无机胶凝材料土木工程材料课件.ppt

第3章无机胶凝材料南华大学杨建明教授2021/7/27 第3章无机胶凝材料胶凝材料发展①公元前3000年，古埃及人，煅烧石膏；古希腊人，石灰石煅烧石灰。②公元前146年，罗马，石灰＋砂子，混合成砂浆。石灰－火山灰－砂子　罗马砂浆。③18世纪，英国，含粘土石灰石制成罗马水泥；1824年英国发明波特兰水泥。2021/7/27 第3章无机胶凝材料④我国5000年前，含二氧化硅较高的石灰石，磨成“白面灰”，公元前7世纪周朝石灰，公元前5世纪南北朝，石灰＋粘土＋细砂，三合土；秦汉，掺糯米汁石灰砌砖以及石灰－桐油、石灰－血料。2021/7/27 第3章无机胶凝材料土木工程中常常需要将散粒材料（如砂和石子）或块状材料（如砖和石英）粘结成为整体，具有这种粘结作用的材料，统称为无机胶结材料或无机胶凝材料。胶凝材料，确切地说是指经过自身的物理化学作用后，能够由液态或固态变成坚硬固体的物质。2021/7/27 第3章无机胶凝材料有机胶凝材料胶凝材料无机胶凝材料　气硬性胶凝材料水硬性胶凝材料气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，也只能在空气中保持或继续提高其强度，如石灰、石膏、水玻璃。水硬性胶凝材料不仅能在空气中硬化，而且能更好地在水中硬化，保持并继续提高其强度，如各种水泥。2021/7/27 3.1石灰块状生石灰　CaO生石灰粉　CaO消石灰、熟石灰　Ca(OH)2石灰浆　Ca(OH)2+H2O2021/7/27 3.1石灰一、石灰的生产工艺概述原料：石灰石、白云石、白垩生产过程：生石灰，3.2g/cm3，表观密度约800kg/m3~1000kg/m3欠火石灰过火石灰2021/7/27 3.1石灰二、石灰的消化和硬化1、石灰消化水化特点：1）水化热大，水化速度快；2）水化过程中固相体积增大1.5~2倍。2021/7/27 3.1石灰“过烧”：对活泼性大的石灰，如加水过慢，水量不够，则已消化的石灰颗粒生成Ca(OH)2，包围于未消化颗粒周围，使内部石灰不易消化。“过冷”：对于活泼性差的石灰，如加水过快，则发热量少，水温过低，增加了未消化颗粒。2021/7/27 3.1石灰2、石灰的硬化1）干燥硬化2）碳化2021/7/27 3.1石灰三、石灰及其制品技术性质1、石灰的特性1）可塑性和保水性好2）硬化缓慢，硬化后强度低。石灰砂浆28d抗压强度只有0.2MPa~0.5MPa3）硬化后体积收缩大4）耐水性差2021/7/27 3.1石灰2、石灰技术要求《建筑生石灰》JC/T479－1992、《建筑生石灰粉》JC/T480-1992、《建筑生石灰粉》JC/T481-1992钙质石灰和镁质石灰，表3.11）生石灰技术标准，表3.22）生石灰粉技术标准，表3.33）消石灰粉技术标准，表3.42021/7/27 表3.1钙质石灰和镁质石灰中氧化镁含量（%）界限2021/7/27 3.2建筑生石灰技术指标2021/7/27 3.3建筑生石灰粉的技术指标2021/7/27 3.4建筑消石灰粉的技术指标2021/7/27 3.1石灰四、石灰的应用1、配制砂浆良好可塑性和粘结性2、拌制三合土和灰土三合土：石灰粉:粘土:砂＝1:2:33、制作石灰乳涂料2021/7/27 3.1石灰4、生产硅酸盐制品石灰和硅质材料（如粉煤灰、石英砂、炉渣）如蒸压灰砂砖5、磨制生石灰粉6、加固软土地基7、制造静态破碎剂和膨胀剂过火石灰粉＋5%~7%水硬性胶凝材料2021/7/27 3.2硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥此外道路水泥、高铝水泥、膨胀水泥、快硬水泥2021/7/27 3.2硅酸盐水泥一、硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥（GB175－1999）：凡由硅酸盐水泥熟料，0~5%石灰石或粒化高炉矿渣，适当石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。