道路工程材料 第二章 石灰、水泥、稳定土

项目二石灰、水泥、稳定土胶凝材料浆体石状体散粒、块状的材料胶凝材料的分类气硬性胶凝材料：石灰、石膏无机胶凝材料水硬性胶凝材料：水泥有机胶凝材料:沥青、树脂1.石灰内容提要石灰的生产工艺石灰的分类生石灰的熟化熟石灰的硬化石灰的技术要求和技术标准石灰的应用和贮存学习重点：过火石灰的危害和消除方法生石灰的熟化特点和熟石灰的硬化特点石灰的应用一、生产工艺（建筑生石灰的生产）1、原料2、过程3、生产中存在的问题1、原料：以碳酸钙为主要成分的岩石、矿物：石灰岩、白垩、白云质石灰石、贝壳等。CaCO3少量的MgCO3SiO2Al2O3化工副产品原料：石灰石白云质石灰石白垩贝壳2、生产过程：石灰窑＞900℃CaCO3CaO+CO2↑（块状生石灰）（疏松多孔）土窑立窑河北省唐山丰南石源冶金炉料公司2002年5月建成投产日产480吨的节能型石灰立窑竖窑唐山三丰集团2003年10月建成投产4×140m3气烧石灰竖窑3、生产中存在的问题(煅烧不良）①欠火石灰：原因：尺寸大、温度较低、温度不均匀、时间短、碳酸钙没有完全分解。特点：（颜色发青、密度大），但对工程无害，质量不好，有效成分低。②过火石灰原因：温度过高，时间过长特点：颜色发黑、体积收缩、结构密实、消化慢、对工程有害。过火石灰的危害和消除方法:过火石灰结构致密--------孔少---------与水反应速度慢--------用到工程中继续熟化---------体积膨胀---------使已经凝结硬化的砂浆开裂或隆起.注意：欠火石灰和过火石灰都是不合格品消除方法:陈伏法③正火石灰二、石灰的分类1、根据加工方法不同分块状生石灰生石灰粉消石灰粉石灰浆2、按化学成分分（MgO含量)表2-1生石灰、生石灰粉以5%为界，消石灰粉以4%为界。三、(生)石灰的熟化（消化）CaO+H2O→Ca(OH)2+64.9KJ(熟石灰、消石灰)1.熟化特点（1）放热；（2）体积膨胀：1~2.5倍2.熟化方法（1）淋灰法——消石灰粉（2）陈伏法——熟石灰膏石灰陈伏示意图石灰浆要陈伏半个月左右再使用。四、熟石灰的硬化1.硬化过程两个同时进行的过程(结晶过程、碳化过程）1）结晶过程：（物理过程）石灰浆：Ca(OH)2+H2O析晶蒸发(吸收)2）碳化过程：（化学过程）Ca(OH)2+CO2+nH2O=CaCO3+(n+1)H2O水不能去掉！硬化过程慢！碳化只处于表层，以结晶硬化为主！问题：熟石灰硬化后的成分？少量的碳酸钙，大量的氢氧化钙CaCO3Ca(OH)22.硬化特点1）硬化收缩大，易产生裂缝；2）硬化慢、强度低？五、石灰的技术要求和技术标准1、技术要求⑴有效氧化钙和氧化镁含量——主要指标⑵生石灰产浆量和未消化残渣的含量⑶二氧化碳的含量CaCO3CaO+CO2↑反映没有分解的碳酸盐的含量⑷消石灰游离水含量（消石灰粉）水（结合水、蒸发、残留）⑸细度0.9mm和0.125mm筛2、技术标准根据其各项技术指标分为优等品、一等品及合格品。表2-2生石灰技术指标(JC/T479-92)钙质生石灰镁质生石灰项目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圆孔筛筛余量)/%,不大于5101551015CO2/％，不大于5796810产浆量/(L/kg),不小于2.82.32.02.82.32.0表2-3生石灰粉的技术指标(JC/T480-92)钙质生石灰粉镁质生石灰粉项目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858075807570CO2／％，不大于7911810120.9mm筛筛余（%）0.20.51.50.20.51.5细度0.125mm筛筛余（%）7.012.018.07.012.018.0钙质消石灰粉镁质消石灰粉白云石消石灰粉项目优等品一等品合格品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706560656055656055游离水/％0.