建筑材料-3[1]

第三章水泥水泥呈粉末状，与水混合后，经过物理化学反应过程能由可塑性浆体变成坚硬的石状体，并能将散粒状材料胶结成为整体，所以水泥是一种良好的矿物胶凝材料。就硬化条件而言，水泥浆体不但能在空气中硬化，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。水泥是最重要的建筑材料之一，应用广泛，不但大量应用于工业与民用建筑，还广泛应用于公路、铁路、水利、海港和国防等工程。是我们学习的重点。学习主线：水泥的生产过程——水泥的矿物组成——水泥石的侵蚀与防止——硅酸盐水泥的主要技术性质——合理选择应用硅酸盐类水泥第三章水泥我国建筑工程中目前常用的水泥主要有硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。在一些特殊工程中，还使用高铝水泥、膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥和耐硫酸盐水泥等。由于水泥的科学技术及生产不断发展，满足各种特殊性能要求的新品种水泥正在逐渐增多，例如膨胀硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥和膨胀硫铝政盐水泥等。水泥品种很多，但在工程中使用最多的是硅酸盐类水泥，所以，我们学习的重点是硅酸盐水泥和掺混合材料的硅酸盐水泥。§3-1硅酸盐水泥一、硅酸盐水泥的定义：水泥熟料+石膏少量掺料硅酸盐水泥硅酸盐水泥定义：凡由硅酸盐水泥熟料、05%石灰或粒化高炉矿渣、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）。硅酸盐水泥分两种类型，不掺加混合材料的称型硅酸盐水泥，其代号为P。在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥质量5%石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称型硅酸盐水泥，其代号为P。第三章水泥主要原料：（1）石灰质原料：提供CaO，有石灰石、贝壳、石灰质凝灰岩。（2）粘土质原料：提供SiO2·Al2O3，少量Fe2O3，有粘土、黄土、页岩、泥岩、粉砂岩、河泥等、（3）铁矿粉：提高Fe2O3的含量，有黄铁矿渣。另外还有少量的矿化剂（如萤石）改善煅烧条件。§3-1硅酸盐水泥二、硅酸盐水泥的原料及生产工艺第三章水泥§3-1硅酸盐水泥二、硅酸盐水泥的原料及生产工艺第三章水泥石灰质材料粘土质材料铁质材料水泥成品熟料石膏生料煅烧1450°C磨细磨细按比例混合生产工艺两磨一烧§3-1硅酸盐水泥二、硅酸盐水泥的原料及生产工艺第三章水泥水泥生料在窑内的烧成(煅烧)过程．虽方法各异，但都要经历干燥、预热、分解、熟料烧成以及冷却等几个阶段。在不同的阶段其反应大致如下：100一200℃左右，生料被加热，自由水逐渐蒸发而干燥。300一500C，生料被预热。500一800℃，粘土质原料脱水并分解为无定形的Al2O3和SiO2；在600℃以后，石灰质原料中的CaCO3开始少量分解成CaO和CO2。800℃左右，生成铝酸一钙，也可能有铁酸二钙及硅酸二钙开始形成。900—1100℃，铝酸三钙和铁铝酸四钙开始形成。900℃CaCO3进行大量分解,直至分解完毕。§3-1硅酸盐水泥二、硅酸盐水泥的原料及生产工艺第三章水泥1100—1200℃，大量形成铝酸三钙和铁铝酸四钙，硅酸二钙生成量最大。1300—1450℃，铝酸三钙和铁铝酸四钙呈熔融状态，产生的液相把CaO及部分硅酸二钙溶解于其中，在此液相中，硅酸二钙吸收CaO化合成硅酸三钙。这一过程是煅烧水泥的关键，必须有足够的时间，以保证水泥熟料的质量。烧成的水泥熟料经迅速冷却，即得到水泥熟料块。第三章水泥水泥熟料矿物组成：硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙3CaO.SiO22CaO.SiO23CaO.A12O34CaO.A12O3·Fe2O3C3SC2SC3AC4AF37~60%15~37%7~15%10~18%§3-1硅酸盐水泥在以上的主要熟料矿物中，硅酸三钙和硅酸二钙的总含量在70%以上，铝酸三钙与铁铝酸四钙的含量在25%左右，故称为硅酸盐水泥。