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文档简介
1、无机胶凝材料土木工程材料第3章 无机胶凝材料胶凝材料发展公元前3000年,古埃及人,煅烧石膏;古希腊人,石灰石煅烧石灰。公元前146年,罗马,石灰砂子,混合成砂浆。石灰火山灰砂子罗马砂浆。18世纪,英国,含粘土石灰石制成罗马水泥;1824年英国发明波特兰水泥。2022/9/19第3章 无机胶凝材料我国5000年前,含二氧化硅较高的石灰石,磨成“白面灰”,公元前7世纪周朝石灰,公元前5世纪南北朝,石灰粘土细砂,三合土;秦汉,掺糯米汁石灰砌砖以及石灰桐油、石灰血料。2022/9/19第3章 无机胶凝材料土木工程中常常需要将散粒材料(如砂和石子)或块状材料(如砖和石英)粘结成为整体,具有这种粘结作用
2、的材料,统称为无机胶结材料或无机胶凝材料。胶凝材料,确切地说是指经过自身的物理化学作用后,能够由液态或固态变成坚硬固体的物质。2022/9/19第3章 无机胶凝材料 有机胶凝材料胶凝材料 无机胶凝材料气硬性胶凝材料 水硬性胶凝材料气硬性胶凝材料只能在空气中硬化,也只能在空气中保持或继续提高其强度,如石灰、石膏、水玻璃。水硬性胶凝材料不仅能在空气中硬化,而且能更好地在水中硬化,保持并继续提高其强度,如各种水泥。2022/9/193.1 石灰块状生石灰CaO生石灰粉CaO消石灰、熟石灰Ca(OH)2石灰浆Ca(OH)2+H2O2022/9/193.1 石灰一、石灰的生产工艺概述原料:石灰石、白云石
3、、白垩生产过程: 生石灰,3.2g/cm3,表观密度约800kg/m31000kg/m3欠火石灰过火石灰2022/9/193.1 石灰二、石灰的消化和硬化1、石灰消化水化特点:1)水化热大,水化速度快;2)水化过程中固相体积增大1.52倍。2022/9/193.1 石灰“过烧”:对活泼性大的石灰,如加水过慢,水量不够,则已消化的石灰颗粒生成Ca(OH)2,包围于未消化颗粒周围,使内部石灰不易消化。“过冷”:对于活泼性差的石灰,如加水过快,则发热量少,水温过低,增加了未消化颗粒。2022/9/193.1 石灰2、石灰的硬化1)干燥硬化2)碳化2022/9/193.1 石灰三、石灰及其制品技术性质
4、1、石灰的特性1)可塑性和保水性好2)硬化缓慢,硬化后强度低。石灰砂浆28d抗压强度只有0.2MPa0.5MPa3)硬化后体积收缩大4)耐水性差2022/9/193.1 石灰2、石灰技术要求建筑生石灰JCT 479-2013、建筑消石灰JC/T481-2013钙质石灰主要由氧化钙或氢氧化钙组成,而不添加任何水硬性的或火山质的材料。镁质石灰主要由氧化钙和氧化镁(MgO5%)或氢氧化钙和氢氧化镁组成,而不添加任何水硬性的或火山灰质的材料。1)生石灰技术标准,表3.1、表3.22)消石灰技术标准,表3.3、表3.42022/9/193.1建筑生石灰技术指标2022/9/193.1建筑生石灰技术指标2
5、022/9/193.3建筑消石灰的技术指标2022/9/193.4建筑消石灰的技术指标2022/9/193.1 石灰四、石灰的应用1、配制砂浆良好可塑性和粘结性2、拌制三合土和灰土三合土:石灰粉:粘土:砂1:2:33、制作石灰乳涂料2022/9/193.1 石灰4、生产硅酸盐制品石灰和硅质材料(如粉煤灰、石英砂、炉渣)如蒸压灰砂砖5、磨制生石灰粉6、加固软土地基7、制造静态破碎剂和膨胀剂过火石灰粉5%7%水硬性胶凝材料2022/9/193.2 硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥此外道路水泥、高铝水泥、膨胀水泥、快硬水泥2022/9/193