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～2体积安定性合格合格-合格合格-合格合格-0.9mm筛/％不大于000.5--0.5000.5细度0.125mm筛筛余，不大于31015-101531015表2-4消石灰粉的技术指标六、石灰的应用和贮存⑴、石灰砂浆⑵、加固软土地基1、石灰的应用⑶、石灰配制石灰土或三合土(作垫层)灰土：石灰+粘土2：83：7三合土：石灰+粘土+砂（碎石、砖…）强度高、密实度大、耐水性好。⑷、制成稳定土材料（石灰稳定土、石灰粉煤灰稳定土）——基层2、石灰的贮存生石灰粉要储存在干燥的仓库中，注意防潮、防水。如需较长时间贮存生石灰，最好将其消解成石灰浆，并使表面隔绝空气，以防碳化。总结石灰的生产工艺——生石灰的消化和熟石灰的硬化——石灰的技术要求、技术标准——石灰的应用和贮存作业课后思考题1、2石灰三角CaCO3碳酸鈣.石灰石Ca(OH)2氢氧化钙.熟石灰加高溫加CO2加水CaO氧化鈣.(生)石灰2.水泥水泥发展史水泥分类：（1）按矿物组成，水泥可分为：硅酸盐系列、铝酸盐系列、硫酸盐系列、铁铝酸盐系列、氟铝酸盐系列等。（2）按用途和特性可分为：通用水泥：目前建筑工程中常用七大水泥：P•Ⅰ、P•Ⅱ、P•O、P•S、P•P、P•F（粉煤灰）、P•C、P•L（石灰石）。专用水泥：专门用途水泥、低热水泥、道路水泥等。特性水泥：有比较特殊性能水泥：如快硬硅酸盐水泥，抗硫酸水泥，膨胀水泥等。一、硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料、０～５％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）。硅酸盐水泥在国际上分为两种类型：不掺混合材的称I型硅酸盐水泥，其代号为P.I；在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺入不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称II型硅酸盐水泥，其代号为Ｐ.II。一.硅酸盐水泥的生产生产硅酸盐水泥的原料，主要是石灰质和粘土质两类原料。为了补充铁质及改善煅烧条件，还可加入适量铁粉、萤石等。生产水泥的基本工序可以概括为：“两磨一烧”：先将原材料破碎并按其化学成分配料后，在球磨机中研磨为生料。然后入窑锻烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的水泥熟料，配以适量的石膏及混合材料在球磨机中研磨至一定细度，即得到硅酸盐水泥。•二.硅酸盐水泥熟料的矿物组成及特性•硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成为:•（ｌ）硅酸三钙•硅酸三钙的化学成分为•３ＣaＯ·ＳiＯ2，其简写为Ｃ3S。它是硅酸盐水泥熟料中最主要的矿物成分，约占水泥熟料总量的45％～60％。硅酸三钙遇水后能够很快与水产生水化反应，并产生较多的水化热。它对促进水泥的凝结硬化，特别是对水泥３～７天内的早期强度以及后期强度都起主要作用。•２）硅酸二钙•硅酸二钙的化学成分为•2ＣaＯ·ＳiＯ2，其简写为C2S，约占水泥熟料总量的15％～30％。硅酸二钙遇水后反应较慢，水化热也较低。它不影响水泥的凝结，对水泥的后期强度起主要作用。•（３）铝酸三钙•铝酸三钙的化学成分是３CaO·Al2O3，其简写为C3Ａ，约占水泥熟料总量的6％～12％。铝酸三钙遇水后反应极快，产生的热量大而且很集中。铝酸三钙对水泥的凝结起主导作用，但其水化产物强度较低，主要对水泥的早期强度有所贡献。•（４）铁铝酸四钙•铁铝酸四钙的化学成分为:４CaO·Al2O3·Fe2O3，其简写为Ｃ4AF，约占水泥熟料总量的6％～8％。