无机胶凝材料学习课件

1、第二章无机胶凝材料 2.1 无机胶凝材料概述1 胶凝材料定义 胶凝材料是指在一定条件下，经过自身的一系列物理、化学作用后，能将散粒或块状材料黏结成为具有一定强度的整体的材料。2 胶凝材料分类 有机胶凝材料以天然或人工合成高分子化合物为基本组成，包括沥青、树脂、橡胶等。无机胶凝材料当其与水或水溶液拌合后所形成的浆体，经过一系列的物理、化学作用后能够逐渐硬化并形成具有一定强度的人造石，例如水泥、石灰、石膏、镁质胶凝材料等。无机胶凝材料又可分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。气硬性无机胶凝材料只能在空气中凝结硬化，并保持和发展强度的胶凝材料，例如石灰、石膏、镁质胶凝材料等。水硬性无机胶凝材料既能在空

2、气中硬化，又能更好的在水中硬化，保持并继续发展其强度，如水泥。3 无机胶凝材料应用 无机胶凝材料主要应用于工业与民用建筑、水工建筑和城市建设，轨枕、电杆、坑木、压力管、水泥船以及海洋开发的各种构造物、国防工程等。 4 无机胶凝材料特点原料丰富，能就地取材，生产成本低；耐久性好，适应性强，可用于水中、海洋及炎热、寒冷的环境；耐火性好；维修工作量小，折旧费用低；作为基材组合或复合其他材料的能力强；有利于有效地利用工业废渣。2.2 水泥胶凝材料指在物理、化学作用下能从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其它物料而具有一定机械强度的物质，又称胶结料。 1824年，英国人J.Aspdin将石灰石与黏土混合制成

3、料浆，在石灰窑中经高温煅烧后粉磨成胶凝材料，称为波特兰水泥，并获得了发明专利。此后，以水泥为胶结料的混凝土材料得到了广泛发展。 胶凝材料的发展是经历了：天然胶凝材料(如黏土)石灰、石膏石灰、火山灰水硬性石灰、天然水泥硅酸盐水泥不同品种水泥的各个阶段。 表2-1 胶凝材料的发展简史表2.2.3 水泥的定义和分类 （1）定义凡能在物理、化学作用下，从具有可塑性的浆体逐渐变成坚固石状体的过程中，能将其他物料胶结为整体并具有一定力学强度的物质，统称为胶凝材料，又称胶结料。（2）分类 通用水泥一般土木建筑工程中使用的水泥。 专用水泥具有专门用途的水泥。 特性水泥具有某种特殊性能的水泥。 2.2.4 国外

4、性能各异的特种水泥 （1）弹力水泥（2）变色水泥 （3）木质水泥（4）夜光水泥（5）贮热水泥（6）自愈水泥（7）自找平水泥2.3 水泥在国民经济中的作用 目前四大基础工程材料：水泥、钢材、木材、塑料。现虽有许多新的胶凝材料出现，尚无任何一种材料可以取代水泥作为基础工程材料的地位 图2-1 水泥材料在国民经济中的作用2.4 水泥工业的发展概况1 水泥的生产过程 水泥的生产过程可以简称为“两磨一烧”，即原料（生料磨）生料（窑烧成）熟料（水泥磨）水泥。2 水泥的生产方法分类 按生料制备方法分：湿法半湿法(湿磨干烧)亦归为湿法和干法半干法(料球)亦归为干法。按煅烧熟料窑的结构分：立窑生产（普通立窑、机

5、械化立窑），回转窑生产（干法回转窑：普通干法和新型干法、湿法回转窑、半干法回转窑）。3 水泥工业主要评价指标 窑型及生产方法的先进性。 规模（产量）：总、企业、台、人均。 质量（强度）：熟料、水泥。 熟料热耗（KJ/kg熟料、Kcal/kg熟料）。 熟料电耗、料耗、综合电耗等。4 我国水泥工业的近年发展状况（1）产量持续增长；（2）布局趋于合理 ；（3）结构调整加快 ；（4）规模生产扩大 （5）装备水平提高；（6）效益同步增长 2.5 硅酸盐水泥通用硅酸盐水泥是以硅酸盐水泥熟料、适量石膏和混合材料制成的水硬性胶凝材料。包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸

