无机胶凝材料学习教案

1、会计学1无机无机(wj)胶凝材料胶凝材料第一页，共92页。水泥中的主要(zhyo)矿物硅酸盐系水泥铝酸盐系水泥硫铝酸盐系水泥磷酸盐系水泥硫铝酸钙硅酸钙铝酸钙磷酸钙,镁 根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。第1页/共91页第二页，共92页。水泥(shun)的特性膨胀水泥(pn zhn shu n)快 硬 水 泥低 热 水 泥抗腐蚀水泥 根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。硬化时膨胀硬化速度快水化热低耐腐蚀性好 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。水泥概述 第2页/

2、共91页第三页，共92页。硅酸盐系水泥(shun)硅酸盐水泥(shun)普通硅酸盐水泥掺混合材硅酸盐水泥特性硅酸盐水泥 根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。 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。u硅酸盐系水泥品种硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥；掺混合材的硅酸盐水泥特性硅酸盐水泥u硅酸盐水泥有P和P两类，后者含有混合材。 水泥概述 第3页/共91页第四页，共92页。第4页/共91页第五页，共92页。通用(tngyng)硅酸盐水泥 第5页/共91页第六页，共92页。 620%混合(hnh)材普通硅酸盐水泥2070%矿 渣

3、矿渣硅酸盐水泥2040%火山灰火山灰硅酸盐水泥2040%粉煤灰粉煤灰硅酸盐水泥2050%两种混合材复合硅酸盐水泥 掺混合材硅酸盐水泥的凝结硬化和性能与所掺混合材的种类与掺量密切相关！第6页/共91页第七页，共92页。第7页/共91页第八页，共92页。(jinyng)n其它品种水泥u 重点论述硅酸盐系水泥的矿物组成(z chn)、凝结硬化机理和基本性质及其检测方法，以及硅酸盐水泥的应用。 凡由硅酸盐水泥熟料、05石灰石或粒化高炉矿渣(kun zh)、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥(即国外通称的Portland Cement). 分为：P和P第8页/共91页第九页，共92页。“两

4、磨一烧”水泥生料可以是： 与水混合(hnh)成浆体湿法工艺 加少量水制成料球半干法工艺 加稍多水制成湿球半湿法工艺 干粉混合(hnh)物干法工艺第9页/共91页第十页，共92页。硅质(粘土(zhn t)钙 质(石灰石)1450调节(tioji)原料石膏(shgo)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 原料采掘原料磨细原料混合反应物产物中间产物预热器回转窑产 物熟料冷却熟料储存第10页/共91页第十一页，共92页。nn混合材：n调节水泥的强度等级；n降低(jingd)水泥成本必要(byo)组分熟料又是如何组成的呢？第11页/共91页第十二页，共92页。矿物

5、名称英文名称缩写分子式矿 物 式硅酸三钙AliteC3SCa3SiO53CaOSiO2硅酸二钙BeliteC2SCa2SiO42CaOSiO2铝酸三钙AluminateC3ACa3Al2O63CaOAl2O3铁铝酸四钙FerriteC4AFCa2(Al,Fe)2O54CaOAl2O3Fe2O3 含 量(mass%)376015377151018u化学组成：u主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)， Al2O3(=A)， Fe2O3(=F)u少量杂质：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。u矿物(kungw)组成：u 硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物(kungw)：硅酸盐水泥熟料(sh

6、 lio)的组成水化速度较快慢最快快放热量大小最大中强度较高后期高低较低耐侵蚀中良差优第12页/共91页第十三页，共92页。水泥(shun)颗粒宏观形貌水泥(shun)颗粒的结构水泥熟料颗粒(kl)细观形貌水泥熟料矿物微观结构第13页/共91页第十四页，共92页。 硅酸盐水泥(shun)的品种及矿物含量C3S 48 65 31 42C2S 24 11 40 34C3A 13 8 12 2C4AF 9 9 12 15 特点(tdin)： 普通 早强 低热 抗硫酸盐 A B C D CaO 66 67 64 64 SiO2 21 21 22 23 Al2O3 7 5 7 4 Fe2O3 3 3 4