6、.2 硅酸盐水泥一、硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥(GB175-2007):凡由硅酸盐水泥熟料,05%石灰石或粒化高炉矿渣,适当石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。不掺加混合材料的称I型硅酸盐水泥代号P.I在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过质量5%石灰石或粒化高炉矿渣混合材料称II型硅酸盐水泥代号P.II凡由硅酸盐水泥熟料、6%20%混合材料、适当石膏磨细制成水硬性胶凝材料称普通硅酸盐水泥,P.O。其中允许用不超过水泥质量8%且符合本标准5.2.4的非活性混合材料或不超过水泥质量5%且符合本标准5.2.5的窑灰代替。2022/9/193.2 硅酸盐水泥(一)硅酸盐水泥生产工艺概述1、生产原料:石
7、灰质原料 石灰石、白垩、石灰质凝灰岩CaO 粘土质原料粘土、粘土质页岩、黄土SiO2、Al2O3、Fe2O3铁矿粉补充Fe2O3不足 2022/9/193.2 硅酸盐水泥2、硅酸盐水泥生产工艺概述(1)生料的配制和磨细干法和湿法(2)将生料煅烧,形成熟料(3)将熟料与适量石膏共同磨细成为硅酸盐水泥2022/9/193.2 硅酸盐水泥(二)硅酸盐水泥的化学成分和矿物组成1、化学成分氧化钙CaO(60%67%)、氧化硅SiO2(20%24%)、氧化铝Al2O3(4%9%)、氧化铁Fe2O3(2.5%6%)2022/9/193.2 硅酸盐水泥2、矿物组成硅酸三钙3CaO.SiO2 C3S 5060%
8、 反应速度快、水化热高,早期及后期强度。硅酸二钙2CaO.SiO2 C2S1537%速度慢、水化热低,后期强度大,耐化学腐蚀。铝酸三钙3CaO.Al2O3 C3A715%反应速度快、水化热高,早期强度高,不耐化学腐蚀。铁铝酸四钙4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF10%18%反应较快、水化热高,抗折强度高,耐化学腐蚀好。2022/9/193.2 硅酸盐水泥(三)硅酸盐水泥的凝结和硬化1、硅酸盐水泥熟料矿物的水化(1)硅酸三钙的水化水化硅酸钙(CSH)、氢氧化钙(CH)(2)硅酸二钙的水化2022/9/193.2 硅酸盐水泥(3)铝酸三钙的水化纯水中C3A的水化最终会转化为等轴晶的水化铝酸
9、三钙CaO.Al2O3.6H2O,即C3AH6当温度高于35,C3A直接转化为C3AH62022/9/193.2 硅酸盐水泥有石膏存在时C3A的水化C4AH13与石膏反应生成三硫型水化硫铝酸钙,又称钙矾石,AFt当石膏消耗完毕后,C4AH13又能与钙矾石反应生成单硫型硫铝酸钙,AFm。2022/9/193.2 硅酸盐水泥(4)铁铝酸四钙的水化硅酸盐水泥熟料矿物水化硬化特性见表3.52022/9/19表3.5 熟料矿物的水化硬化特性2022/9/193.2 硅酸盐水泥2、硅酸盐水泥的水化水泥加水拌和后,C3A、C4AF、C3S与水快速反应,石膏也溶于水,在石膏存在的条件下,C3A不再生成水化铝酸
