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，并且在空气中保持和发展其强度； 关键：干燥状态下，其硬化体才有较好的性能！水硬性胶凝材料不仅能在空气中，而且能更好地在水中硬化，保持并发展其强度。 关键：干燥或潮湿状态下，其硬化体均有很好的性能！土

4、木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录4.1 气硬性胶凝材料气硬性胶凝材料4.1.1 石石 膏膏1石膏胶凝材料的制备2建筑石膏的水化及硬化3建筑石膏的特性与技术要求4建筑石膏的应用土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录1石膏胶凝材料的制备石膏的矿物组成： CaSO4xH2OX为结晶水为结晶水H2Ox0，硬石膏(无水石膏)x0.5 ，熟石膏(半水石膏)x2，生石膏(二水石膏)石膏是晶体结构二水石膏晶体形貌二水石膏晶体形貌半水石膏晶体形貌半水石膏晶体形貌土木工程材料土木工程材料土木工程

5、材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录天然二水石膏；天然无水石膏；工业副产物磷石膏、氟石膏等。生产工序： 原料(破碎) 脱水 磨细生产(脱水)的工艺：非密闭煅烧(干燥空气中)： 密闭蒸练(湿的水蒸气)：不同工艺得到不同组成和结构的石膏天然石膏矿纤维状晶体原料土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录我国石膏矿分布非常广泛土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录生产工艺与产品的组成CaSO42H2O 120180C干燥空气125180C水蒸气 -CaSO4 0.

6、5H2O -CaSO4 0.5H2O -CaSO4()可溶 -CaSO4()可溶200360C 200360C 400800C400800CCaSO4()不溶 8001180CCaSO4()不溶CaO非密闭煅烧工艺及其产品组成密闭蒸炼工艺及其产品组成型和型半水石膏，虽然化学成分相同，但宏观性能上相差很大。型半水石膏结晶完整，常是短柱状，晶粒较粗大，聚集体的内比表面积较小。型半水石膏结晶较差，常为细小的纤维状或片状聚集体，内比表面积较大。因此，型半水石膏的水化速度慢，水化热低，需水量小，硬化体的强度高，其强度比型半水石膏高27倍，所以称为高强石膏。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材

7、料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2建筑石膏的水化及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： CaSO4 0.5H2O 1.5H2O CaSO42H2OQ 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

8、、交错，构成晶体颗粒堆聚的结晶结构网土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录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水化初期：二水石膏晶体较少土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录 半水石膏在空气中，也会吸收空气中的水分子水化成二水石膏晶体。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！土木工程材

9、料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录3建筑石膏的特性与技术要求（1）建筑石膏的特性）建筑石膏的特性1）凝结硬化快。2）凝结硬化时体积微膨胀。）凝结硬化时体积微膨胀。 3）孔隙率高、表观密度小、强度低。）孔隙率高、表观密度小、强度低。 4）保温隔热性和吸声性良好。 5）防火性能好。 6）具有一定的调温调湿性。 7）耐水性和抗冻性差。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录（2）建筑石膏的技术要求建筑石膏密度为2.62.75g/cm3，堆积密度为800100kg/m3。建筑石膏按其细度、凝结

10、时间及强度指标分为三个等级，见表41。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录4建筑石膏的应用（1）粉刷石膏（2）石膏墙材 （3）石膏艺术制品土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录五、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土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目

11、录回主目录纸面石膏板的生产工艺流程纸面石膏板生产线土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Summary性质石膏是气硬性胶凝材料，建筑石膏的主要成分是-半水石膏CaSO40.5H2O; 生产方法建筑石膏可用天然二水石膏或化学石膏在120180 C干燥下脱水制备；凝结硬化机理“溶解沉淀”理论，即通过半水石膏在水中不断溶解，二水石膏不断结晶，晶体不断生长、相互交错与连生构成晶体网络结构而硬化；性能浆体需水量较大，凝结硬化快、凝结时有微膨胀、表观密度较小、孔隙率较大、强度低、耐水与抗冻性差、容易吸水和吸潮、导热系数低、隔热与吸声性好、耐火、对人

12、体和环境无害。应用各种板材、粉刷砂浆、雕饰等。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录进一步研究开发的课题先进纤维石膏基复合材料高强石膏及其制品提高石膏及其制品的耐水性土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录学会辨证思考问题！1、石膏制品孔隙率较大，在应用上有哪些优点和缺点？ 答：答：优点优点保温隔热性、吸声隔声性好；质轻。可作为墙板、保温隔热性、吸声隔声性好；质轻。可作为墙板、天花板、墙面粉刷砂浆等。天花板、墙面粉刷砂浆等。 缺点缺点强度低、吸水率较大、耐水性差。不能用作结构强度低

