水泥与石灰

第四章水泥与石灰概述胶凝材料有机胶凝材料无机胶凝材料气硬性胶凝材料水硬性胶凝材料胶凝材料：在建筑工程中，能以自身的物理化学作用将松散材料(如砂、石)胶结合成为具有一定强度的整体结构的材料，统称为胶凝材料。作用：散粒材料（砂、石）块状材料（砖、石块）胶结整体气硬性胶凝材料：只能在空气中硬化、保持或继续提高强度的胶凝材料。水硬性胶凝材料如各种水泥，则不仅能在空气中硬化、而且能更好的在水中硬化，且可在水中或适宜的环境中保持并继续提高速度。★★第一节硅酸盐水泥组成及生产工艺道路建筑材料·水泥1.基本概念•水泥是一种多级分的人造矿物粉料，与水拌和后成为塑性胶体，即能在空气中硬化，也能在水中硬化，并能将砂石等材料结合成具有一定强度的整体，水泥是水硬性胶凝材料。道路建筑材料·水泥常用的水泥主要有：硅酸盐水泥P普通硅酸盐水泥P.O矿渣硅酸盐水泥P.S火山灰质硅酸盐水泥P.P粉煤灰硅酸盐水泥P.F复合硅酸盐水泥P.C★2.生产工艺概述水泥石灰石(Cao)粘土(Al2O3、Fe2O3、SiO2)辅料生料熟料石膏混合磨细磨细煅烧2.生产工艺概述把几种原材料按适当比例配合在磨机中磨成生料；将制备好的生料入窑进行煅烧，至１４５０℃左右生成以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥“熟料”；为调节水泥的凝结速度，在烧成的熟料中加入质量３％左右的石膏共同磨细，即为硅酸盐水泥。因此，硅酸盐水泥生产工艺概括起来为“两磨一烧”。道路建筑材料·水泥3.熟料的矿物组成3CaO.SiO2（简写）C3S2CaO.SiO2（简写）C2S3CaO.Al2O3（简写）C3A4CaO.Al2O3.Fe2O3（简写）C4AF道路建筑材料·水泥4.硅酸盐水泥矿物组成与反应特性矿物组成C3SC2SC3AC4AF与水反应速度中慢快中水化热多少最多中早期强度高低低低后期强度高高低低耐化学侵蚀中良差优干缩性中小大小大致含量35~6510~400~155~15道路建筑材料·水泥★矿物组成水泥性能应用C3S高强结构工程C3SC3AC2S水化热低大体积混凝土C3SC3A快硬高强抢修工程C4AFC3A干缩性小道路水泥水泥加水拌合后，水泥颗粒表面的矿物溶解于水并与水发生水化反应，最初形成具有可塑性的浆体，随着水化反应的进行，水泥浆体逐渐变稠失去可塑性，这一过程称为水泥的凝结。随着水泥水化反应的进行，凝结的水泥浆体开始产生强度，并逐渐发展成为坚硬的水泥石，这一过程称为硬化。第二节硅酸盐水泥的水化硬化过程1、水泥的水化•水泥遇水后，发生下列水化反应：1）C3S3CaOSiO2+nH2OxCaOSiO2yH2O+(3-x)Ca(OH)22)C2S2CaOSiO2+mH2OxCaOSiO2yH2O+(2-x)Ca(OH)23)C3A3CaOAl2O3+6H2O→3CaOAl2O36H2O水化铝酸钙在石膏激发下，发生水化反应3CaOAl2O3+3CaSO42H2O+26H2O→3CaOAl2O33CaSO432H2O水化硫铝酸钙、AFt、钙矾石•4）C4AF•4CaOAl2O3Fe2O37H2O→CaOAl2O36H2O+CaOFe2O3H2O•石膏存在的情况下，继续反应•4CaOAl2O3Fe2O3+3CaSO42H2O+26H2O•3CaO(Al2O3Fe2