6、盐水泥和复合硅酸盐水泥。硅酸盐水泥分为I型硅酸盐水泥（代号PI，不掺加混合材料）和II型硅酸盐水泥（代号PII，可掺加不超过水泥质量5% 石灰石或粒化高炉矿渣）。 图2.2 水泥生产能耗图 图2-3 硅酸盐水泥的生产工艺流程图生产硅酸盐水泥的主要原料有：石灰质原料、黏土质原料、氧化铁、校正原料等。石灰质原料主要提供CaO成分，常用的石灰质原料有石灰石、白垩、贝壳等；黏土质原料主要提供氧化硅(SiO2)、氧化铝（Al2O3）及氧化铁(Fe2O3)，常用的黏土质原料有黏土、黄土、页岩等。校正原料的作用主要是当配料中的某种氧化物的量不足时，可加入相应的校正原料，主要有硅质校正原料、铝质校正原料和铁质

7、校正原料，如原料中Fe2O3含量不足时可加入铁质校正原料硫铁矿渣等。 （1）硅酸盐水泥熟料矿物组成生料800左右分解反应产生CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3 ，8001450化合反应生成3CaOSiO2、2CaOSiO2、3CaOAl2O3、4CaOAl2O3Fe2O3等主要矿物 （2）硅酸盐水泥的水化与凝结硬化水泥水具有流动性、可塑性浆体失去可塑性后即凝结，随后水泥浆体开始产生强度，形成坚硬的水泥石硬化。 表2-6 硅酸盐水泥熟料的矿物组成注：杂质中有游离氧化钙、游离氧化镁及三氧化硫等。表2-7 硅酸盐水泥的主要水化产物（3）各种熟料矿物单独与水作用的性质水泥加水后，水化反应进行，随

8、着水化产物的增多，凝胶和晶体析出，水分不断减少，浆体变稠并凝结。随着凝胶和晶体的增多，水分的减少，晶体相互连接形成晶体网。凝胶体填充晶体网，水泥石的强度提高，形成坚实的水泥石称为硬化。 表2-8 硅酸盐水泥的凝结硬化特点（4）硅酸盐水泥凝结硬化的特点：硅酸盐水泥凝结硬化的特点是：放热反应，凝结硬化速度37d内较快，大致28 d完成基本部分，完成全过程需几年，甚至几十年时间。凝结硬化过程中主要发生以下反应：2(3CaOSiO2)+6H2O3CaO2SiO23H2O+3Ca(OH)22(2CaOSiO2)+4H2O3CaO2SiO23H2O+Ca(OH)23 CaOAl2O3+6H2O3CaOAl

9、2O36H2O4CaOAl2O3Fe2O3+7H2O3CaOAl2O36H2O+ CaOFe2O3H2O 3CaOAl2O36H2O+3(CaSO42H2O)+20H2O3CaOAl2O33CaSO432H2O （5）石膏的调凝作用为了调节（延缓）水泥凝结时间，石膏掺量要适量，过少起不到缓凝的作用，过多，会引起安定性不良。（6）影响水泥凝结、硬化的因素熟料矿物的组成、水泥的细度、石膏掺量水灰比（水的质量/水泥的质量）养护的温、湿度、养护龄期等 不同的熟料矿物成分单独与水作用时，水化反应的速度、强度的增长、水化放热是不同的。因此改变水泥的矿物组成，其凝结硬化将产生明显的变化。在同等条件下，水泥细

10、度愈细，与水接触的表面积愈大，水化反应产物增长愈快，水化热愈多，凝结硬化速度愈快。 适宜的石膏掺量主要取决于水泥中铝酸三钙和石膏中SO3的含量，同时与水泥细度及熟料中SO3的含量有关，石膏掺量一般为水泥质量的3%5%。 拌合水泥浆时，水与水泥的质量比称为水灰比。拌合水越多，水泥石中的毛细孔就越多，而水泥石的强度随其孔隙增加呈线性关系下降。在熟料矿物组成相近的情况下，水灰比的大小是影响水泥石强度的主要因素。 温度对水泥的凝结硬化影响很大，温度越高，水泥凝结硬化速度越快，水泥强度增长也越快。而当温度低于0时，强度不仅不增长，而且还会因水的结冰而导致水泥石的破坏。水泥的凝结硬化实质上是水泥的水化过程