7、 5 f-CaO 1 1 1 1 SO3 2 2 2 2第14页/共91页第十五页，共92页。第15页/共91页第十六页，共92页。活性混合(hnh)材 u定义具有水化活性的混合材。u活性组分：SiO2、Al2O3u常用品种：粒化高炉矿渣炼钢铁的废料火山灰质粉末天然岩石和人工煅烧物粉煤灰火电厂的废料第16页/共91页第十七页，共92页。活性矿物(kungw)粉磨颗粒与石灰的反应3d7d49d182d掺加粉煤灰的水泥的水化热掺加粉煤灰的水泥石中Ca(OH)2的含量矿渣掺量对硬化水泥浆中Ca(OH)2的影响第17页/共91页第十八页，共92页。n抗冻性、耐磨性不及硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥。第18

8、页/共91页第十九页，共92页。第19页/共91页第二十页，共92页。第20页/共91页第二十一页，共92页。第21页/共91页第二十二页，共92页。为什么需要(xyo)规定水泥的细度，是不是水泥越细越好？第22页/共91页第二十三页，共92页。为什么需要规定(gudng)水泥的细度，是不是水泥越细越好？第23页/共91页第二十四页，共92页。来表示。硅酸盐水泥来表示。硅酸盐水泥(shun)的标准稠度用水泥的标准稠度用水泥(shun)量量一般在一般在21%28%。第24页/共91页第二十五页，共92页。试杆下降(xijing)高度（341）水泥浆试杆400.2第25页/共91页第二十六页，共9

9、2页。第26页/共91页第二十七页，共92页。水泥(shun)凝结时间的测定标准(biozhn)稠度水泥浆离底41mm为初凝园弧形(h xn)压痕终凝0.5mm第27页/共91页第二十八页，共92页。 答：水泥凝结时间的规定是为了有足够的时间进行施工操作(cozu)和硬化的混凝土质量；初凝时间太短，来不及施工，水泥石结构疏松、性能差，水泥无使用价值，即为废品；终凝时间太长，强度增长缓慢，也会影响施工，即为不合格品。第28页/共91页第二十九页，共92页。第29页/共91页第三十页，共92页。试饼法雷氏夹法合格(hg)标准：5mm。肉眼观察(gunch)表面有无裂纹用直尺检查(jinch)有无弯

10、曲合格标准：无裂纹、无弯曲。试饼法 用标准稠度的水泥净浆做成试饼，在水中经恒沸3h后，用肉眼观察没有裂纹，用直尺检查没有弯曲，则体积安定合格，反之，体积安定性不合格。雷氏夹法 测量雷氏夹中的水泥净浆，经沸煮3h后的膨胀值。该值不大于5.0mm时，则体积安定性合格，否则，为体积安定性不合格。第30页/共91页第三十一页，共92页。第31页/共91页第三十二页，共92页。100mm160mmP抗折强度(qingd)试验PP抗压强度(kn y qin d)试验第32页/共91页第三十三页，共92页。强度(qingd)等级第33页/共91页第三十四页，共92页。3d28d时间(shjin)（d）强度(

11、qingd)（MPa）第34页/共91页第三十五页，共92页。第35页/共91页第三十六页，共92页。第36页/共91页第三十七页，共92页。u水泥石腐蚀性破坏外因：u 环境(hunjng)中腐蚀性介质，如：软水；酸、碱、盐的水溶液等u水泥石腐蚀性破坏内因：u水泥石内存在原始裂缝和孔隙，为腐蚀性介质侵入提供了通道；u水泥石内有在某些腐蚀性介质下不稳定的组分，如：Ca(OH)2，水化铝酸钙等；u腐蚀与毛细孔通道的共同作用加剧水泥石结构的破坏 第37页/共91页第三十八页，共92页。第38页/共91页第三十九页，共92页。钙矾石(fn sh)水泥石受硫酸盐侵蚀后，内部形成膨胀性结晶产物水泥石受硫酸

12、盐侵蚀后，因膨胀性结晶产物引起的开裂第39页/共91页第四十页，共92页。水泥石受酸腐蚀后，表面(biomin)溶失、脱落第40页/共91页第四十一页，共92页。水泥耐蚀性的定量表示耐蚀系数同龄期下，水泥试件在侵蚀性溶液中养护的强度(qingd)与在淡水中养护的强度(qingd)之比。第41页/共91页第四十二页，共92页。第42页/共91页第四十三页，共92页。 答：降低水泥石中Ca(OH)2的含量，可以(ky)提高水泥的抵抗化学腐蚀和软水腐蚀的能力。 因为，化学和软水腐蚀与水泥石中的氢氧化钙密切相关。第43页/共91页第四十四页，共92页。n水化热n强碱腐蚀(fsh)为了满足土木工程(tm