10、钙,与石膏反应生成针状晶体三硫型水化硫铝酸钙(钙矾石(AFt)。若石膏消耗完毕还有C3A时,则钙矾石会与C3A继续转化为单硫型水化硫铝酸钙。2022/9/193.2 硅酸盐水泥石膏也会与C4AF反应生成水化硫铝(铁)酸钙,石膏的存在还可以加速C3S和C2S水化。水化产物是CSH凝胶、水化铁酸钙凝胶、氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙等晶体。主要水化产物为CSH70%,CH20%,水化硫铝酸钙(钙矾石AFt、单硫型水化硫铝酸钙Afm)7%2022/9/193.2 硅酸盐水泥3、硅酸盐水泥的凝结与硬化三种水泥凝结硬化理论:H.吕查德里的“结晶理论”认为水泥水化后,由于水化物过饱和结晶析出,而使水泥
11、石产生强度。W.米哈爱利斯的“胶体理论”认为水泥水化后,由水化硅酸钙凝胶填充水泥颗粒间的孔隙,不断致密而提高强度。A.A巴依可夫的“溶解、结晶和胶化”理论此外列宾捷尔的“网状结构学说”。2022/9/193.2 硅酸盐水泥早、中、晚三个时期1)早期Ca(OH)2、钙矾石2)中期CSH(长纤维状)、CH和钙矾石3)后期CSH(短纤维状)讲述水化热的影响2022/9/193.2 硅酸盐水泥4、影响硅酸盐水泥凝结硬化的主要因素1)熟料矿物组成的影响2)水泥细度的影响3)拌和水量的影响理论水量23%左右4)养护湿度、温度影响5)养护龄期的影响6)储存条件的影响2022/9/193.2 硅酸盐水泥(四)
12、硅酸盐水泥的技术性质1、不溶物 型硅酸盐水泥0.75% 型硅酸盐水泥1.5%2、氧化镁含量5%Mg(OH)2体积膨胀1.5倍3、三氧化硫含量3.5%4、烧失量型硅酸盐水泥烧失量不超过3.0%型硅酸盐水泥烧失量不得超过3.5%普通硅酸盐水泥烧失量不得超过5.0%2022/9/193.2 硅酸盐水泥5、细度测定方法,筛析法;比表面积法硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥以比表面积表示,不小于300m2/kg;矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥以筛余表示,80m方孔筛筛余不大于10%或45m方孔筛筛余不大于30%。6、水泥净浆标准稠度稠度仪测定经试锥沉入深度为282mm时标准
13、稠度,此时用水量为标准用水量2022/9/193.2 硅酸盐水泥7、凝结时间凝结时间是水泥从加水开始,到水泥浆失去可塑性所需的时间。初凝时间是从水泥加水到水泥浆开始失去塑性的时间。终凝时间是从水泥加水到水泥浆完全失去塑性的时间。凝结时间测定仪初凝加水起距底板0.51.0mm终凝加水起1.0mm硅酸盐水泥初凝不早于45min,终凝时间不迟于390min普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥初凝不小于45min,终凝不大于600min。2022/9/193.2 硅酸盐水泥8、安定性影响体积安定性因素为:熟料中氧化镁含量,熟料中氧化钙含量,水泥中三氧化硫
14、含量。(1)沸煮法(试饼法、雷氏法)(2)压蒸法由于氧化镁引起安定性,膨胀率不超过0.5%为合格2022/9/193.2 硅酸盐水泥9、强度水泥胶砂强度水泥:砂:水1:3:0.5标准养护达到规定龄期(3d、28d或3d、7d、28d)测定抗折和抗压强度标准养护温度(203),相对湿度90%以上。(1)水泥标号按规定龄期抗压强度和抗折强度来划分(2)水泥型号普通型、早强型(R),早强水泥3d抗压强度比普通水泥高10%24%,表3.62022/9/19表3.6 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥各龄期的强度值2022/9/193.2 硅酸盐水泥10、碱按Na2O0.658K2O计算值来表示碱骨料反应国家标
