《土木工程材料》教案

《土木工程材料》教案2024/3/11《土木工程材料》教案3.无机胶凝材料3.1石灰3.2石膏3.3水玻璃3.4硅酸盐水泥3.5其他通用水泥3.6特性水泥和专用水泥《土木工程材料》教案学习目标：掌握石膏、石灰及水玻璃的硬化机理、性质及使用要点，熟悉其主要用途。熟悉硅酸盐水泥的矿物组成，了解其硬化机理，熟练掌握通用水泥的性能特点、检测方法及选用原则。了解特性水泥和专用水泥的主要性能及使用特点。《土木工程材料》教案3.1石灰3.1.1石灰的生产及分类块灰中可能有欠火石灰、过火石灰。MgO≤5%钙质石灰；MgO＞5%镁质石灰。加工可得：生石灰粉、消石灰粉、石灰膏。《土木工程材料》教案3.1.2石灰的熟化与硬化１．石灰的熟化烧制成的生石灰为块状的，在使用时必须加水使其“消化”成为粉未状的“消石灰”，这一过程亦称“熟化”，故消石灰亦称“熟石灰”。其化学反应式为：CaO+H2O=Ca（OH）2+64.9×103J石灰加水后，放出大量的热，体积膨胀，质纯且煅烧良好的石灰体积增大１～２.５倍。《土木工程材料》教案2.石灰的硬化石灰的硬化过程包括干燥硬化和碳化两部分。１）石灰浆的干燥硬化水分蒸发Ca（OH）2从饱和溶液中结晶析出。２）硬化石灰浆的碳化Ca（OH）2+CO2+H2O=CaCO3+2H2O《土木工程材料》教案3.1.3石灰的技术性质与技术要求1.石灰的性质（1）可塑性好（2）硬化较慢、强度低（3）硬化时体积收缩大（4）耐水性差（5）石灰吸湿性强《土木工程材料》教案2.建筑石灰的技术要求《建筑生石灰》JC/T479-92技术指标：（1）CaO+MgO含量（2）CO2含量（2）未消化残渣含量（4）产浆量《建筑生石灰粉》JC/T480-92技术指标：（1）CaO+MgO含量（2）CO2含量（3）细度《土木工程材料》教案《建筑熟石灰粉》JC/T481-92技术指标：（1）CaO+MgO含量（2）游离水（3）体积安定性（4）细度《公路路面基层施工技术规范）JTJ034-2000仍按GB1594-79将生石灰和消石灰分三个等级，检测CaO+MgO含量和未消化残渣含量两项；消石灰为CaO+MgO含量、含水量和细度三项。此标准的Ⅲ级石灰未达到建材行业合格品标准。《土木工程材料》教案3.1.4石灰的应用1.石灰乳2.配制砂浆3.石灰土和三合土4.制作硅酸盐制品《土木工程材料》教案3.2石膏3.2.1石膏的种类1.天然二水石膏(CaSO4·2H2O)2.化工石膏(CaSO4·2H2O+CaSO4混合物)3.天然无水石膏（CaSO4）4.建筑石膏（二水石膏加热107-170℃脱水制成β半水石膏）CaSO4·2H2O=β-CaSO4·1/2H2O+3/2H2O5.高强石膏（二水石膏在0.13MPa加热124℃蒸压制成α半水石膏）《土木工程材料》教案3.2.2建筑石膏的水化硬化建筑石膏与适量的水混合，最初为可塑的浆体，但很快就失去塑性并产生强度，并发展成为坚硬的固体。这一过程可分为水化和硬化两部分。1.建筑石膏的水化（很快约需7-12min）CaSO4·1/2H2O+3/2H2O=CaSO4·2H2O2.建筑石膏的凝结硬化石膏浆体中的自由水因水化和蒸发而逐渐减少，粒子总表面积增加，因而浆体可塑性减少，浆体渐渐变稠，这一过程为凝结。其后，浆体继续变稠，逐渐凝聚成为晶体。晶体逐渐长大，共生和交错，浆体逐渐产生强度，并不断增长，直到完全干燥。晶体之间的摩擦力和粘聚力不再增加，强度才停止发展。这一过程为硬化。凝结与硬化是一个连续的过程。《土木工程材料》教案3.2.3建筑石膏的性质与技术要求1.