11、，在缺乏水的干燥环境中，水化反应不能正常进行，硬化也将停止；潮湿环境下的水泥石能够保持足够的水分进行水化和凝结硬化，从而强度不断发展。在工程中，水泥混凝土在浇筑后的一段时间里应十分注意养护的温、湿度。 水泥的凝结、硬化是随龄期的增长而渐进的过程，在适宜的温、湿度环境中，水泥的强度增长可持续若干年。在最初几天内强度增长最为迅速，如水化7 d的强度可达到28 d强度的70%左右，28 d以后的强度增长明显减缓。2.6 通用水泥通用硅酸盐水泥（GB175-2007）规定，通用水泥包括：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、复合硅酸盐水泥，其组分材料均为:熟

12、料、石膏、混合材料，区别在于混合材料的种类和数量不同.见书P20表2-9。 2.6 通用水泥2.6.1 混合材料的分类活性混合材料是指火山灰性或潜在水硬性的材料，主要包括粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料、粉煤灰。非活性混合材料是指不具有潜在水硬性，主要包括活性指标不符合要求的，如粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料、粉煤灰及砂岩、石灰石、块状的高炉矿渣等。2.6 通用水泥2.6.2 混合材料的作用 提高水泥产量，降低水泥生产成本，节约能源达到提高经济效益的目的； 有利于改善水泥的性能，如改善水泥安定性，提高混凝土的抗蚀能力，降低水泥水化热等； 调节水泥标号，生产多品种水泥，以便合理使用水泥，满足各项建

13、设工程的需要； 综合利用工业废渣，减少环境污染，实现水泥工业生态化。安定性是水泥硬化后体积变化的均匀性，体积的不均匀变化引起膨胀、裂缝或翘曲等现象。2.6 通用水泥2.6.3 粒化高炉矿渣凡在高炉冶炼生铁时，所得以硅酸钙与铝硅酸钙为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后，即为粒化高炉矿渣 。1、分类根据矿渣中碱性氧化物(CaO+MgO)和酸性氧化物(SiO2+Al2O3)的比值M的大小，可将矿渣分为三类： M1的矿渣称为碱性矿渣； M=1的矿渣称为中性矿渣； M25%。天然白云石呈晶质和非晶质两种。 蛇纹石(含水硅酸镁，3MgO2SiO22H2O)。 冶炼镁合金的熔渣(wMgO25%)。2.12 镁质

14、胶凝材料图2-9 晶质菱镁矿石(a) 蛇纹石； (b)白云石2.12 镁质胶凝材料2.12.1 原料 苛性白云石(主要成分MgO和CaCO3)。白云石是碳酸镁与碳酸钙的复盐（CaCO3MgCO3），理论摩尔组成：nCaCO3 : nMgCO3=1:1；质量组成：wCaCO3 =54.2%，wMgCO3 =45.8%；石灰石：wMgCO3 =05%;镁质石灰石： wMgCO3 =510%；白云质石灰石：wMgCO3 =1025%；白云石：wMgCO3 25%。天然白云石呈晶质和非晶质两种。 蛇纹石(含水硅酸镁，3MgO2SiO22H2O)。 冶炼镁合金的熔渣(wMgO25%)。2.12.2 煅烧

15、 (煅烧温度650760)2.12 镁质胶凝材料2.12.3 镁质胶凝材料的凝结硬化 MgO+H2O = Mg（OH）2MgCO3CaCO3 = MgCO3 + CaCO3MgCO3=MgO +CO2凝结硬化特点:速度慢、体积收缩大、而且强度很低；常用固化剂：氯化镁溶液，硫酸镁(MgSO47H2O)、氯化铁(FeCl3)或硫酸亚铁(FeSO4H2O)等盐类的溶液。氯化镁溶液：反应生成的氧氯化镁结晶速度比氢氧化镁快，因而加速了镁质胶凝材料的凝结硬化速度，制品强度显著提高。氯化镁溶液（密度为1.2g/cm3）的掺量一般为菱苦土的55 %60 %。掺量太大，则凝结速度过快且收缩大、强度低；掺量过少，