13、、吸水率较大、耐水性差。不能用作结构材料，不宜用于潮湿环境等。材料，不宜用于潮湿环境等。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2. 为什么石膏制品的耐水性差？ 答：二水石膏在水中的溶解度较大；答：二水石膏在水中的溶解度较大； 晶体颗粒间以化学键结合时，由于接触点缺陷多，溶晶体颗粒间以化学键结合时，由于接触点缺陷多，溶解度更大。解度更大。 晶体颗粒间以氢键结合时，由于石膏晶体是亲水性很强晶体颗粒间以氢键结合时，由于石膏晶体是亲水性很强的离子晶体，因此，水分子进入，降低了颗粒间的相互作的离子晶体，因此，水分子进入，降低了颗粒间的相互作用力，

14、导致强度下降；用力，导致强度下降； 其软化系数只有其软化系数只有0.300.45；学会分析和思考问题！3、如何改善石膏制品的耐水性? 答：降低孔隙率，改善孔隙结构，对毛细缝隙进行憎水处答：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。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录4、为什么石膏制品的防火性好，但耐火性差? 答：答：石膏制品的孔隙率

15、大，隔热性较好；二水石膏晶体含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，有两个结晶水分子，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；但二水石膏脱水后，强度下降较并蒸发吸收和带走热量；但二水石膏脱水后，强度下降较多，结构产生破坏，失去了防火功能。多，结构产生破坏，失去了防火功能。学会分析和辩证思考问题！5、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？6、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？土木工程材料土木工程材料土木工

16、程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录4.1.2 建筑石灰建筑石灰建筑石灰的概述建筑石灰的概述1石灰的熟化与硬化石灰的熟化与硬化2建筑石灰的特性与技术建筑石灰的特性与技术3、建筑石灰的应用、建筑石灰的应用土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录概述主要原料是以碳酸钙为主要成分的天然岩石，如石灰石、白云石、白垩、贝壳等。分类块状生石灰：CaO；生石灰粉：CaO；熟(消)石灰粉：Ca(OH)2；石灰膏(浆)：Ca(OH)2、H2O；土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主

17、目录回主目录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土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录1石灰的熟化与硬化（1）石灰的熟化CaO+H2O Ca(OH) 2+64kJ两个显著特点：放出大量的热；体积增大12.5倍。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录石灰浆体 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

18、（2）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。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2建筑石灰的特性与技术要求建筑石灰的特性：建筑石灰的特性： 1）可塑性好。）可塑性好。2）硬化缓慢。）硬化缓慢

19、。 3）硬化）硬化后强度低。后强度低。4）硬化过程中体积收缩大。）硬化过程中体积收缩大。 5）耐水性差。）耐水性差。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录建筑石灰的技术要求：建筑石灰的技术要求：土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录问 题？1. 过火石灰有什么危害？应如何消除？过火石灰有什么危害？应如何消除？ 答：答：过火石灰密度较大，且颗粒表面有玻璃釉状物包过火石灰密度较大，且颗粒表面有玻璃釉状物包裹，水化消解很慢，在正常石灰水化硬化后再吸湿裹，水化消解很慢，在正常石灰水化硬

20、化后再吸湿水化，产生体积膨胀，影响体积稳定性。可采用延水化，产生体积膨胀，影响体积稳定性。可采用延长石灰的熟化和陈伏期，或过滤掉。长石灰的熟化和陈伏期，或过滤掉。2.2.石灰硬化过程中，为什么容易开裂？使用时应石灰硬化过程中，为什么容易开裂？使用时应如何避免？如何避免？ 答：答：石灰浆体的硬化是靠水分的大量挥发，体积显著石灰浆体的硬化是靠水分的大量挥发，体积显著收缩，因而容易导致开裂。在使用时，避免单独使收缩，因而容易导致开裂。在使用时，避免单独使用，可掺加一些砂子、麻刀丝或纸筋等。用，可掺加一些砂子、麻刀丝或纸筋等。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一