15、准GB175-2007凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性不符后标准规定,废品2022/9/193.2 硅酸盐水泥(六)硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥特性、应用1、特性硅酸盐水泥凝结硬化速度较快,耐冻性好和耐磨性好。2、应用可用于冬季施工、高强度和预应力工程,不宜与海水工程和耐热工程3、存储储存期三个月以内2022/9/193.2 硅酸盐水泥(五)硅酸盐水泥石的腐蚀和防止1、水泥石的腐蚀1)溶析性侵蚀淡水侵蚀、溶出侵蚀或软水侵蚀Ca(OH)2溶解度25约1.3gCaO/L2)硫酸盐侵蚀2022/9/193.2 硅酸盐水泥3)镁盐侵蚀4)一般酸侵蚀5)碳酸侵蚀6)强碱侵蚀原因:Ca(OH)2、水化铝
16、酸钙2022/9/193.2 硅酸盐水泥2、水泥石腐蚀的防止1)根据腐蚀环境特点,合理选用水泥品种2)提高水泥密实度选择合理的配合比改善集料级配掺加外加剂(如减水剂)表面碳化处理3)敷设耐蚀保护层2022/9/193.2 硅酸盐水泥二、掺混合材水泥(一)水泥混合材料混合材料按其在混合水泥中的作用,可分为活性和非活性两类:1、活性混合材料它是一种矿物材料,磨成细粉,与石灰(或石和石膏)拌和在一起,加水后常温下能生成具有胶凝性的水化产物,并能在水中硬化。2022/9/193.2 硅酸盐水泥粒化高炉矿渣CaO、MgO、SiO2、Al2O3、FeO火山灰质混合材料火山灰、凝灰岩、硅藻石、烧粘土、煤渣、
17、煤矸石渣粉煤灰SiO2、Al2O3、Ca(OH)22022/9/193.2 硅酸盐水泥2、非活性混合材料将磨细的石英砂、石灰石、粘土、慢冷矿渣及炉渣等掺入水泥中,与水泥不起或起微弱的化学作用(即无或有微弱的化学活性),仅起提高产量,降低水化热和改善新拌混凝土和易性等作用。3、窑灰(水泥回转窑)碳酸钙、脱水粘土、玻璃态物质2022/9/193.2 硅酸盐水泥(二)掺混合材料的硅酸盐水泥硬化1、活性材料的水化Ca(OH)2、活性SiO2、活性Al2O3当石膏存在时,水化硫铝酸钙Ca(OH)2和石膏存在是活性材料潜在活性发挥的必要条件。Ca(OH)2碱性激发剂,石膏为硫酸盐激发剂2022/9/193
18、.2 硅酸盐水泥2、掺混合材料硅酸盐水泥第一次水化,水泥熟料水化,水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙和Ca(OH)2在Ca(OH)2激发下,开始第二次水化,生成水化硅酸钙为主的水化产物,消耗大量Ca(OH)2。2022/9/193.2 硅酸盐水泥(三)矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥1、定义与组成1)矿渣硅酸盐水泥硅酸盐水泥熟料20%50%粒化高炉矿渣石膏代号P.S.A硅酸盐水泥熟料50%70%粒化高炉矿渣石膏代号P.S.B其中允许用不超过水泥质量8%且符合本标准第5.2.3条的活性混合材料或符合本标准第5.2.4条的非活性混合材料或符合本标准第5.2.5条的窑灰中的任一种材