不掺加混合材料的称I型硅酸盐水泥　代号P.I在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过质量5%石灰石或粒化高炉矿渣混合材料称II型硅酸盐水泥　代号P.II凡由硅酸盐水泥熟料、6%~15%混合材料、适当石膏磨细制成水硬性胶凝材料称普通硅酸盐水泥，P.O。不超过水泥质量5%窑灰，10%非活性材料。2021/7/27 3.2硅酸盐水泥（一）硅酸盐水泥生产工艺概述1、生产原料：石灰质原料石灰石、白垩、石灰质凝灰岩CaO粘土质原料粘土、粘土质页岩、黄土SiO2、Al2O3、Fe2O3铁矿粉补充Fe2O3不足2021/7/27 3.2硅酸盐水泥2、硅酸盐水泥生产工艺概述（1）生料的配制和磨细　干法和湿法（2）将生料煅烧，形成熟料（3）将熟料与适量石膏共同磨细成为硅酸盐水泥2021/7/27 3.2硅酸盐水泥（二）硅酸盐水泥的化学成分和矿物组成1、化学成分氧化钙CaO（60%~67%）、氧化硅SiO2（20%~24%）、氧化铝Al2O3（4%~9%）、氧化铁Fe2O3（2.5%~6%）2021/7/27 3.2硅酸盐水泥2、矿物组成硅酸三钙　3CaO.SiO2C3S50~60%反应速度快、水化热高，早期及后期强度。硅酸二钙　2CaO.SiO2C2S　15~37%　速度慢、水化热低，后期强度大，耐化学腐蚀。铝酸三钙　3CaO.Al2O3C3A　7~15%　反应速度快、水化热高，早期强度高，不耐化学腐蚀。铁铝酸四钙　3CaO.Al2O3.Fe2O3C4AF　10%~18%　反应较快、水化热高，抗折强度高，耐化学腐蚀好。2021/7/27 3.2硅酸盐水泥（三）硅酸盐水泥的凝结和硬化1、硅酸盐水泥熟料矿物的水化（1）硅酸三钙的水化水化硅酸钙（C－S－H）、氢氧化钙（CH）（2）硅酸二钙的水化2021/7/27 3.2硅酸盐水泥（3）铝酸三钙的水化纯水中C3A的水化最终会转化为等轴晶的水化铝酸三钙CaO.Al2O3.6H2O，即C3AH6当温度高于35℃，C3A直接转化为C3AH62021/7/27 3.2硅酸盐水泥有石膏存在时C3A的水化C4AH13与石膏反应生成三硫型水化硫铝酸钙，又称钙矾石，AFt当石膏消耗完毕后，C4AH13又能与钙矾石反应生成单硫型硫铝酸钙，AFm。2021/7/27 3.2硅酸盐水泥（4）铁铝酸四钙的水化硅酸盐水泥熟料矿物水化硬化特性见表3.52021/7/27 表3.5熟料矿物的水化硬化特性2021/7/27 3.2硅酸盐水泥2、硅酸盐水泥的水化水泥加水拌和后，C3A、C4AF、C3S与水快速反应，石膏也溶于水，在石膏存在的条件下，C3A不再生成化铝酸钙，与石膏反应生成针状晶体三硫型水化硫酸钙（钙矾石（AFt）。若石膏消耗完毕还有C3A时，则钙矾石会与C3A继续转化为单硫型水化硫铝酸钙。2021/7/27 3.2硅酸盐水泥石膏也会与C4AF反应生成水化硫铝（铁）酸钙，石膏的存在还可以加速C3S和C2S水化。水化产物是C－S－H凝胶、水化铁酸钙凝胶、氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙等晶体。主要水化产物为C－S－H　70%，CH　20%，水化硫铝酸钙（钙矾石AFt、单硫型水化铝酸钙Afm）7%2021/7/27 3.2硅酸盐水泥3、硅酸盐水泥的凝结与硬化三种水泥凝结硬化理论：①H.吕查德里的“结晶理论”　认为水泥水化后，由于水化物过饱和结晶析出，而使水泥石产生强度。②W.米哈爱利斯的“胶体理论”　认为水泥水化后，由水化硅酸钙凝胶填充水泥颗粒间的孔隙，不断致密而提高强度。