建筑石膏的性质（1）密度与堆积密度（2.60-2.75g/cm3；800-1000kg/m3（2）凝结硬化快（3）凝结硬化时体积微膨胀（4）硬化后孔隙率高（5）防火性能好（6）耐水性和抗冻性差2.建筑石膏的技术要求《建筑石膏》（GB9776-88）主要技术指标有强度、细度和凝结时间。表3-4分三个等级。《土木工程材料》教案3.2.4建筑石膏的应用1.制备石膏砂浆和粉刷石膏2.石膏板及装饰件《土木工程材料》教案3.3水玻璃3.3.1水玻璃的组成建筑工程最常用的是硅酸盐钠水玻璃（Na2O·nSiO2），n为水玻璃模数（1-3.5）。3.3.2.水玻璃的硬化液体水玻璃会吸收空气中二氧化碳，反应如下：Na2O·nSiO2+CO2+mH2O=nSiO2·mH2O+Na2CO3析出无定形二氧化硅凝胶，并逐渐干燥而硬化。这个过程缓慢，为加速硬化常加入氟硅酸钠作为促凝剂，反应如下：2(Na2O·nSiO2)+Na2SiF6+mH2O=(2n+1)SiO2·mH2O+6NaF氟硅酸钠适宜用量为12-15%，过高过低均降低强度。《土木工程材料》教案3.3.3水玻璃的性质凝结硬化后具有如下性质：1.粘结能力强；2.不燃烧、耐高温；3.耐酸能力强；4.不耐水；5.不耐碱。3.3.4水玻璃的应用1.涂刷材料表面（抗材料风化、内外墙涂料）2.配制防水剂（加矾制成防水剂堵漏或缝隙）3.用于土壤加固（水玻璃+氯化钠加固砂土强度可达3-6MPa）4.其他（耐酸、耐热混凝土或砂浆）《土木工程材料》教案3.4硅酸盐水泥《水泥命名原则》（GB4131-84）按性能及用途分三类：通用水泥、专用水泥、特性水泥。3.4.1硅酸盐水泥的生产与基本组成凡由硅酸盐水泥熟料，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，称为硅酸盐水泥（国外通称波特兰水泥）。不掺混合材料称Ⅰ型硅酸盐水泥（Ｐ·Ⅰ）；掺≤5%混合材料称Ⅱ型硅酸盐水泥（Ｐ·Ⅱ）。《土木工程材料》教案《土木工程材料》教案

硅酸盐水泥主要矿物组成与特性性能指标熟料矿物C3SC2SC3AC4AF水泥凝结硬化速率快慢最快快28d水化热多少最多中强度早期高低低低后期高高低低《土木工程材料》教案3.4.2硅酸盐水泥的水化硬化1.硅酸盐水泥熟料的水化《土木工程材料》教案2.硅酸盐水泥的凝结硬化过程水化——膜层长厚连接（初凝）——失去可塑性产生强度（终凝）——水化加深具有强度（硬化）。为了控制水泥水化速度掺入适量石膏。《土木工程材料》教案3.4.3硅酸盐水泥的技术要求《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》（GB175-1999）规定如下：1细度细度是指水泥颗粒的粗细程度。2凝结时间国标规定：六大水泥的初凝＞45min；硅酸盐水泥的终凝＜6.5h，其它五类水泥终凝＜10h。3体积安定性水泥的体积安定性是指水泥在凝结硬化过程中，体积变化的均匀性。引起体积安定性不良的原因是：熟料含有过多f-CaO、f-MgO或石膏掺量过多。《土木工程材料》教案4.强度和强度等级水泥强度是选用水泥时的主要技术指标，也是划分水泥强度等级的依据。国标规定：采用（ISO法）测定水泥强度。据测定结果，按表3-7确定水泥的强度等级。国标规定：硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个强度等级；其它五种水泥分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个强度等级。5碱含量碱含量是指水泥中Na2O和K2O的含量。若水泥中碱含量过高，易产生碱-骨料反应，造成工程危害。《土木工程材料》教案3.4.4硅酸盐水泥的腐蚀与防止1.