21、内容回主目录回主目录4.2 水硬性胶凝材料水硬性胶凝材料内容提要内容提要概述概述4.2.1 通用硅酸盐水泥通用硅酸盐水泥4.2.2 特性水泥特性水泥土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录内容提要学习通用硅酸盐水泥的矿物组成，及其与其他水泥的差别；水泥的生产过程及其对性质的影响。 掌握水泥凝结硬化机理和凝结硬化过程的影响因素；应用这些基本理论，说明水泥和混凝土的性质，指导合理选择与使用水泥，改善水泥基材料的性能。熟悉水泥各种性质的含义和工程意义；水泥性质的影响因素及其规律；水泥性质的检验方法和评定标准。 土木工程材料土木工程材料土木工程材

22、料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录概 述 什么是水泥(cement)？ 水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。水泥的种类有哪些？水泥的特性膨胀水泥快 硬 水 泥低 热 水 泥抗腐蚀水泥 根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。硬化时膨胀硬化速度快水化热低耐腐蚀性好 根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录概 述 硅酸盐系水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥掺混合材硅酸盐水泥特性硅酸盐水泥硅酸盐系水

23、泥品种硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥；掺大量混合材的硅酸盐水泥特性硅酸盐水泥硅酸盐水泥有硅酸盐水泥有P P和和P P两类，后者含有两类，后者含有混合混合土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录水泥在土木工程中的重要作用水泥是当今产量与用量最大的土木工程材料！水泥及其砂浆、混凝土与纤维水泥等水泥基材料普遍用于各种土木工程和钢筋混凝土结构！水泥的性能和正确选用对土木工程的功能与质量至关重要！土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录4.2.1 通用硅酸盐水泥通用硅酸盐水泥1通用硅酸盐水泥的定义、

24、类型和代号2通用硅酸盐水泥的组成、水化与凝结硬化3通用硅酸盐水泥的技术要求4水泥石的腐蚀及防止5通用硅酸盐水泥的特性与应用u重点论述了硅酸盐系水泥的矿物组成、凝结硬化机理和重点论述了硅酸盐系水泥的矿物组成、凝结硬化机理和基本性质及其检测方法，以及硅酸盐水泥的应用。基本性质及其检测方法，以及硅酸盐水泥的应用。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录1通用硅酸盐水泥的定义、类型和代号定义:以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏、及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。 类型和代号a本组分材料为符合要求的活性混合材料，其中允许用不超过水泥质量8%的非活性

25、混合材料或不超过水泥质量5%的窑灰代替。b本组分材料为符合要求的活性混合材料，其中允许用不超过水泥质量8%其它活性混合材料或非活性混合材料或窑灰中的任一种材料代替。c本组分材料为的活性火山灰混合材料。d本组分材料为符合要求的粉煤灰活性混合材料。e本组分材料为由两种（含）以上符合本标准的活性混合材料或/和符合标准的非活性混合材料组成，其中允许用不超过水泥质量8%且符合标准的窑灰代替。掺矿渣时混合材料掺量不得与矿渣硅酸盐水泥重复。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录通用硅酸盐水泥类型硅酸盐水泥熟料石膏 20 x 5混合材普通硅酸盐水泥7

26、0 x 20矿 渣矿渣硅酸盐水泥40 x 20火山灰火山灰硅酸盐水泥40 x 20粉煤灰粉煤灰硅酸盐水泥50 x 20两种混合材复合硅酸盐水泥硅酸盐水泥5 x 0混合材硅酸盐水泥 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！土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2通用硅酸盐水泥的组成（1）硅酸盐水泥熟料（2）石膏（3）混合材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录通用硅酸盐水泥是由下列物质混合组成的水泥硅酸盐水泥熟料 Clinkers石膏(CaSO42H2

27、O) Gypsum混合材 Mineral Additives各物质的作用熟料：主要胶凝物质，能水化硬化；石膏：调节水泥的凝结时间；混合材：调节水泥的强度等级；必要组分v（1）通用硅酸盐水泥的组成土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录通用硅酸盐水泥生产原原 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：铁矿与砂调节原料：铁矿与砂，调节与补充，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

28、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）一起经粉磨粉磨混合混合后得到后得到水泥水泥自动化生产过程自动化生产过程“两磨一烧”土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录硅质(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 原料采掘原料采掘原料磨细原料磨细原料混合原料混合反应物产物反应物产物中间产物中间产物预热器回转窑产产 物物熟料冷却熟料冷却熟料储存熟料储存

29、通用硅酸盐水泥熟料制造工艺流程土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录矿物名称 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