③A.A巴依可夫的“溶解、结晶和胶化”理论此外列宾捷尔的“网状结构学说”。2021/7/27 3.2硅酸盐水泥早、中、晚三个时期1）早期　Ca(OH)2、钙矾石2）中期　C－S－H（长纤维状）、CH和钙矾石3）后期　C－S－H（短纤维状）讲述水化热的影响2021/7/27 3.2硅酸盐水泥4、影响硅酸盐水泥凝结硬化的主要因素1）熟料矿物组成的影响2）水泥细度的影响3）拌和水量的影响理论水量23%左右4）养护湿度、温度影响5）养护龄期的影响6）储存条件的影响2021/7/27 3.2硅酸盐水泥（四）硅酸盐水泥的技术性质1、不溶物Ⅰ型硅酸盐水泥　＜0.75%Ⅱ型硅酸盐水泥　＜1.5%2、氧化镁含量≤5%　Mg(OH)2体积膨胀1.5倍3、三氧化硫含量≤3.5%4、烧失量Ⅰ型硅酸盐水泥烧失量不超过3.0%Ⅱ型硅酸盐水泥烧失量不得超过3.5%2021/7/27 3.2硅酸盐水泥5、细度测定方法，①筛析法；②比表面积法标准　硅酸盐水泥细度比表面积不小于300m2/kg。普通水泥、矿渣、火山灰、粉煤灰　80um　筛余量不大于10%6、水泥净浆标准稠度稠度仪测定　经试锥沉入深度为28±2mm时标准稠度，此时用水量为标准用水量2021/7/27 3.2硅酸盐水泥7、凝结时间凝结时间是水泥从加水开始，到水泥浆失去可塑性所需的时间。初凝时间是从水泥加水到水泥浆开始失去塑性的时间。终凝时间是从水泥加水到水泥浆完全失去塑性的时间。凝结时间测定仪　初凝加水起　距底板0.5~1.0mm终凝加水起　1.0mm硅酸盐水泥初凝不早于45min，终凝时间不迟于390min普通水泥初凝不得早于45min，终凝时间不得迟于10h2021/7/27 3.2硅酸盐水泥8、安定性　影响体积安定性因素为：熟料中氧化镁含量，熟料中氧化钙含量，水泥中三氧化硫含量。（1）沸煮法（试饼法、雷氏法）（2）压蒸法　由于氧化镁引起安定性，膨胀率不超过0.5%为合格2021/7/27 3.2硅酸盐水泥9、强度水泥胶砂强度　水泥:砂:水＝1:3:0.5标准养护　达到规定龄期（3d、28d或3d、7d、28d）测定抗折和抗压强度标准养护　温度（20±3℃），相对湿度90%以上。（1）水泥标号　按规定龄期抗压强度和抗折强度来划分（2）水泥型号　普通型　、早强型（R），早强水泥3d抗压强度比普通水泥高10%~24%，表3.62021/7/27 表3.6硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥各龄期的强度值2021/7/27 3.2硅酸盐水泥10、碱按Na2O＋0.658K2O计算值来表示碱－骨料反应国家标准GB175－1999凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性不符后标准规定，废品2021/7/27 3.2硅酸盐水泥（六）硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥特性、应用1、特性硅酸盐水泥凝结硬化速度较快，耐冻性好和耐磨性好。2、应用可用于冬季施工、高强度和预应力工程，不宜与海水工程和耐热工程3、存储储存期三个月以内2021/7/27 3.2硅酸盐水泥（五）硅酸盐水泥石的腐蚀和防止1、水泥石的腐蚀1）溶析性侵蚀淡水侵蚀、溶出侵蚀或软水侵蚀Ca(OH)2溶解度25℃约1.3gCaO/L2）硫酸盐侵蚀2021/7/27 3.2硅酸盐水泥3）镁盐侵蚀4）一般酸侵蚀5）碳酸侵蚀6）强碱侵蚀原因：Ca(OH)2、水化铝酸钙2021/7/27 3.2硅酸盐水泥2、水泥石腐蚀的防止1）根据腐蚀环境特点，合理选用水泥品种2）提高水泥密实度　选择合理的配合比改善集料级配掺加外加剂（如减水剂）表面碳化处理3）敷设耐蚀保护层2021/7/27 3.2硅酸盐水泥二、　掺混合材水泥（一）水泥混合材料混合材料按其在混合水泥中的作用，可分为活性和非活性两类：1、活性混合材料它是一种矿物材料，磨成细粉，与石灰（或石和石膏）拌和在一起，加水后常温下能生成具有胶凝性的水化产物，并能在水中硬化。