19、料代替。2022/9/193.2 硅酸盐水泥矿渣水泥密度为2.83.1g/cm3,堆积密度为10001200kg/m3矿渣水泥水化,首先是水泥熟料水化,然后矿渣才能参加反应。矿渣水早期强度低,后期强度大。矿渣水泥干缩性大,保水性差。矿渣水泥具有较好的化学稳定性,如对酸性水和镁盐的侵蚀差。矿渣水泥水化热小。2022/9/193.2 硅酸盐水泥2)火山灰质硅酸盐水泥水泥熟料20%40%火山灰质混合料适量石膏代号P.P火山灰水泥密度为2.83.1g/cm3,堆积密度为9001000kg/m3火山灰水泥技术性质和矿渣水泥比较接近。熟料又含有较多的C3A,则其抗碳酸盐的能力较C3A含量少的普通水泥还差。
20、2022/9/193.2 硅酸盐水泥3)粉煤灰硅酸盐水泥水泥熟料20%40%粉煤灰石膏代号P.F粉煤灰水泥干缩性小,抗裂性好。2022/9/193.2 硅酸盐水泥2、技术性质1)细度2)氧化镁5.0%3)三氧化硫矿渣4.0%火山灰、粉煤灰3.5%4)强度5)碱2022/9/193.2 硅酸盐水泥3、特性与应用1)共性与应用(1)凝结硬化慢,早期强度低和后期强度增长快。(2)温度敏感性高,适宜高温湿热养护。(3)水化热低,适合大体积混凝工程。(4)耐腐蚀性能强。(5)抗冻性差。(6)抗碳化能力差。2022/9/193.2 硅酸盐水泥2)三种水泥个别特性(1)矿渣硅酸盐水泥抗渗性差,干燥收缩较大。
21、(2)火山硅酸盐水泥抗渗性和耐水性好,干燥收缩大。(3)粉煤灰硅酸盐水泥干缩性小、抗渗性差。矿渣、火山灰、粉煤灰水泥标准,表3.7、表3.82022/9/19表3.7 硅酸盐系水泥的性能比较表2022/9/19表3.8 硅酸盐水泥的选用2022/9/193.2 硅酸盐水泥(四)复合硅酸盐水泥2022/9/193.2 硅酸盐水泥三、硅酸盐系特种水泥(一)道路硅酸盐水泥1、定义GB136932005道路硅酸盐水泥规定,由道路硅酸盐水泥熟料,适当石膏,可加入标准规定的混合材料,磨细制成的水硬性胶凝材料,称为道路硅酸盐水泥(简称道路水泥),代号P.R由道路硅酸盐水泥熟料,010%活性混合材料和适量石膏
22、磨细制成的水硬性胶凝材料,称道路硅酸盐水泥。对道路水泥的性能要求是耐磨性好、收缩小、抗冻性好、抗冲击性好,有高的抗折强度和良好的耐久性。2022/9/193.2 硅酸盐水泥2、技术要求1)化学组成下列有害成分加以限制(1)氧化镁含量5.0%;(2)三氧化硫含量3.5%;(3)烧失量3.0%;(4)游离氧化钙含量1.01.8%;(5)碱含量0.6%2)矿物组成(1)铝酸三钙5.0%(2)铁铝酸四钙16.0%2022/9/193.2 硅酸盐水泥3)物理力学性质:(1)细度比表面积3000cm2/g3200cm2/g,0.08mm方孔筛余宜控制在5%10%(2)凝结时间初凝不早于1h,终凝不得迟于1
23、0h(3)安定性沸煮法合格(4)干缩性28d干缩性不大于0.1%(5)耐磨性磨耗量不大于3.00kg/m2(6)强度325、425、5253、工程应用2022/9/193.2 硅酸盐水泥(二)快硬硅酸盐水泥GB1991990快硬硅酸盐水泥凡以硅酸盐水泥熟料和适当石膏磨细制成的,以3d抗压强度表示标号的水硬性胶凝材料。1、技术要求1)化学性质 (1)氧化镁含量熟料中氧化镁含量不得超过5.0%;(2)三氧化硫含量不超过4.0%2022/9/193.2 硅酸盐水泥2)物理力学性质(1)细度(2)凝结时间初凝不早于45min,终凝不得迟于10h(3)安定性以3d强度表示标号325、375、4252、工程应用紧急抢修工程、冬季施工工程,缺点,干缩率较大2022/9/193.2 硅酸盐水泥四、高铝水泥1、铝酸盐水泥的原料与组成GB201-2000铝酸盐水泥以铝酸钙为主的铝酸盐水泥熟料,又称高铝
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