无机结合料课件

长安大学公路学院

《道路建筑材料》

第二章无机结合料长安大学公路学院《道路建筑材料》

定义：在建筑工程中能以自身的物理化学作用将松散材料（如砂、石等）胶结成为具有一定强度的整体结构的材料。按化学成分类：无机胶凝材料和有机胶凝材料两大类，

无机胶凝材料：石膏、石灰、水泥等，

有机胶凝材料：沥青、各种天然树脂、合成树脂无机胶凝材料（结合料）：根据硬化条件不同，

气硬性胶凝材料：只能在空气中硬化、保持或继续提高强度，包括石灰、石膏、镁质胶凝材料和水玻璃等；

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，且可在水中或适宜的环境中保持并继续提高强度，各种水泥都属于水硬性胶凝材料。胶凝材料或结合料定义：在建筑工程中能以自身的物理化学作用将松散材料（如第二章无机结合料石灰2.1水泥2.2粉煤灰2.3其他工业废渣2.4第二章无机结合料石灰2.1水泥2.2粉煤灰2.3其他工业第一节石灰掌握煅烧石灰的原料、生产工艺掌握欠火、过火的概念及产生的原因及危害掌握石灰组成，了解石灰结构掌握石灰水化及强度形成机理掌握钙质灰和镁质灰分类界限第一节石灰掌握煅烧石灰的原料、生产工艺石灰吟－明·于谦千锤万凿出深山烈火焚烧若等闲粉骨碎身浑不怕要留清白在人间石灰吟－明·于谦千锤万凿出深山一、原料及生产工艺原料：富含碳酸钙的岩石生产工艺：将原料经高温煅烧（加热至900℃以上），得到的白色或灰白色的块状材料即为生石灰。化学反应式为：品质：与原料、窑型及煅烧（温度）有关。

一、原料及生产工艺原料：富含碳酸钙的岩石

石灰石的分解时间与其块度和形状的关系见图图

石灰石分解时间与块度和形状的关系一、原料及生产工艺石灰石的分解时间与其块度和形状的关系见图图石灰石分解一、原料及生产工艺石灰在烧制过程中，防止“过火”或“欠火”现象。（1）“欠火”原因：原料尺寸过大、料块粒径搭配不当、装料过多或是煅烧温度不够、时间不足。

症状：密度较质量好的生石灰大，颜色发青；

危害：由于“欠火”，石灰岩中的碳酸钙未完全分解，氧化钙含量低，使用时粘结力差。（2）“过火”原因：由煅烧温度过高、时间过长而引起的。

症状：表面出现裂缝或有玻璃状外壳，呈灰黑色

危害：体积收缩明显，块体密度大，消化缓慢。一、原料及生产工艺石灰在烧制过程中，防止“过火”或“欠火”现一、原料及生产工艺（3）措施：块状石灰经磨细后，活性较熟石灰好，且过火和欠火颗粒呈粉状均匀分布，可消除过火颗粒的有害作用。但不易久存

一、原料及生产工艺（3）措施：块状石灰经磨细后，活性较熟石灰二、组成及结构结构：多孔结构组成：（1）有效成分：——黏结性氧化镁氧化钙：结合CaO－煅烧中生成的钙盐，不起胶凝作用游离CaO：活性CaO－普通条件下能与水反应，有效CaO非活性CaO－渣化或过烧—粉碎—活性CaO

（2）其它成分：——CaO+黏土杂质（酸性氧化物）铝酸一钙(CA)β型硅酸二钙(β-C2S)铁酸二钙(C2F)

影响石灰分解温度二、组成及结构结构：多孔结构二、组成及结构石灰结构形成过程

石灰石煅烧过程经历了三个阶段，其结构变化见表2.1。表2.1石灰石煅烧时的结构变化过程阶段主要性状特点I碳酸钙分解，形成具有碳酸钙（或氢氧化钙）假晶的氧化钙氧化钙属亚稳状态II亚稳形氧化钙晶体再结晶形成更稳定的氧化钙晶体，晶格为面心立方体内比表面积最大III再结晶的氧化钙烧结内比表面积逐渐降低二、组成及结构石灰结构形成过程阶段主要性状特点三、水化及强度形成机理1、水化（或消化）（1）