2021/7/27 3.2硅酸盐水泥粒化高炉矿渣CaO、MgO、SiO2、Al2O3、FeO火山灰质混合材料火山灰、凝灰岩、硅藻石、烧粘土、煤渣、煤矸石渣粉煤灰SiO2、Al2O3、Ca(OH)22021/7/27 3.2硅酸盐水泥2、非活性混合材料将磨细的石英砂、石灰石、粘土、慢冷矿渣及炉渣等掺入水泥中，与水泥不起或起微弱的化学作用（即无或有微弱的化学活性），仅起提高产量，降低水化热和改善新拌混凝土和易性等作用。3、窑灰（水泥回转窑）碳酸钙、脱水粘土、玻璃态物质2021/7/27 3.2硅酸盐水泥（二）掺混合材料的硅酸盐水泥硬化1、活性材料的水化Ca(OH)2、活性SiO2、活性Al2O3当石膏存在时，水化硫铝酸钙Ca(OH)2和石膏存在是活性材料潜在活性发挥的必要条件。Ca(OH)2碱性激发剂，石膏为硫酸盐激发剂2021/7/27 3.2硅酸盐水泥2、掺混合材料硅酸盐水泥第一次水化，水泥熟料水化，水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙和Ca(OH)2在Ca(OH)2激发下，开始第二次水化，生成水化硅酸钙为主的水化产物，消耗大量Ca(OH)2。2021/7/27 3.2硅酸盐水泥（三）矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥1、定义与组成1）矿渣硅酸盐水泥硅酸盐水泥熟料＋20%~70%粒化高炉矿渣＋石膏　代号P.S允许用石灰、窑灰、粉煤灰和火山灰代替，不得超过水泥重量的8%，同时粒化高炉矿渣不得小于20%。2021/7/27 3.2硅酸盐水泥矿渣水泥密度为2.8~3.1g/cm3，堆积密度为1000~1200kg/m3矿渣水泥水化，首先是水泥熟料水化，然后矿渣才能参加反应。矿渣水早期强度低，后期强度大。矿渣水泥干缩性大，保水性差。矿渣水泥具有较好的化学稳定性，如对酸性水和镁盐的侵蚀差。矿渣水泥水化热小。2021/7/27 3.2硅酸盐水泥2）火山灰质硅酸盐水泥水泥熟料＋20%~50%火山灰质混合料＋适量石膏　代号P.P火山灰水泥密度为2.8~3.1g/cm3，堆积密度为900~1000kg/m3火山灰水泥技术性质和矿渣水泥比较接近。熟料又含有较多的C3A，则其抗碳酸盐的能力较C3A含量少的普通水泥还差。2021/7/27 3.2硅酸盐水泥3）粉煤灰硅酸盐水泥水泥熟料＋20%~40%粉煤灰＋石膏　代号P.F粉煤灰水泥干缩性小，抗裂性好。2021/7/27 3.2硅酸盐水泥2、技术性质1）细度2）氧化镁　＜5.0%3）三氧化硫　矿渣<4.0%　火山灰、粉煤灰＜3.0%4）强度5）碱2021/7/27 3.2硅酸盐水泥3、特性与应用1）共性与应用（1）凝结硬化慢，早期强度低和后期强度增长快。（2）温度敏感性高，适宜高温湿热养护。（3）水化热低，适合大体积混凝工程。（4）耐腐蚀性能强。（5）抗冻性差。（6）抗碳化能力差。2021/7/27 3.2硅酸盐水泥2）三种水泥个别特性（1）矿渣硅酸盐水泥　抗渗性差，干燥收缩较大。（2）火山硅酸盐水泥　抗渗性和耐水性好，干燥收缩大。（3）粉煤灰硅酸盐水泥　干缩性小、抗渗性差。矿渣、火山灰、粉煤灰水泥标准，表3.7、表3.82021/7/27 表3.7硅酸盐系水泥的性能比较表2021/7/27 表3.8硅酸盐水泥的选用2021/7/27 3.2硅酸盐水泥（四）复合硅酸盐水泥2021/7/27 3.2硅酸盐水泥三、硅酸盐系特种水泥（一）道路硅酸盐水泥1、定义GB13693－2005《道路硅酸盐水泥》规定，由道路硅酸盐水泥熟料，适当石膏，可加入标准规定的混合材料，磨细制成的水硬性胶凝材料，称为道路硅酸盐水泥（简称道路水泥），代号P.R由道路硅酸盐水泥熟料，0~10%活性混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称道路硅酸盐水泥。