除主要熟料矿物外，水泥中还含有少量游离氧化钙、游离氧化镁和碱，但其总含量一般不超过水泥量的10%。二、硅酸盐水泥的原料及生产工艺第三章水泥§3-1硅酸盐水泥三、硅酸盐水泥水化矿物名称硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙水化速度快慢最快快28天水化放热多少最多中强度高早期低，后期高低低各种矿物单独与水作用(水化)时的特性熟料矿物与水发生的水解或水化作用统称为水化，水泥单矿物与水发生水化反应，生成水化物，并放出一定的热量。第三章水泥§3-1硅酸盐水泥各种矿物单独与水作用(水化)时的特性硅酸三钙水水化硅酸钙氢氧化钙22222)(3336)3(2OHCaOHSiOCaOOHSiOCaO22222)(33234)2(2OHCaOHSiOCaOOHSiOCaO铁铝酸四钙水水化铝酸三钙水化铁酸钙OHOAlCaOOHOAlCaO2322326363OHOFeCaOOHOAlCaOOHOFeOAlCaO232232232326374铝酸三钙水化铝酸三钙硅酸二钙水水化硅酸钙氢氧化钙第三章水泥§3-1硅酸盐水泥各种矿物单独与水作用(水化)时的特性在有石膏存在时，水泥中的石膏也很快与水化铝酸钙反应生成难溶的水化硫铝酸钙针状结晶体，也称为钙矾石晶体，是难溶于水水的针状晶体，它包围在熟料颗粒周围，形成“保护膜”。延缓水化。OHCaSOOAlCaOOHOHOAlCaOOHCaSO243222322431331963)2(3当石膏耗尽时，铝酸三钙还会与钙矾石反应生成单硫型水化硫铝酸钙：第三章水泥四、硅酸盐水泥的凝结、硬化：水泥＋水（水泥浆）水泥浆失去塑性但无强度水泥石凝结过程硬化过程§3-1硅酸盐水泥凝结：水泥加水拌和后，成为可塑的水泥浆，水泥浆逐渐变稠失去塑性，但尚不具有强度的过程，称为水泥的“凝结”。硬化：随后产生明显的强度并逐渐发展而成为坚强的人造石－－水泥石，这一过程称为水泥的“硬化”。凝结和硬化是人为地划分的。实际上是一个连续的复杂的物理化学变化过程。第三章水泥四、硅酸盐水泥的凝结、硬化：§3-1硅酸盐水泥水化反应，一方面使水泥浆中起润滑作用的自由水分逐渐减少；另一方面，水化产物在溶液中很快达饱和或过饱和状态而不断析出，水泥颗粒表面的新生物厚度逐渐增大，使水泥浆中固体颗粒间的间距逐渐减小，越来越多的颗粒相互连接形成了骨架结构。此时，水泥浆便开始慢慢失去可塑性。随着水化产物的不断增加，水泥颗粒之间的毛细孔不断被填实，加之水化产物中的氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体不断贯穿于水化硅酸钙等凝胶体之中，逐渐形成了具有一定强度的水泥石，从而进入了硬化阶段。水化产物的进一步增加，水分的不断丧失，使水泥石的强度不断发展。第三章水泥四、硅酸盐水泥的凝结、硬化：§3-1硅酸盐水泥水泥凝结硬化的几个划分阶段凝结硬化阶段一般的放热反应速度一般的持续时间主要的物理化学变化初始反应期潜伏期凝结期硬化期168J／8·h4．2J／8·h在6h内逐渐增加到21J／g·h在24h内逐渐降低到4.2J／g·h5--10min1h6h6h至若干年初始溶解和水化凝胶体膜层围绕水泥颗粒成长·膜层增厚，水泥颗粒进一步水化凝胶体填充毛细孔注：初始反应期和潜伏期也可合称为诱导期。第三章水泥四、硅酸盐水泥的凝结、硬化：§3-1硅酸盐水泥水泥凝结硬化过程示意（a）分散在水中未水化的水泥颗粒b）在水泥颗粒表面形成水化物膜层（c）膜层长大并互相连接（凝结）d）水化物进一步发展，填充毛细孔(硬化)1—水泥颗粒2—水分3—凝胶4—晶体5—水泥颗粒的未水化内核6—毛细孔硬化后的水泥石包含有凝胶体、结晶体、未水化的水泥内核、水和孔隙。硅酸盐水泥凝结硬化的特点：1）是由表及里进行的。2）水分和温度是硅酸盐水泥的凝结硬化的必要条件。第三章水泥四、硅酸盐水泥的凝结、硬化：§3-1硅酸盐水泥影响水泥凝结硬化的因素水泥的凝结硬化过程，也就是水泥强度发展的过程。为了正确使用水泥，并能在生产中采取有效措施，调节水泥的性能．必须了解水泥水化硬化的影响因素。矿物成分细度用水量养护时间环境的温、湿度石膏掺量等。