O3)3CaSO432H2O•三硫型水化铁铝酸钙•无论是C3A还是C4AF，在水泥中石膏消耗完毕后，水泥中尚未消化的C3A或C4AF将与其三硫型水化物反应，生成单硫化物：•3CaOAl2O33CaSO432H2O+2[3CaOAl2O3]+4H2O3[3CaOAl2O3CaSO412H2O]AFm•单硫型水化硫铝酸钙•3CaO(Al2O3Fe2O3)3CaSO432H2O+4CaOAl2O3Fe2O3+nH2O•3CaO(Al2O3Fe2O3)CaSO412H2O•因此，水泥水化后，其主要水化物有六种，列于下表：硅酸盐水泥水化产物的化学组成序号水化产物名称化学组成常用缩写含量1水化硅酸钙xCaOSiO2yH2OC-S-H70%2氢氧化钙Ca(OH)2CH20%3三硫型水化硫铝酸钙（钙矾石）3CaO(Al2O3Fe2O3)3CaSO432H2OC3A3CSH327%4单硫型水化硫铝酸钙（单硫盐）CaO(Al2O3Fe2O3)CaSO412H2OC3A3CSH125三硫型水化铁铝酸钙3CaOAl2O33CaSO412H2OC3（AF）3CSH32小于3%6单硫型水化铁铝酸钙3CaOAl2O3CaSO412H2OC3（AF）CSH122.水泥浆体的凝结和硬化影响因素：温度、湿度、养护时间2.水泥浆体的凝结和硬化水泥加入适量水调成水泥浆后，经过一段时间因本身物理变化会逐渐变稠，失去塑性，这一过程称为初凝，开始具有强度称为终凝。由初凝到终凝的过程称为水泥的凝结，终凝以后强度逐渐提高，并形成人造石，这称“硬化”。道路建筑材料·水泥3、水泥石的腐蚀（1）氢氧化钙的溶失1）溶析性侵蚀（淡水侵蚀）2）镁盐侵蚀（海水、地下水、矿泉水）3）碳酸侵蚀（工业污水）（2）硫酸盐侵蚀（3）防止措施水泥组成、密实度、保护层★第三节通用硅酸盐水泥技术标准★1、凝结时间(1)定义：标准试针沉入标准稠度水泥净浆至一定深度所需时间(2)分类初凝试针沉入距底板：4mm±1mm终凝试针沉入试样：0.5mm(3)影响因素矿物组成、细度、加水量、环境温湿度(4)规定对硅酸盐水泥，其初凝不早于45min的，终凝不迟过6.5h（390min）对普通硅酸盐水泥，其初凝不早于45min的，终凝不迟过10h水泥标准稠度及凝结时间测定仪•水泥标准稠度：指水泥净浆对标准试杆的沉入具有一定阻力时的稠度。（以标准试杆沉入净浆，并距离底板6mm±1mm时的水泥净浆为标准稠度净浆，其拌合用水为该水泥标准稠度用水量）2、细度（1）概念水泥颗粒的粗细程度（2）意义：细度↑→水化快、充分→强度↑（3）检测方法筛析法、比表面积法（4）规定硅酸盐水化比表面积大于300m2/kg，其它几种水泥在80方孔筛筛余不大于10%3、体积安定性（1）定义水泥硬化后体积变化的均匀性（2）不安定的危害产生膨胀性裂缝，造成水泥混凝土性能降低（3）实例德国卡斯尔城市政厅、上海锦普大厦11-14层（4）主要原因及控制方法不安定的原因膨胀检测控制方法游离氧化钙沸煮沸煮膨胀值≤5mm游离氧化镁蒸压含量≤5.0%三氧化硫长期浸水含量≤3.5%4、强度（1）概念水泥胶结能力的体现（2）强度检验固定的灰砂比（1:3）和水灰比（0.5）规定试件尺寸（40*40*160）水养护温度（20±10C）(3)强度等级以3d、28d抗压强度和抗折强度评定（4）强度影响因素矿物组成