30、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：通用硅酸盐水泥熟料的组成土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录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土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录（2）石膏石膏是硅酸盐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，用于水泥中的石膏有天然石膏和工业副产石膏。工业副产石膏采用前应经过试验证明对水泥性能无

31、害。品位要求：石膏+硬石膏含量一般大于60%（至少55%，由供需双方确定）土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录（3）混合材料定义：定义： 在在水水泥泥生生产产过过程程中中，为为改改善善性性能能、调调节节强强度度等等级级所所加加入的天然或人工矿物材料，均称为水泥混合材料。入的天然或人工矿物材料，均称为水泥混合材料。种类：种类：活性活性非活性两类非活性两类作用：作用： 在水泥中主要其填充作用，调节强度等级、节省能源、在水泥中主要其填充作用，调节强度等级、节省能源、降低成本、增加产量、降低水化热等。降低成本、增加产量、降低水化热等。土木工程

32、材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录活性混合材 定义定义具有水化活性的混合材。具有水化活性的混合材。活性组分：活性组分：SiO2、Al2O3常用品种：常用品种：粒化高炉矿渣粒化高炉矿渣炼钢铁的废料炼钢铁的废料火山灰质粉末火山灰质粉末天然岩石和人工煅烧物天然岩石和人工煅烧物粉煤灰粉煤灰火电厂的废料火电厂的废料土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录非活性混合材 定义：定义： 与水泥矿物成分或水化产物不发生化学反应与水泥矿物成分或水化产物不发生化学反应或化学反应很弱的混合材，为非活性混合材。

33、或化学反应很弱的混合材，为非活性混合材。常见的有：常见的有：磨细石英砂磨细石英砂石灰石粉石灰石粉粘土粘土慢冷矿渣慢冷矿渣窑灰窑灰土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录3通用硅酸盐水泥水化与凝结硬化（1）通用硅酸盐水泥的水化硅酸盐水泥熟料单矿物的水化反应 1）硅酸三钙的水化2）硅酸二钙的水化3）铝酸三钙的水化4）铁铝酸四钙的水化石膏的作用下铝酸三钙的水化化学过程水泥熟料矿物的水化反应土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录水泥熟料矿物的水化反应特征与顺序特征：水泥熟料颗粒中的四种主要

34、矿物同时进行水化反应；其水化反应均是放热反应；水化反应是固液异相反应。反应速度序列：铝酸三钙C3A的水化铁铝酸四钙C4AF的水化硅酸三钙C3S的水化硅酸二钙 - C2S的水化土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录1）硅酸钙C3S2）- C2S的水化硅酸钙水化生成水化硅酸钙C-S-H凝胶和Ca(OH)2羟钙石，并放出热： 硅酸三钙：2C3S + 6H C-S-H + 3CH + 120cal/g 硅酸二钙：2C2S + 4H C-S-H + CH + 62cal/g特征：形成相同的水化物组成不确定的C-S-H凝胶，组成为： CaxH6-2

35、xSi2O7.zCa(OH)2 nH2O (x, z与温度、水灰比等有关) 其中钙硅比(C/S)： CaO/SiO2 = (xz)/2 C3S反应速度比C2S快，其放热量比C2S大。水化机理溶液中反应固相颗粒表面的局部反应。水水化化度度水化时间（天）水化时间（天）土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录溶液中的反应机理：溶解机理：溶解 扩散扩散 沉淀沉淀离子在水中的扩散C3S表面离子水化弱化晶体中的化学键，增加pH值水化产物成核CSH析出、凝聚、脱水离开水相，形成凝胶，CH结晶生长土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上

36、一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面局部反应机理：颗粒表面水化物层的形成与扩散 水化物层在固液界面上形成，并不断增厚颗粒表面离子的水化和水解C-S-H的成核Ca(OH)2的成核和生长土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录CSH凝胶体结构水化硅酸钙的形成重新排列和凝聚后的凝胶体结构土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录硅酸钙矿物颗粒的电镜照片硅酸钙矿物颗粒的电镜照片硅酸钙矿物颗粒的电镜照片硅酸钙矿物颗粒的电镜照片硅酸钙矿物水化后的电镜照片硅酸钙矿物水化后的电镜照片硅酸钙矿物水