2、标准稠度3、凝结时间4、体积安定性5、强度细度细度是指水泥颗粒的粗细程度，水泥颗粒粒径一般在0.007—0.2mm范围内。测定方法筛析法（80m的方孔筛）和比表面积法（单位质量的粉末所具有的总表面积）《硅酸盐、普通硅酸盐水泥》（GB175—1999）规定：硅酸盐水泥比表面积应大于300㎡/kg。碱含量标准稠度3、凝结时间4、体积安定性5、强度1、细度标准稠度需水量：为了使水泥凝结时间、体积安定性等的测定具有准确的可比性，按国家标准规定，用标准稠度仪测定水泥净浆达到标准稠度时的用水量。碱含量2、标准稠度凝结时间4、体积安定性5、强度1、细度初凝：加水拌和到标稠，净浆开始失去可塑性所需的时间。终凝：加水拌和到标稠，净浆完全失去可塑性，并产生强度所需的时间。GB规定：初凝不小于45min，终凝不迟于390min。初凝不合格者为废品，终凝不合格者为不合格品。碱含量2、标准稠度3、凝结时间体积安定性5、强度1、细度体积安定性：水泥浆在硬化过程中，体积变化的均匀性能。原因：1）熟料中f-CaO，f-MgO过多，f-CaO，f-MgO过烧，结构致密，熟化慢，硬化后，才熟化，体积膨胀开裂。2）石膏过量，硬化后，仍有CaSO4存在，则CA、水化铝酸钙与之反应，形成钙矾石，膨胀开裂。测定方法：沸煮法、雷氏法。规定:f-MgO≯5%SO3≯3.5%体积安定性不良的水泥应作废品处理碱含量标准稠度3、凝结时间体积安定性强度细度GB规定：用水泥胶砂强度测定。试件标准尺寸:4040160mm水泥:中国ISO标准砂:水=1:3:0.5按照测定结果，将硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个强度等级。碱含量硅酸盐水泥各龄期的强度要求(GB175—1999)3d28d3d28d42.51742.53.56.542.5R2242.546.552.52352.54752.5R2752.55762.52862.55862.5R3262.55.58强度等级抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）注：表中Ｒ表示早强型，其它为普通型。2、标准稠度3、凝结时间4、体积安定性5、强度1、细度水泥中含有较多的强碱物Na2O或K2O时，容易发生不良反应（碱－骨料反应），对结构造成危害。国家标准规定，水泥中的含碱量不得大于0.6%。碱含量1—3d龄期内水化放热量为总放热量的50%，7d为75%，6个月为83—91%。水化热第三章水泥§3-1硅酸盐水泥六、环境对硅酸盐水泥的侵蚀水泥石被侵蚀的原因：水泥石为多孔结构水泥石含有Ca（OH）2和C3AH61、溶出性侵蚀：Ca（OH）2溶出并促使其他水化产物分解2、硫酸盐侵蚀：硫酸盐与C3AH6反应生成体积增大的水化硫铝酸钙（俗称“水泥杆菌”），对硬化的水泥石破坏极大。3、交换侵蚀此外，有些其它物质也能腐蚀水泥石，如糖类、脂肪等。4、防止侵蚀的措施：（1）选择水泥品种（2）提高混凝土的密实度（3）设置防护层镁盐侵蚀碳酸侵蚀一般酸侵蚀强碱侵蚀第三章水泥§3-1硅酸盐水泥硅酸盐水泥的特点：1、硬化快，强度高。适用于早期强度要求高、凝结快、冬季施工的工程。2、水化热大。不宜用于大体积混凝土工程。3、耐冻性好。宜用于严寒地区遭受反复冻融的工程。4、耐侵蚀性与耐软水侵蚀性差。5、耐热性差。建筑材料讲稿第三章水泥§3-2掺混合材料的硅酸盐水泥四种水泥与硅酸盐水泥比较的结果1、普通水泥与硅酸盐水泥比较基本相似，但强度有所降低，耐腐蚀性有所提高2、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥与硅酸盐水泥比较共性：水化热小早期强度低，后期强度较高耐腐蚀性强抗冻性差抗碳化性差特性：矿渣水泥（耐热）火山灰水泥（抗渗性好）粉煤灰水泥（干缩性较小）在生产水泥时，为改善水泥性能，调节水泥的标号，而加到水泥中去的天然的和人工的矿物材料。第三章水泥§3-2掺混合材料的硅酸盐水泥活性混合材料非活性混合材料混合材料磨成细粉，与石灰或与石灰和石膏拌合在一起，并加水后，在常温下，能生成具有胶凝性的水化产物，既能在水中，又能在空气中硬化的，称为活性混合材料