对道路水泥的性能要求是耐磨性好、收缩小、抗冻性好、抗冲击性好，有高的抗折强度和良好的耐久性。2021/7/27 3.2硅酸盐水泥2、技术要求1）化学组成下列有害成分加以限制（1）氧化镁含量＜5.0%；（2）三氧化硫含量＜3.5%；（3）烧失量＜3.0%；（4）游离氧化钙含量＜1.0~1.8%；（5）碱含量＜0.6%2）矿物组成（1）铝酸三钙＜5.0%（2）铁铝酸四钙＞16.0%2021/7/27 3.2硅酸盐水泥3）物理力学性质：（1）细度　比表面积3000cm2/g~3200cm2/g，0.08mm方孔筛余宜控制在5%~10%（2）凝结时间　初凝不早于1h，终凝不得迟于10h（3）安定性　沸煮法合格（4）干缩性　28d干缩性不大于0.1%（5）耐磨性　磨耗量不大于3.00kg/m2（6）强度　325、425、5253、工程应用2021/7/27 3.2硅酸盐水泥（二）快硬硅酸盐水泥GB199－1990《快硬硅酸盐水泥》凡以硅酸盐水泥熟料和适当石膏磨细制成的，以3d抗压强度表示标号的水硬性胶凝材料。1、技术要求1）化学性质（1）氧化镁含量　熟料中氧化镁含量不得超过5.0%；（2）三氧化硫含量　不超过4.0%2021/7/27 3.2硅酸盐水泥2）物理力学性质（1）细度（2）凝结时间　初凝不早于45min，终凝不得迟于10h（3）安定性　以3d强度表示标号　325、375、4252、工程应用　紧急抢修工程、冬季施工工程，缺点，干缩率较大2021/7/27 3.2硅酸盐水泥四、高铝水泥1、铝酸盐水泥的原料与组成GB201~2000《铝酸盐水泥》以铝酸钙为主的铝酸盐水泥熟料，又称高铝水泥、矾土水泥，代号CA铝酸盐水泥的主要原料是矾土（铝土矿）和石灰石，矾土提供Al2O3，石灰石得供CaO。主要成分CaO、Al2O3、SiO2主要矿物成分铝酸一钙（CaO.Al2O3）,CA（40%~50%）、二铝酸一钙CaO.2Al2O3,CA2(20%~35%)、七铝酸十二钙C12A72021/7/27 3.2硅酸盐水泥2、铝酸盐水泥水化与硬化铝酸一钙当温度在＜20℃时CAH10当温度20℃~30℃时CAH10、C2AH82021/7/27 3.2硅酸盐水泥当温度＞30℃时C3AH6二铝酸钙的水化产物与铝酸钙相同2021/7/27 3.2硅酸盐水泥3、铝酸盐水泥性能与用途指标见表3.9（1）早强快硬（2）放热速率快（3）抗硫酸盐腐蚀性强（4）耐热性好（5）抗碱性差不宜用于长期承重结构及处于高温高湿环境工程。2021/7/27 表3.9铝酸盐水泥的细度、凝结时间、强度要求2021/7/27 3.2硅酸盐水泥五、硫铝酸盐水泥硫铝酸盐水泥具有早强、高强、抗冻、抗渗、耐蚀性和低碱性。1、硫铝酸盐水泥组成和水化原料：矾土、石灰石、石膏Al2O3CaO　　SO3二水石膏（CaSO4.2H2O）或硬石膏（CaSO4）硫铝酸盐水泥成分无水硫铝酸钙3CaO.3Al2O3.CaSO4硅酸二钙　　2CaO.SiO2含铁固溶体　4CaO.Al2O3.Fe2O36CaO.Al2O3.2Fe2O32021/7/27 3.2硅酸盐水泥水化2021/7/27 3.2硅酸盐水泥2、硫铝酸盐水泥特性与应用（1）水泥硬化快，早期强度高。（2）结构致密、干缩小、抗冻性抗渗性良好。（3）抗腐蚀性强（4）碱度低（5）耐热较差。（6）膨胀较大，易控制，可制成膨胀水泥和自应力水泥高早强要求工程1）快硬硫铝酸盐水泥2）膨胀硫铝酸盐水泥3）高铁硫铝酸盐水泥2021/7/27 感谢您的关注！2021/7/27