石灰与水作用的化学反应式为：烧制成的生石灰，在使用时必须加水使其“消化”成为“消石灰”，这一过程亦称为“熟化”，故消石灰又称“熟石灰”。三、水化及强度形成机理1、水化（或消化）（1）石灰与三、水化及强度形成机理（2）水化特点放热过程体积可增大1～2.5倍——反应产物转移速率小于水化速率

——固相体积增加，孔隙体积增加消解石灰的理论加水量仅为石灰质量的32％，但由于石灰消化是一个放热反应过程，实际加水量达70％以上。三、水化及强度形成机理（2）水化特点三、水化及强度形成机理（3）消解注意事项——严格控制加水量和加水速度。对消解速度快、活泼性大的石灰，若加水过慢、水量不够，则已消化石灰颗粒生成的Ca(OH)2将包裹于未消化颗粒周围，使内部石灰不易消化，这种现象称为“过烧”。对于消解速度慢、活泼性差的石灰，若加水速度过快，则发热量少、水温过低，增加了未消化颗粒，这种现象称为“过冷”。为了消除“过火石灰”的危害，石灰消化后“陈伏”半月左右再使用。陈伏期间，其表面应有一层水分，使之与空气隔绝，以防碳化。三、水化及强度形成机理（3）消解注意事项——严格控制加水量三、水化及强度形成机理（4）影响水化反应的因素①石灰煅烧条件；②水化温度③外加剂1－15％欠烧的石灰；2－煅烧正常的石灰；3－15％过烧的石灰；4－含32％MgO的苦土石灰三、水化及强度形成机理（4）影响水化反应的因素1－15％欠烧三、水化及强度形成机理2、硬化（1）干燥硬化（结晶作用）附加强度：石灰浆体干燥过程中，水分蒸发形成网状孔隙，在自由水表面张力作用下产生毛细管张力，使得石灰粒子更加密实。结晶强度：随着石灰浆游离水蒸发或被周围砌体吸收，Ca(OH)2

在饱和溶液中结晶析出，化学反应式为：析出的Ca(OH)2数量极少，这部分强度增长不显著。三、水化及强度形成机理2、硬化三、水化及强度形成机理（2）碳化作用

碳化强度:

Ca(OH)2与空气中的CO2作用生成CaCO3晶体，称为熟石灰的“碳化”。石灰浆体经碳化后获得最终强度。碳化条件：只有在有水的条件下才能进行，化学反应式为：三、水化及强度形成机理（2）碳化作用三、水化及强度形成机理3、强度形成机理序号强度来源特点I干燥硬化由于蒸发形成网状孔隙，滞留在孔隙中水产生毛细管压力，形成附加强度。Ca（OH）2在饱和溶液中结晶析出，形成结晶强度II碳酸化条件：只有在有水的条件下才能进行碳化速率：取决于环境中的CO2浓度、石灰溶液浓度以及与空气接触棉结三、水化及强度形成机理3、强度形成机理序号强度来源特点I干燥1、技术要求（1）有效氧化钙和氧化镁含量（2）生石灰产浆量和未消化残渣含量（3）二氧化碳含量（4）消石灰游离水含量（5）细度三、技术性质及技术标准1、技术要求三、技术性质及技术标准三、技术性质及技术标准表2.4钙质石灰和镁质石灰分类界限(％)品种MgO含量生石灰生石灰粉消石灰粉钙质石灰≤5≤5＜4镁质石灰＞5＞5≥4按有效CaO和MgO含量、产浆量、未消解残渣和CO2含量等四个指标，优等品、一等品及合格品生石灰的技术标准