16、则硬化太慢、强度也低。此外，温度对凝结硬化很敏感，氯化镁掺量可作适当调整。 2.12 镁质胶凝材料2.12.4 镁质胶凝材料的应用（1）菱苦土木屑地面以菱苦土、木屑、氯化钙及其他混合材料（滑石粉、砂、石屑、粉煤灰、颜料等）等制作地坪，具有一定弹性，且防火、防爆、导热性小、表面光洁、不起灰，主要用于室内车间地坪。（2）板材加入刨花、木丝、玻纤、聚酯纤维等，制作各种板材，如防火装饰板、防火风管、刨花板、木屑板等。加入发泡剂时，还可制作保温板。将玻璃纤维或玻璃纤维布，用镁质胶凝材料胶接起来后，表面经装饰而成玻璃纤维(或其织物)增强镁质胶凝材料的强度，板材断面为矩型或圆型，具有不燃性。在用氯化镁调制的

17、苛性苦土或白云石中加入发泡剂或泡沫，经成型硬化后成为轻质多孔的隔热制品。 2.13 气硬性胶凝材料无机胶凝材料根据硬化条件不同又分为气硬性和水硬性两种。气硬性胶凝材料一般只能在空气中硬化并保持其强度。如石灰、石膏等。 2.13.1 建筑石膏（1）石膏的品种与生产自然界存在的天然二水石膏(CaSO42H2O，又称软石膏或生石膏)、天然无水石膏(CaSO4，又称硬石膏)和各种工业副产品或废料化学石膏。石膏胶凝材料的生产，通常是用天然二水石膏经低温煅烧、脱水、磨细而成。二水石膏在107170 时激烈脱水，水分迅速蒸发，成为型半水石膏。型半水石膏磨细即为建筑石膏。其中杂质含量少、颜色洁白者称模型石膏。

18、二水石膏在0.13 MPa压力的蒸压锅内蒸炼(温度125)脱水，可制得型半水石膏；型半水石膏浆体硬化后的强度较高，故又称高强石膏。 2.13 气硬性胶凝材料2.13.1 建筑石膏（2）建筑石膏的凝结硬化半水石膏遇水后将重新水化生成二水石膏：2CaSO41/2H2O + 3H2O = 2（CaSO42H2O）随着浆体中自由水分因水化和蒸发而逐渐减少，浆体也逐渐变稠，这个过程称为凝结过程。其后，二水石膏晶体继续大量形成、长大，晶体之间互相交错连生，形成结晶结构网，使浆体变硬，并形成具有强度的石膏制品。这个过程称为硬化过程。建筑石膏的特点：凝结硬化快；凝固时体积微膨胀；孔隙率大；观密度小，绝热、吸声

19、性能好；具有一定的调温调湿性；防火性好，耐火性差；耐水性、抗冻性差。（3）建筑石膏的用途建筑石膏的主要用途有：纸面石膏板、石膏装饰板、纤维石膏板、石膏空心条板、石膏空心砌块和石膏夹心砌块。石膏还可用来生产各种浮雕和装饰品。如浮雕饰线、艺术灯圈、角花等等。2.13 气硬性胶凝材料2.13.2 石灰（1）石灰的生产与品种石灰是由石灰岩煅烧而成。石灰岩的主要成分是碳酸钙(CaCO3)和碳酸镁(MgCO3)。石灰岩在适当温度(10001100)下煅烧，得到以CaO为主要成分的物质即石灰，也叫生石灰(其中含一定量MgO)：石灰的分类根据加工方法不同可分为块状生石灰、磨细生石灰粉、消石灰粉、石灰浆。根据熟化速度分为快熟石灰、中熟石灰和慢熟石灰。表2-21 生石灰熟化速度分类2.13 气硬性胶凝材料2.13.2 石灰（2）石灰的熟化与硬化生