、细度、温湿度、龄期5、水化热（1）概念水泥水化反应产生热量（2）利弊有利于冬季施工；易造成大体积混凝土开裂（3）影响因素矿物组成、细度（4）改善水化热的品种中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥6、碱含量（1）概念水泥中Na2O和K2O的含量（2）危害：碱与活性骨料反应，使混凝土开裂（3）低碱水泥：碱含量＜0.6%7、产品质量评定硅酸盐水泥的特性及应用1、凝结硬化快，强度高，尤其早期强度高适宜快硬、高强、抗渗、耐磨混凝土、冬季施工2、水化热大不宜大体积混凝土3、耐腐蚀性差不宜海工混凝土4、抗冻性好，干缩小适宜严寒地区5、耐热性差不宜高温环境6、抗碳化性能好适宜CO2浓度高的工业区什么是水泥的碳化？•空气中CO2气体渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化，又称作中性化。•水泥中的碱性介质（Ca(OH)2）对钢筋有良好的保护作用，使钢筋表面生成难溶的Fe2O3和Fe3O4，称为钝化膜（碱性氧化膜）。碳化后使混凝土的碱度降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈。石灰道路建筑材料·水泥一、原料与生产原料：石灰石、白垩、贝壳（CaCO3）生产：CaCO3CaO+CO2↑分类：钙质生石灰——MgO≤5%镁质生石灰——MgO＞5%9000C“欠火石灰”颜色发青，内部有未烧透的内核，使用时不能完全消化，有效氧化钙和氧化镁含量低，缺乏粘结力；“过火石灰”表面出现裂缝或玻璃状的外壳，体积收缩明显，颜色呈灰黑色，块体密度大，消化缓慢，用于建筑结构物中仍能继续消化，以致引起体积膨胀，导致产生裂缝等破坏现象，危害极大。二、石灰熟化与硬化1、熟化（消化）过烧石灰危害：熟化缓慢，浆体硬化后仍在硬化，体积膨胀，导致硬化浆体开裂。消除危害方法：“陈伏”两星期★2、石灰硬化CO2+H2O(空气中)CaCO3结晶析出★三、石灰的特性•（1）可塑性好。在水泥砂浆中掺入石灰膏，配成混合砂浆，可显著提高砂浆的和易性。•（2）硬化较慢、强度低。•（3）耐水性差。受潮后石灰中的氧化钙及氢氧化钙会溶解，强度更低，在水中还会溃散。所以，石灰不宜在潮湿的环境中使用，也不宜单独用于建筑物的基础。•（4）硬化时体积收缩大。除调成石灰乳作粉刷外，不宜单独使用，工程上通常要掺入砂、纸筋、麻刀等材料以减小收缩，并节约石灰。•（5）生石灰吸湿性强。储存生石灰不仅要防止受潮，而且也不宜储存过久。★1.石灰的应用1）石灰砂浆主要用于地面以上部分的砌筑工程，并可用于抹面等装饰工程。2）加固软土地基，在软土地基中打入生石灰桩，可利用生石灰吸水产生膨胀对桩周土壤起挤密作用，利用生石灰和粘土矿物间产生的胶凝反应使周围的土固结，从而达到提高地基承载力的目的。。四、石灰石的应用和储存3）石灰和粘土按一定比例拌和制成石灰土或与粘土、砂石、炉渣制成三合土，用于道路工程的垫层。4）在道路工程中，随着半刚性基层在高等级路面中的应用，石灰稳定土、石灰粉煤灰稳定土及其稳定碎石等广泛用于路面基层。2.石灰的储存1）磨细的生石灰粉应储存于干燥仓库内，采取严格防水措施。2）如需较长时间储存生石灰，最好将其消解成石灰浆，并使表面隔绝空气，以防碳化。