2、技术标准三、技术性质及技术标准表2.4钙质石灰和镁质石灰分类界限第二节水泥了解水泥的分类掌握硅酸盐水泥矿物组成及特点了解水泥的矿物结构了解硅酸盐水泥的水化过程及凝结硬化掌握硅酸盐水泥的技术性质第二节水泥了解水泥的分类一、水泥定义及分类水泥可以被定义为一种胶结材料，即通过胶结作用可将一些固体碎块结合成一个坚实的整体。1.水泥定义一、水泥定义及分类1.水泥定义一、水泥定义及分类2.水泥分类硅酸盐水泥铝酸盐水泥硫铝酸盐水泥铁铝酸盐水泥通用水泥专用水泥特种水泥按水硬性物质分按性能和用途分凝结快早强高耐热性能好一、水泥定义及分类2.水泥分类硅酸盐水泥通用水泥按水硬性物质通用水泥分类矿渣硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥复合硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥通用水泥按混合材种类及数量进行分类一、水泥定义及分类通用水泥分类矿渣硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥复合硅酸盐特种水泥分类特种水泥快硬性水泥水化热水泥耐高温型水泥低碱水泥抗硫酸盐水泥膨胀水泥一、水泥定义及分类特种水泥分类特种水泥快硬性水泥水化热水泥耐高温型水泥低碱水泥专用水泥分类道路水泥大坝水泥砌筑水泥专用水泥一、水泥定义及分类专用水泥分类道路水泥大坝水泥砌筑水泥专用水泥一、水泥定义及分美国标准中关于水泥的分类I型－普通型；II型－中等抗硫酸盐型；III型－早强型；IV型－低水化热型；ASTMC150对水泥的分类IA型－普通引气型；IIA型－中等抗硫酸盐引气型；IIIA型－早强引气型；V型－高抗硫酸盐型；一、水泥定义及分类美国标准中关于水泥的分类I型－普通型；ASTMC150IA二、硅酸盐水泥矿物组成及化学成分CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3，在熟料中占95％以上。MgO、SO3、TiO2、P2O5及碱等，在熟料中含5%以下。硅酸盐水泥熟料是一种多矿物组成的结晶细小的人造岩石，或者说它是一种多矿物的聚集体。二、硅酸盐水泥矿物组成及化学成分CaO、SiO2、Al2O31.矿物组成及特点硅酸盐水泥熟料的矿物组成及化学成分二、硅酸盐水泥矿物组成及化学成分矿物组成化学组成缩写含量（%）硅酸盐矿物硅酸三钙3CaO·SiO2C3S35～65硅酸二钙2CaO·SiO2C2S10～40溶剂矿物铝酸三钙3CaO·Al2O3C3A0～15铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3C4AF5～151.矿物组成及特点二、硅酸盐水泥矿物组成及化学成分矿物组硅酸盐水泥熟料主要矿物组成的特点矿物组成主要特点C3S最主要的矿物成分。遇水反应速度较快，水化热高，水化产物对水泥早期和后期强度起主要作用C2S主要矿物成分，遇水反应速度较慢，水化热很低，水化产物对水泥早期强度贡献较小，但对水泥后期强度起重要作用，耐化学侵蚀性和干缩性较好C3A含量通常在15％以下，是四种主要矿物组成中遇水反应速度最快，水化热最高的组分。它的含量决定水泥的凝结速度和释热量，它与为调节水泥凝结速度而掺入的石膏形成的水化产物对水泥早期强度起一定作用。耐化学侵蚀性差，干缩性大C4AF遇水反应较快，水化热较高。强度较低，但对水泥抗折强度起重要作用。耐磨性、耐化学侵蚀性好，干缩性小二、硅酸盐水泥矿物组成及化学成分硅酸盐水泥熟料主要矿物组成的特点矿物组成主要硅酸盐水泥熟料主要矿物组成性能比较矿物组成硅酸三钙（C3S）硅酸二钙（C2S）铝酸三钙（C3A）铁铝酸四钙（C4AF）与水反应速度中慢快中水化热中低高中对强度的作用早期良差良良后期良优中中耐化学侵蚀性中良差优干缩性中小大小二、硅酸盐水泥矿物组成及化学成分硅酸盐水泥熟料主要矿物组成性能比较矿物组成硅酸三钙硅酸二钙铝2.矿物结构水泥熟料在显微镜下的内部结构见图2.3。图2.3显微镜下观察到的水泥熟料抛光薄片二、硅酸盐水泥矿物组成及化学成分2.矿物结构图2.3显微镜下观察到的水泥熟料抛光薄片二、在水泥熟料抛光薄片中，光亮的棱角形晶体为C3S；深色倒圆角的晶体为C2S；C3A一般呈不规则的微晶体，如点滴状、矩形或柱状，由于反光能力弱，在反光镜下呈暗灰色，常称为黑色中间相；C4AF呈棱柱状或圆粒状，反光能力强，在反光镜下呈亮白色，称为白色中间相。二、硅酸盐水泥矿物组成及化学成分在水泥熟料抛光薄片中，光亮的棱角形晶体为二、硅酸盐水泥矿物组①C3S结构特征