13、 gngchng)应用的要求，水泥需具备三方面的性能u 施工性能凝结时间标准稠度用水量第44页/共91页第四十五页，共92页。 水泥(shun)浆通过水泥(shun)熟料矿物的水化反应、浆体的凝结硬化过程变成坚硬固体u凝结水泥与水混合形成可塑浆体，随着时间推移、可塑性下降(xijing)，但还不具备强度，此过程即为“凝结”；u硬化随后浆体失去可塑性，强度逐渐增长，形成坚硬固体，这个过程即为“硬化”。 水泥浆体转变成坚硬固体的过程是一个复杂的物理化学变化过程。第45页/共91页第四十六页，共92页。第46页/共91页第四十七页，共92页。水泥熟料矿物(kungw)的水化反应n铁铝酸四钙C4AF的

14、水化n硅酸三钙C3S的水化n硅酸二钙- C2S的水化来自水泥粉磨过程中二水(r shu)石膏的脱水分解：CaSO42H2O CaSO40.5H2O+1.5H2O第47页/共91页第四十八页，共92页。水化度水化时间(shjin)（天）第48页/共91页第四十九页，共92页。离子(lz)在水中的扩散C3S表面离子水化弱化晶体中的化学键，增加pH值水化产物成核CSH析出、凝聚、脱水离开水相，形成凝胶，CH结晶生长第49页/共91页第五十页，共92页。 水化物层在固液界面上形成(xngchng)，并不断增厚颗粒表面离子的水化和水解C-S-H的成核Ca(OH)2的成核和生长第50页/共91页第五十一页

15、，共92页。CSH凝胶体结构(jigu)水化硅酸钙的形成(xngchng)重新排列和凝聚(nngj)后的凝胶体结构第51页/共91页第五十二页，共92页。硅酸钙矿物(kungw)水化后的电镜照片硅酸钙矿物(kungw)水化物的特征硅酸钙的水化产物C-S-H与Ca(OH)第52页/共91页第五十三页，共92页。 这就是(jish)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。第53页/共91页第五十四页，共92页。石膏缓凝机理： 钙钒石的形成反应(fnyng)(1)速度比纯C3A的反应(fnyng)(3)慢； 在水泥颗粒表面析出钙矾石晶体

16、构成阻碍层，延缓了水泥颗粒的水化，避免闪凝或假凝。第54页/共91页第五十五页，共92页。第55页/共91页第五十六页，共92页。3312n铁铝酸钙的水化C4AF + 13H C4(A,F)H13C4AF+ 3CH2+26HC3(A,F)3C3H32 C4AF+ CH2+26HC3(A,F)C3H12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(rngy)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

17、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。石膏的作用：避免水泥浆的闪凝和假凝现象;导致钙钒石和单硫型硫铝酸钙水化物的形成。第56页/共91页第五十七页，共92页。水 泥水 溶 解沉 淀水泥浆的凝结硬化(ynghu)过程扩 散水泥浆的凝结硬化物理(wl)过程第57页/共91页第五十八页，共92页。新拌1小时(xiosh)后数小时(xiosh)后几天后几周后拌合水未水化的核水化物CSHCa(OH)2晶体第58页/共91页第五十九页，共92页。水泥(shun)颗粒水水泥颗粒分散(fnsn)在水中形成水泥浆体硅酸盐水泥(shun)水化物理过程模型水泥水化物膜层水泥颗

18、粒的水化从表面开始，在表面形成水化物膜层诱导期水化物膜层随水化时间向内不断增厚，进入潜伏期。在渗透压的作用下，膜层破裂、扩展，占据原来被水占据的空间，进入凝结期。凝结期：水化物不断填充被水占据的空间，成为连续相，拌和水不断减少，并被水化物分割成非连续相。随着水泥颗粒的不断水化，水化物不断填充毛细孔和水所占据的空间，固体相成为连续相，并具有一定强度。进入硬化期。第59页/共91页第六十页，共92页。第60页/共91页第六十一页，共92页。 随着水泥的水化，水化产物量不断增加，水化物固相所占据的空间越来越多，而原来由水占据的空间越来越少，固体(gt)连续相逐渐形成。第61页/共91页第六十二页，共

