第3章无机胶凝材料2

第3章无机胶凝材料（硅酸盐水泥）主讲：徐锋建筑材料本节内容3.2硅酸盐水泥3.2.1硅酸盐水泥的生产及矿物组成3.2.2硅酸盐水泥的水化及凝结硬化3.2.3硅酸盐水泥的技术性质3.2.4水泥石的腐蚀与防止3.2.5硅酸盐水泥的应用与存放3.3掺混合材料的硅酸盐水泥3.3.1水泥混合材料3.3.2普通硅酸盐水泥3.3.3矿渣硅酸盐水泥3.3.4火山灰质硅酸盐水泥3.3.5粉煤灰硅酸盐水泥3.3.6复合硅酸盐水泥⑴熟悉硅酸盐水泥的矿物组成，了解其硬化机理；⑵熟练掌握硅酸盐水泥等几种通用水泥的性能特点，相应的检测方法及选用原则。教学目标概述•什么是硅酸盐水泥？是由硅酸盐水泥熟料、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。•水泥的种类有哪些？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（四种）特性硅酸盐水泥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。作为主要的建筑材料，水泥产量变化客观反映了建筑业的发展。在过去的100年中，中国的建筑业以惊人的速度发展，特别是近二十年来更是盛况空前，从表1中水泥产量的变化中可以得到充分证明。我国水泥工业发展现状年19081949196219781990200320052006产量0.010.666.0065.2421082310691236我国水泥产量(106t)达到世界水泥总量的50％新型干法产量所占比例超过50％020040060080010001200140019081949196219781990200320052006年水泥产量106t3.2.1硅酸盐水泥的生产及矿物组成•原料：粘土质：粘土，(提供SiO2、Al2O3)，占1/3石灰质：石灰石、白垩等，(提供CaO)，占2/3调节原料：铁矿与砂，调节与补充Fe2O3与SiO2•制造工艺：原料经粉磨混合后得到水泥生料生料经窑内煅烧得到水泥熟料水泥熟料＋石膏(或再＋混合材）一起经粉磨混合后得到水泥“两磨一烧”硅质(粘土)钙质(石灰石)1450℃调节原料石膏水泥生料熟料混合材水泥制造的“两磨一烧”工艺流程粉磨煅烧粉磨预热器＋回转窑水泥制造厂全貌水泥的制造工艺全貌水泥生料煅烧回转窑回转窑尾1450~1500C矿物名称英文名称缩写分子式矿物式硅酸三钙AliteC3SCa3SiO53CaO·SiO2硅酸二钙BeliteC2SCa2SiO42CaO·SiO2铝酸三钙AluminateC3ACa3Al2O63CaO·Al2O3铁铝酸四钙FerriteC4AFCa2(Al,Fe)2O54CaO·Al2O3·Fe2O3含量(mass%)37~6015~377~1510~18二、硅酸盐水泥熟料的矿物组成0102030405060C3SC2SC3AC4AF低高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硅酸盐水泥的品种及矿物含量C3S48653142C2S24114034C3A138122C4AF991215特点：普通早强低热抗硫酸盐ABCDCaO66676464SiO221212223Al2O37574Fe2O33345f-CaO1111SO32222某大体积的混凝土工程，浇注两周后拆模，发现挡墙有多道贯穿型的纵向裂缝。该工程使用某立窑水泥厂生产42.5Ⅱ型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下：C3S61％C2S14％C3A14％C4AF11％案例分析分析答案需学习与掌握的内容：•化学过程——水泥熟料矿物的水化反应•石膏的作用•物理过程——水泥浆的凝结硬化•硬化水泥浆的组成与结构•水泥浆凝结硬化的影响因素3.2.2硅酸盐水泥的水化及凝结硬化硅酸钙C3S与C2S的水化•硅酸钙水化生成水化硅酸钙C3S2H3—C-S-H凝胶和Ca(OH)2—羟钙石，并放出热：硅酸三钙：2C3S+6HC3S2H3+3CH+120cal/g硅酸二钙：2C2S+4HC3S2H3+CH+62cal/g(C-S-H)+羟钙石•特征：C3S反应速度比C2S快，其放热量比C2S大。水化度％水化时间（天）一、水化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物的特征硅酸钙的水化产物——C-S-H与Ca(OH)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+6H2O[C2AH8+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CaSO42H2O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因！这一发明是硅酸盐水泥发展史上的一个里程碑。