C3S称为阿利特或简称A矿。其晶体断面为六角形和棱柱形，如图2.4所示。图2.4C3S晶体结构二、硅酸盐水泥矿物组成及化学成分①C3S结构特征图2.4C3S晶体结构二、硅酸盐水泥矿C3S的结构特征可概括为：具有热力学不稳定性；结构中的钙离子具有较高活性；C3S结构中进入了Al3＋与Mg2＋离子并形成固溶体，固溶程度越高，活性越大；结构中存在大尺寸的“空穴”，使其具有较大的水化速度。二、硅酸盐水泥矿物组成及化学成分C3S的结构特征可概括为：二、硅酸盐水泥矿物组成及化学成分②C2S结构特征C2S称为贝利特或简称B矿，C2S以β-C2S的形式存在。其结构特征可概括如下：β-C2S结构具有热力学不稳定性；β-C2S结构中的钙离子具有较高活性；β-C2S结构中，杂质和稳定剂的存在提高了其结构活性；β-C2S结构中没有大的“空穴”，水化速度较慢。二、硅酸盐水泥矿物组成及化学成分②C2S结构特征二、硅酸盐水泥矿物组成及化学成分③C3A结构特征

C3A在水泥熟料烧成过程中900～1100℃开始形成，1100～1200℃时大量生成，且只有当化学成分Al2O3和Fe2O3的重量比大于0.64时才能形成。其结构特征为：结构中的铝离子、钙离子具有较高活性；结构中存在较大的“空穴”，水化速度快。二、硅酸盐水泥矿物组成及化学成分③C3A结构特征二、硅酸盐水泥矿物组成及化学成分④C4AF结构特征C4AF也称才利特或C矿。在透射光下，呈黄褐色或褐色的晶体，有很高的折射率。其结构特征为：高温时形成一种固溶体，在铝原子取代铁原子时引起晶格稳定性降低。二、硅酸盐水泥矿物组成及化学成分④C4AF结构特征二、硅酸盐水泥矿物组成及化学成分1.水泥熟料单矿物的水化①C3S水化常温条件下，C3S的水化反应式为：C3S的水化过程是放热过程三、硅酸盐水泥的水化及凝结硬化1.水泥熟料单矿物的水化C3S的水化过程是放热过程三、硅酸盐诱导期加速期衰减期稳定期C3S水化过程三、硅酸盐水泥的水化及凝结硬化水化过程5阶段诱导前期诱导期加速期衰减期图2.6C3S水化各阶段示意图三、硅酸盐水泥的水化及凝结硬化图2.6C3S水化各阶段示意图三、硅酸盐水泥的水化及凝结凝结标志着水泥浆失去塑性而具有一定的塑性强度。凝结硬化硬化表示水泥浆固化后所形成的结构具有一定的机械强度。三、硅酸盐水泥的水化及凝结硬化2.凝结硬化水泥与水拌和后发生水化反应，各种水化产物生成，随着时间推移，水泥浆失去塑性，形成坚硬的水泥石，此过程称为凝结硬化。凝结标志着水泥浆失去塑性而具有一定的塑性强度。凝结硬化水泥的凝结硬化过程如图2.9所示。1－水泥颗粒；2－水分；3－凝胶；4－水泥颗粒的未水化内核；5－毛细孔；图2.9水泥凝结硬化过程示意图三、硅酸盐水泥的水化及凝结硬化水泥的凝结硬化过程如图2.9所示。1－水泥颗粒；2－水分；3主要水化产物：C-S-H凝胶70％