铁铝酸四钙遇水时水化反应也很快，水化热较低，水化产物的强度不高，对水泥石的抗压强度贡献不大，主要对抗折强度贡献较大。矿物组成中，Ｃ3S和C2S总含量大约占75%以上,C3Ａ和Ｃ4AF约占25％左右。硅酸盐占绝大部分，故名硅酸盐水泥。水泥熟料是以上四种矿物的混合物，其中每种矿物单独水化都具有一定的特点。如果改变熟料中矿物成分的比例，水泥的性质也将随着改变。C3SC2SC3AC4AF凝结硬化速度快小最快中强度早期强度高后期强度高对早期强度贡献中水化热大最小最大中抗腐蚀小稍大最小中干缩中小大小思考题：1、甲、乙厂水泥的特点或差异C3SC2SC3AC4AF甲5628106乙4142862、制备早强、低水化热水泥时，矿物成分的调整•3.硅酸盐水泥的水化•硅酸盐水泥遇水后，水泥中的各种矿物成分会很快发生水化反应，生成各种水化物。硅酸三钙水水化硅酸钙氢氧化钙22222)(3336)3(2OHCaOHSiOCaOOHSiOCaO22222)(33234)2(2OHCaOHSiOCaOOHSiOCaO硅酸二钙水水化硅酸钙氢氧化钙铝酸三钙水水化铝酸三钙铁铝酸四钙水水化铝酸三钙水化铁酸钙OHOAlCaOOHOAlCaO2322326363OHOFeCaOOHOAlCaOOHOFeOAlCaO232232232326374•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：水化硫铝酸钙（钙矾石）•经过上述水化反应后，水泥浆中不断增加的水化产物主要有：水化硅酸钙(50%)、氢氧化钙(25%)、水化铝酸钙、水化铁酸钙及水化硫铝酸钙等新生矿物。OHCaSOOAlCaOOHOHOAlCaOOHCaSO243222322431331963)2(3•4.硅酸盐水泥的凝结和硬化•水泥加水拌合后的剧烈水化反应，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，表现为水泥的初凝。由于铝酸三钙水化极快，会使水泥很快凝结，为使工程使用时有足够的操作时间，水泥中加入了适量的石膏。水泥加入石膏后，一旦铝酸三钙开始水化，石膏会与水化铝酸三钙反应生成针状的钙矾石。钙矾石很难溶解于水，可以形成一层保护膜覆盖在水泥颗粒的表面，从而阻碍了铝酸三钙的水化，阻止了水泥颗粒表面水化产物的向外扩散，降低了水泥的水化速度，使水泥的初凝时间得以延缓。当掺入水泥的石膏消耗殆尽时，水泥颗粒表面的钙矾石覆盖层一旦被水泥水化物的积聚物所胀破，铝酸三钙等矿物的再次快速水化得以继续进行，水泥颗粒间逐渐相互靠近，直至连接形成骨架。水泥浆的塑性逐渐消失，直到终凝。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。•随着水泥水化的不断进行，水泥浆结构内部孔隙不断被新生水化物填充和加固的过程，称为水泥的“凝结”。随后产生明显的强度并逐渐变成坚硬的人造石——水泥石，这一过程称为水泥的“硬化”。•实际上，水泥的水化过程很慢，较粗水泥颗粒的内部很难完全水化。因此，硬化后的水泥石是由晶体、胶体、未完全水化颗粒、游离水及气孔等组成的不均质体。•5.影响水泥凝结硬化的主要因素•（１）孰料矿物组成•不同矿物成分和水起反应时所表现出来的特点是不同的，如C3A水化速率最快，放热量最大而强度不高；C2S水化速率最慢，放热量最少，早期强度低，后期强度增长迅速等。因此，改变水泥的矿物组成，其凝结硬化情况将产生明显变化。水泥的矿物组成是影响水泥凝结硬化的最重要的因素.•（２）水泥浆的水灰比•水泥浆的水灰比是指水泥浆中水与水泥的质量之比。当水泥浆中加水较多时，水灰比较大，此时水泥的初期水化反应得以充分进行；但是水泥颗粒间原来被水隔开的距离较远，颗粒间相互连接形成骨架结构所需的凝结时间长，所以水泥浆凝结较慢。•水泥浆的水灰比较大时，多余的水分蒸发后形成的孔隙较多,造成水泥石的强度较低，因此水泥浆的水灰比过大时，会明显降低水泥石的强度。•（3）石膏掺量•石膏起缓凝作用的机理可解释为：水泥水化时，石膏能很快与铝酸三钙作用生成水化