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+3CŜ·H2+26HC3A·3CŜ3·H31+300cal/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+C3A·3CŜ3·H32+4HC3A·CŜ3·H12(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：钙钒石的形成反应(1)速度比纯C3A的反应(3)慢；在水泥颗粒表面析出钙矾石晶体构成阻碍层，延缓了水泥颗粒的水化，避免闪凝或假凝。•硅酸钙的水化2C3S+6HC3S2H3+3CH+120cal/g2C2S+4HC3S2H3+CH+62cal/gC-S-H+羟钙石•铝酸钙的水化C3A+18H2OC2AH8+C4AH13C3A+3CŜ·H2+26HC3A·3CŜ3·H32+300cal/g（钙钒石）C3A+C3A·3CŜ3·H32+4HC3A·CŜ3·H12•铁铝酸钙的水化C4AF+13HC4(A,F)H13C4AF+3CŜ·H2+26HC3(A,F)·3CŜ3·H32C4AF+CŜ·H2+26HC3(A,F)·CŜ3·H12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。水泥水溶解沉淀水泥浆的凝结硬化过程扩散二、水泥浆的凝结硬化——物理过程单一水泥颗粒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晶体水泥颗粒水硅酸盐水泥水化物理过程模型水泥水化物膜层水泥浆中氢氧化钙的生长3天7天28天365天硬化水泥浆体—水泥石的微结构•水泥浆体凝结硬化后形成的固体称为水泥石•水泥石微结构特点多物相固体颗粒堆聚的多孔结构体；各种物相分布不均；各种物相的尺寸不等，形貌不一。由水化物(胶体和晶体)颗粒、未水化的水泥颗粒内核相互聚集形成连续固体颗粒堆聚结构，大小不等的凝胶孔和毛细孔分布其中。水化良好的水泥石微结构：•“A”代表结晶性差、胶体尺寸(1~100nm)的C-S-H堆聚体，颗粒间隙尺寸0.5~3.0nm；•“H”代表六方晶体相，尺寸为1m；•“C”代表没有被水化物填充，原来由水占据的毛细孔隙或空隙，尺寸在10nm~m。背散射扫描电镜照片未水化水泥颗粒C-S-H氢氧化钙单硫型硫铝酸盐水泥浆扫描电镜照片(7d龄期)C-S-H钙矾石水泥石中的水的分布模型层间水毛细孔水吸附水（1）水泥矿物组成和水泥细度（2）水灰比（3）养护时间（4）温度和湿度（5）石膏掺量（6）外加剂三、水泥凝结硬化的主要影响因素熟料矿物组成对早期强度及水化热的影响以下是A、B两种硅酸盐水泥熟料矿物组成百分比含量，请分析A、B两种硅酸盐水泥的早期强度及水化热的差别。案例分析分析答案矿物组成C3S/％C2S/％C3A/％C4AF/％A水泥6015169B水泥47281015拌和用水量的影响•重要概念：水灰比—水泥浆体中拌和水量与水泥质量之比(W/C)；•水泥熟料矿物完全水化的理论水灰比＝0.23；•水灰比越大，需要水化物固相填充的孔隙越多，凝结硬化所需时间越长；•水灰比越大，水泥石中孔隙越多，强度越低。温度与湿度的影响•温度升高，水化反应加快，凝结硬化加速，为什么？•温度升高10C，速度加快一倍。•温度低于0C时，水化反应基本停止。•保持一定湿度，有利于水泥的水化。温度升高，放热速度加快，诱导期时间缩短*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化物的形成。*石膏掺量的影响•石膏主要降低C3A的水化速度；•掺量太少，凝结较快，会产生瞬凝；•过多，硬化后还会继续生成钙钒石，本身含有大量结晶水，体积膨胀约1.5倍，会导致硬化后的水泥石开裂而破坏。6.对于通用水泥，下列性能中不符合标准规定为废品。A、终凝时间B、混合材料掺量C、体积安定性D、包装标志7.通用水泥的储存期不宜过长，一般不超过。10.有抗冻要求的砼工程，应优先选择下列硅酸盐水泥。8.对于大体积混凝土工程，应选择水泥。9.硅酸盐水泥熟料矿物中，水化热最高的是。A、一年B、六个月C、一个月D、三个月A、硅酸盐B、普通C、矿渣D、高铝A、C3SB、C2SC、C3AD、C4AFA、矿渣B、火山灰C、粉煤灰D、普通复习思考题2.仓库内存有三种白色胶凝材料，它们是生石灰粉、建筑石膏和水泥，有什么简便方法可以辨认？1.试分析硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、火山灰水泥及粉煤灰水泥性质的异同点，并说明产生差异的原因。（3）下列混凝土工程中，应优先选用哪种水泥？不宜选用哪种水泥？干燥环境的混凝土；湿热养护的混凝土；厚大体积的混凝土；水下工程的混凝土；60MPa的混凝土；热工窑炉的基础；路面工程的混凝土；冬季施工的混凝土；严寒地区水位升降范围内的混凝土；水闸门等有抗渗要求的混凝土；经常与流动淡水接触的混凝土；经常受硫酸盐腐蚀的混凝土；紧急抢修工程；修补建筑物裂缝。