C-H结晶20％Aft（钙钒石）和AFm（单硫盐）7％未水化的水泥和次要组分三、硅酸盐水泥的水化及凝结硬化影响水化因素

温度：温度高，水化快，早强高，但对后期强度有不利影响，由于时间不充分，来不及形成有序，故最终强度往往低于低温时形成的强度。水灰比：水灰比高，水化快，但强度低。W蒸发，留下孔隙，强度低。主要水化产物：三、硅酸盐水泥的水化及凝结硬化影响水化因素凝结：塑性减少的过程，失去流动性的过程，反应产物达到一定程度，反应产物填充水泥颗粒之间，增加了接触点，浆体失去流动性。硬化：C-S-H、CH、Aft数量明显增多，水泥核心变小，孔隙变小，强度增大，长达几十年。三、硅酸盐水泥的水化及凝结硬化凝结：塑性减少的过程，失去流动性的过程，反应三、硅酸盐水泥的1.化学性质硅酸盐水泥化学性质指标项目及其使用意义性能指标指标在使用上的意义氧化镁引起水泥安定性不良的重要原因。水泥中氧化镁含量不宜超过5.0%三氧化硫引起水泥安定性不良的重要原因。水泥中的三氧化硫含量不宜超过3.5%烧失量I型硅酸盐水泥的烧失量不得大于3.0%，II型硅酸盐水泥的烧失量不得大于3.5％，III型硅酸盐水泥的烧失量不得大于5.0%不溶物影响I型硅酸盐水泥中的不溶物含量不得大于0.75%II型硅酸盐水泥不得大于1.5%碱水泥中的含碱量不宜超过0.6%四、硅酸盐水泥的技术性质与技术标准1.化学性质性能指标指标在使用上的意义氧化镁引起水泥安定性不2.物理性质①细度指水泥颗粒的粗细程度。常用80μm筛筛析法和比表面积法测定。②水泥净浆标准稠度采用标准法维卡仪测定，以试杆沉入净浆距板底(6±1)mm时的稠度为“标准稠度”，此时的用水量称为标准稠度用水量。四、硅酸盐水泥的技术性质与技术标准2.物理性质四、硅酸盐水泥的技术性质与技术标准③凝结时间分为初凝时间和终凝时间，其划分见图2.10。图2.10水泥浆初凝和终凝时间的划分四、硅酸盐水泥的技术性质与技术标准③凝结时间图2.10水泥浆初凝和终凝时间的划分四、硅酸盐④体积安定性反映了水泥浆在凝结硬化过程中体积膨胀变形的均匀程度。测定方法有雷氏夹法和试饼法。⑤强度是水泥技术要求中最基本的技术指标，我国规范中采用ISO法评定水泥的强度等级。GB175－1999中将水泥分为普通型和早强型(R)两个型号。四、硅酸盐水泥的技术性质与技术标准④体积安定性四、硅酸盐水泥的技术性质与技术标准水泥强度等级按规定龄期的抗压和抗折强度来划分，以MPa表示。硅酸盐水泥分3个强度等级六种类型。水泥混凝土路面用水泥，在供应条件允许时，应尽量优先选用早强型水泥，以缩短混凝土养护时间，提早通车。四、硅酸盐水泥的技术性质与技术标准水泥强度等级按规定龄期的抗压和抗折强度四、硅酸盐水泥的技术性硅酸盐水泥的强度等级3个强度等级六种类型42.552.562.542.5R52.5R62.5R四、硅酸盐水泥的技术性质与技术标准硅酸盐水泥的强度等级3个强度等级42.552.5表

硅酸盐水泥的强度指标要求强度等级抗压强度（MPa）/不低于抗折强度（MPa）/不低于3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.528.062.55.08.062.5R32.062.55.58.0四、硅酸盐水泥的技术性质与技术标准表硅酸盐水泥的强度指标要求强度等级抗压强度（MPa）/不3.技术标准凡化学成分（不溶物、烧失量、三氧化硫、氧化镁、氯离子）、凝结时间、安定性、强度不满足要求时，为不合格品。四、硅酸盐水泥的技术性质与技术标准3.技术标准四、硅酸盐水泥的技术性质与技术标准硅酸盐水泥技术标准技术性能细度（比表面积）(m2/kg)凝结时间(min)安定性沸煮法不溶物不大于/%MgO/%不大于SO3/%不大于烧失量不大于/%碱含量Na2O+0.658K2O/%初凝终凝I型II型I型II型指标＞300≥45≤390必须合格0.751.505.03.53.03.5≤0.60四、硅酸盐水泥的技术性质与技术标准不掺混合材的水泥称为Ⅰ硅酸盐水泥，P.I在水泥熟料粉磨时，掺加不超过质量5％石灰石或粒化高炉矿渣混合材的水泥称为II硅酸盐水泥，P.II技术细度凝结时间安定性不溶物MgOSO3烧失量碱含量初凝终凝道路与桥梁结构物可能遇到的腐蚀因素包括：淡水侵蚀—溶析性侵蚀硫酸盐侵蚀镁盐侵蚀碳酸侵蚀五、硅酸盐水泥的腐蚀与防止道路与桥梁结构物可能遇到的腐蚀因素包括：五、硅酸盐水泥的腐蚀淡水侵蚀—溶析性侵蚀