19、92页。初始(ch sh)放热峰放热主峰(zhfng)放热速度逐渐(zhjin)减慢实测的水泥水化放热全曲线放热速度很低第62页/共91页第六十三页，共92页。水灰比0.55的水泥浆水化1天黑色箭头(jintu)指示部分水化物壳层；白色箭头(jintu)指示完全水化物壳层。水泥浆凝结(nngji)硬化过程的微观观察a: C3Sb: C2S 水灰比0.55的水泥浆水化9个月I,：C-S-H内产物(chnw)相; A：铁相/CH; B：水化 belite;白色箭头指示完全水化物壳层第63页/共91页第六十四页，共92页。水泥浆中氢氧化钙(qn yn hu i)的生长3 天7 天28 天365 天第

20、64页/共91页第六十五页，共92页。延缓了水泥浆的凝结速度。n为什么水泥硬化后能产生(chnshng)强度？n水泥浆体硬化后转变为越来越致密的固体；n在浆体硬化过程中，随着水泥矿物的水化，比表面较大的水化物颗粒不断增多，颗粒间相互作用力不断增强，产生(chnshng)的强度越来越高。第65页/共91页第六十六页，共92页。度有关？n水泥的水化需要水，如果没有水，水泥的水化就将停止；提高(t go)温度可加快水泥的凝结硬化，而降低温度就会减缓水泥的凝结硬化。n为什么水泥的储存与运输时应防止受潮？n水泥受潮，因表面水化结块，丧失凝胶能力，强度大为降低。第66页/共91页第六十七页，共92页。 水

21、泥浆的凝结(nngji)硬化取决于水泥的水化，水泥水化速度是矿物组成及其含量、粉磨细度、温度和水灰比的函数： R(t) = f(C3S)f(细度)f(T)f(W/C)第67页/共91页第六十八页，共92页。水化度()时间(shjin)(天)水泥熟料(sh lio)矿物组成的影响u水泥熟料矿物的水化速度： C3A C3ACaSO42H2O C3S C4AF C2Su水泥的C3A和C3S含量越高，凝结硬化速度越快；u水泥的C3A和C3S含量越低，凝结硬化速度越慢；第68页/共91页第六十九页，共92页。石膏掺量对C3A浆体(水/固比1.0)水化速度(放热量(rling)的影响放热速度(W/kg)试

22、时间(h)石膏掺量增加： 放热速度减慢 放热峰延后石膏掺量对C3A与硅酸钙浆体初凝时间的影响 石膏掺量增加，凝结硬化加快； 掺量达到一定后，再增加，影响不大。第69页/共91页第七十页，共92页。 答：水泥的水化反应是液固异相(y xin)反应，反应首先发生在液固界面上； 水泥颗粒越细，比表面积越大，界面区越大，反应点越多，因此水化速度越快。比表面积 m2/kg放热速度时间/小时细度(比表面积)对C3S浆体(水/固比1.0)水化速度(放热量)的影响水泥浆比表面积与水化度随时间的关系水化度(%)比表面积(m2/cm3)第70页/共91页第七十一页，共92页。水泥(shun)细度Fineness

23、of Cement粒径： 3m 水化非常迅速(xn s)，需水量增大； 90 m 几乎接近惰性。第71页/共91页第七十二页，共92页。温度升高(shn o)，放热速度加快，诱导期时间缩短第72页/共91页第七十三页，共92页。第73页/共91页第七十四页，共92页。未水化水泥(shun)毛细孔水泥(shun)凝胶体积(tj)比水灰比长时间放置在水中的水泥浆体水化最终生成物第74页/共91页第七十五页，共92页。第75页/共91页第七十六页，共92页。 答：水化加快，放热速率加速，升温并膨胀，凝结硬化形成的微结构体积较疏松，且在随后的降温期间，或受干燥环境作用收缩变形(bin xng)时产生大量微裂缝，致使结构混凝土强度与渗透性（耐久性）受到严重影响。u 水泥宜在什么条件下凝结硬化？ 答：水泥宜在常温(2010C)与相对湿度较高的条件下，凝结硬化。即水泥水化速度适宜的温度，水化 所需水分供应充足的条件。第76页/共91页第七十七页，共92页。第77页/共91页第七十八页，共92页。 由水化物(胶体和晶体)颗粒、未水化的水泥颗粒内核(ni h)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：