37、化后的电镜照片硅酸钙矿物水化后的电镜照片硅酸钙矿物水化物的特征硅酸钙的水化产物硅酸钙的水化产物C-S-HC-S-H与与Ca(OHCa(OH) )土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录3）铝酸三钙C3A的水化铝酸钙C3A的水化行为在水泥水化早期特别重要纯C3A与水反应迅速，生产水化铝酸钙： C3A + 18H2O C4AH19或或 C4AH13 C3AH6 (不稳定的中间产物) (稳定产物) 这一反应导致水泥浆闪凝或假凝，必须避免！避免闪凝的有效途径加入石膏CaSO42H2O 这就是硅酸盐水泥生产中，必须加入石膏与水泥熟料一起粉磨的根本原

38、因！ 这一发明是硅酸盐水泥发展史上的一个里程碑。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录铝酸三钙C3A在石膏存在下的水化反应C3A与石膏反应首先形成三硫型硫铝酸钙钙矾石晶体，并放出大量热： C3A+ 3CH2+26H C3A3C3H32或C3A3C3H31 + 300 cal / g (1) (钙钒石)反应后期，石膏量不足时，水化生成单硫型硫铝酸钙水化物： C3A+ C3A3C3H32 +4H C3AC3H12 (2)石膏消耗完后， C3A直接水化形成C3AH6： C3A + 18H2O C3AH6 (3)石膏缓凝机理：v 在水泥颗粒表面

39、析出致密的钙矾石凝胶体构成阻碍层，延缓了水泥颗粒的水化，避免闪凝或假凝。当凝胶体破裂（转变为晶体后，孔隙增加；或渗透压作用凝胶体破裂），矿物水化又正常进行。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录4）铁铝酸四钙C4AF的水化铁铝酸四钙C4AF与水发生类似于C3A的水化反应，也形成类似的产物钙钒石和单硫型水化物： C4AF + 7H C3AFH6 CFH C4AF + 3CH2 + 26H C3(A,F)3C3H32 C4AF + CH2 + 20H C3(A,F)C3H16C4AF水化物的组成是可变，是铝酸盐与铁酸盐的固溶体，并由铁相凝胶

40、产生。C4AF的水化反应对整个水泥的行为影响较小。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录水泥浆扫描电镜照片水泥浆扫描电镜照片(7d龄期龄期)C-S-H钙矾石钙矾石土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录5）活性混合材料的水化火山灰反应：火山灰反应： xCa(OH)2 + SiO2 + mH2O = xCaO SiO2 nH2O xCa(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

41、，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土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录活性混合材的作用 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3d7d49d182d掺加粉煤灰的水泥的水化热掺加粉煤灰的水泥的水化热掺加粉煤灰的水泥的水化热掺加粉煤灰的水泥的水化热掺加粉煤灰的水泥石中掺加粉煤灰的水泥石中掺加粉煤灰的水泥石中掺加粉煤灰的水泥石中Ca(OH)Ca(OH)2 2的含量的含量的含量的含量土木工程材料

42、土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Summary硅酸钙的水化2C3S + 6H C3S2H3 + 3CH + 120cal/g2C2S + 4H C3S2H3 + CH + 62cal/g C-S-H + 羟钙石羟钙石铝酸钙的水化C3A + 18H2O C2AH8 + C4AH13C3A+ 3CH2+26H C3A3C3H32 + 300 cal / g （钙钒石）（钙钒石）C3A+ C3A3C3H32 +4H C3AC3H12铁铝酸钙的水化C4AF + 13H C4(A,F)H13 C4AF + 3CH2+26H C3(A,F)3C3H32

43、C4AF + CH2+26H C3(A,F)C3H12水泥的水化过程：当水泥颗粒分散在水中，石膏和熟料矿物溶解进入溶液中，液相被各种离子饱和；几分钟内，Ca2、SO4 、 Al3 、 OH离子间反应，形成钙钒石；几小时后，Ca(OH)2晶体和硅酸钙水化物C-S-H开始填充原来由水占据、并溶解熟料矿物的空间；几天后，因石膏量不足，钙钒石开始分解，单硫型硫铝酸钙水化物开始形成。此后，水化物不断形成，不断填充孔隙或空隙。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录石膏的作用避免水泥浆的闪凝和假凝现象。调节水泥的凝结时间。导致钙钒石和单硫型硫铝酸钙水