环境条件：在大量或流动的水中

反应过程：Ca（OH）2溶解度最大，在大量或流动的水中Ca（OH）2不断溶析，砼密度、强度降低，且随着水泥石液相中Ca（OH）2浓度降低，导致C-S-H和C-A-H不断分解，形成低碱水化物混凝土，水泥石内部不断受到破坏，强度不断降低，最终引起整个结构物的破坏。五、硅酸盐水泥的腐蚀与防止淡水侵蚀—溶析性侵蚀五、硅酸盐水泥的腐蚀与防止硫酸盐侵蚀环境条件：水中含有碱性硫酸盐，如Na2SO4，K2SO4

反应过程：SO42－浓度大于1400mg/lCa（OH）2＋SO42－＝CaSO42H2O结晶析出SO42－浓度低时CaSO4与固态C-A-H,生成水化硫铝酸钙，该反应在固相中进行，水化硫铝酸钙结合大量结晶水，体积膨胀约为原C-A-H的2.5倍，产生很大的内应力。五、硅酸盐水泥的腐蚀与防止硫酸盐侵蚀五、硅酸盐水泥的腐蚀与防止镁盐侵蚀环境条件：水中含有镁盐，如MgSO4，MgCl2

反应过程：Ca（OH）2＋Mg2＋生成Mg（OH）2二水石膏、氯化钙，降低Ca（OH）2

而Mg（OH）2无粘结性氯化钙易溶解二水石膏能引起硫酸盐的破坏作用。五、硅酸盐水泥的腐蚀与防止镁盐侵蚀五、硅酸盐水泥的腐蚀与防止碳酸侵蚀

环境条件：水中含有二氧化碳

反应过程：Ca（OH）2＋CO2+H2O→CaCO3＋H2OCaCO3＋CO2+H2O→Ca(HCO3)2五、硅酸盐水泥的腐蚀与防止碳酸侵蚀五、硅酸盐水泥的腐蚀与防止水泥石腐蚀防止措施合理选用水泥品种选用C2S含量低的水泥，可提高耐淡水腐蚀能力；选用C3A含量低的水泥，可提高抗硫酸盐侵蚀能力。提高水泥石的密度敷设保护层可在混凝土表面敷设一层耐腐蚀性强且不透水的保护层。五、硅酸盐水泥的腐蚀与防止水泥石腐蚀防止措施五、硅酸盐水泥的腐蚀与防止道路硅酸盐水泥掺混合材的水泥普通硅酸盐水泥P.O(6~15%混合材)矿渣硅酸盐水泥P.S(粒化高炉矿渣为20～70％)火山灰质硅酸盐水泥P.P(火山灰质为20～50％)粉煤灰硅酸盐水泥P.F(粉煤灰为20～40％)膨胀水泥彩色水泥六、其他水泥道路硅酸盐水泥六、其他水泥道路硅酸盐水泥

六、其他水泥矿物组成化学组成物理力学性质C3AC4AFMgOSO3烧失量f-CaO含碱量细度凝结时间安定性干缩性耐磨性＜5.0％≮16.0％＜5.0％＜3.5％＜3.0％＜1.0％(旋)＜1.8％（立）＜0.6％300～450m2/kg≮1.5h（初）＜10.0h（终）合格＜1.0％≮3.0kg/m2道路硅酸盐水泥六、其他水泥矿物组成化学组成物理力学性质C3A第三节粉煤灰第三节