44、化物的形成。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录（3）硅酸盐水泥的凝结硬化 水泥浆通过水泥熟料矿物的水化反应、浆体的凝结硬化过程变成坚硬固体凝结水泥与水混合形成可塑浆体，随着时间推移、可塑性下降，但还不具备强度，此过程即为“凝结”；硬化随后浆体失去可塑性，强度逐渐增长，形成坚硬固体，这个过程即为“硬化”。 水泥浆体转变成坚硬固体的过程是一个复杂的物理化学变化过程。水泥浆如何转变成坚硬固体？土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录为什么水泥能由浆体变成固体？水泥与水能发生化学反应水

45、泥与水能发生化学反应水化反应；水化反应；水化反应将结合占水泥质量水化反应将结合占水泥质量30左右的拌左右的拌和水；和水；水化反应的产物水化反应的产物水化物能相互凝聚成水化物能相互凝聚成三向网络结构；三向网络结构；水化反应产物有很大的表面能，而且相互水化反应产物有很大的表面能，而且相互间有很强的次价键力。间有很强的次价键力。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录水 泥水 溶 解沉 淀水泥浆的凝结硬化过程扩 散水泥浆的凝结硬化物理过程土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录单一水泥颗粒

46、在大量水中的水化过程模型新拌1小时后数小时后几天后几周后拌合水未水化的核水化物CSHCa(OH)2晶体土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录水泥颗粒水泥颗粒水水水泥颗粒分散在水中形成水泥浆体硅酸盐水泥水化物理过程模型水泥水化物膜层水泥水化物膜层水泥颗粒的水化从表面开始，在表面形成水化物膜层诱导期水化物膜层随水化时间向内不断增厚，进入潜伏期。水化物膜层随水化时间向内不断增厚，水泥颗粒粒径缩小在渗透压的作用下，膜层破裂、扩展，占据原来被水占据的空间，进入凝结期。凝结期：水化物不断填充被水占据的空间，成为连续相，拌和水不断减少，并被水化物分割

47、成非连续相。随着水泥颗粒的不断水化，水化物不断填充毛细孔和水所占据的空间，固体相成为连续相，并具有一定强度。进入硬化期。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录硅酸盐水泥水化时的放热曲线水水化化放放热热速速度度溶解：溶解：钙钒石钙钒石形成形成诱导期：诱导期：Ca2浓度增加浓度增加C-S-H和和CH快速形成快速形成初凝初凝终凝终凝单硫型硫铝单硫型硫铝酸钙形成酸钙形成扩散控制反应扩散控制反应土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录先在固液界面发生，水化物围绕每颗水泥颗粒未水化的内核区域沉

48、积；早期水化物在颗粒上形成表面膜层，阻碍了进一步反应进入潜伏期；因渗透压或钙钒石钙钒石的结晶或二者，水化物膜层破裂，导致水化继续迅速进行进入水化的加速期；随着水化的不断进行，水占据的空间越来越少，水化物越来越多，水化物颗粒逐渐接近，构成较疏松的空间网状结构，水泥浆失去流动性，可塑性降低凝结；由于水泥内核的继续水化，水化物不断填充结构网中的毛细孔隙，使之越来越致密，空隙越来越少，水化物颗粒间作用增强，导致浆体完全失去可塑性，并产生强度硬化。水泥浆凝结硬化的物理过程土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录（1）水泥熟料矿物组成和水泥细度）水泥

49、熟料矿物组成和水泥细度（2）养护条件（温度、湿度）与时间）养护条件（温度、湿度）与时间 （3）石膏）石膏（4）混合材品种和用量）混合材品种和用量（5）拌合用水量）拌合用水量（4）水泥凝结硬化的主要影响因素土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录水泥熟料中单一矿物的水化速度水泥熟料中单一矿物的水化速度水化度()时间(天)1）水泥熟料矿物组成和细度：矿物组成水泥熟料矿物的水化速度： C3A C3ACaSO42H2O C3S C4AF C2S水泥的C3A和C3S含量越高，凝结硬化速度越快；水泥的C3A和C3S含量越低，凝结硬化速度越慢；土木工程

50、材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录水泥细度水泥细度Fineness of Cement粒径： 3m 水化非常迅速，需水量增大； 90 m 几乎接近惰性。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录水泥颗粒细度的影响水泥颗粒越细，水化速度越快，为什么？ 答：水泥的水化反应是液固异相反应，反应首先发生在液固界面上； 水泥颗粒越细，比表面积越大，界面区越大，反应点越多，因此水化速度越快。比表面积比表面积 m2/kg放放热热速速度度时间时间/小时小时细度(比表面积)对C3S浆体(水/固比1.0)水