硅酸盐水泥的腐蚀（1）软水的侵蚀（2）硫酸盐的腐蚀3CaO·Al2O3·6H2O+3(CaSO4·2H2O)+19H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O（3）镁盐的腐蚀MgSO4+Ca(OH)2+H2O=CaSO4·2H2O+Mg(OH)2MgCl2+Ca(OH)2=CaCl2+Mg(OH)2（4）一般酸的腐蚀(均会产生不同程度的腐蚀)《土木工程材料》教案（5）碳酸腐蚀Ca(OH)2+CO2+H2O=CaCO3+2H2OCaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2（6）强碱的腐蚀3CaO·Al2O3+6NaOH=3NaO·Al2O3+3Ca(OH)22.腐蚀的防止（1）根据环境特点，合理选用水泥品种（2）提高水泥石密度，改善孔结构（3）加做保护层《土木工程材料》教案3.5其他通用水泥3.5.1水泥混合材料1.活性混合材料（1）粒化高炉矿渣（2）粉煤灰（3）火山灰质混合材料2.非活性混合材料低于GB1596、GB2847、GB203要求的粉煤灰、火山灰质混合材料和粒化高炉矿渣以及石灰石和砂岩。3.窑灰《土木工程材料》教案3.5.2几种通用水泥的组成与技术要求1.普通硅酸盐水泥（1）组成凡由硅酸盐水泥熟料，6%-15%混合材料，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥P·O）。（2）技术要求混合材料的掺量较少，其矿物组成和硅酸盐水泥相似，所以普通水泥的性能、应用范围与同强度等级的硅酸盐水泥相近。强度等级多了32.5和32.5R，少了62.5和62.5R。《土木工程材料》教案2.矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥（1）组成凡由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为矿渣硅酸盐水泥（简称矿渣水泥P·S）。水泥中粒化高炉矿渣掺加量按重量百分比计为20%～70%。允许用石灰石、窑灰、粉煤灰和火山灰质混合材料中的一种材料代替矿渣，代替数量不得超过水泥重量的8%，替代后水泥中粒化高炉矿渣不得少于20%。

凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为火山灰质硅酸盐水泥（简称火山灰水泥P·P）。水泥中火山灰质混合材料掺加量按重量百分比计为20%～50%。

凡由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为粉煤灰硅酸盐水泥（简称粉煤灰水泥P·F）。水泥中粉煤灰掺加量按重量百分比计为20%～40%。《土木工程材料》教案（2）技术要求《矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥》（GB1344—1999）规定的技术要求如下：1．氧化镁。熟料中氧化镁的含量不超过5.0%，如果水泥经压蒸安定性试验合格，则熟料中氧化镁的含量允许放宽到6.0%。2．三氧化硫。矿渣水泥中不得超过4.0%。火山灰水泥、粉煤灰水泥中不得超过3.5%。3．细度。80μm方孔筛筛余不得超过10.0%。4．凝结时间。初凝不得早于45min，终凝不得迟于10h。5．安定性。用沸煮法检验必须合格。6．强度。水泥强度等级按规定龄期的抗压强度和抗折强度划分。三种水泥各强度等级、各龄期强度不得低于表3-9数值。7．碱。水泥中碱含量按NaO+0.658K2O计算值来表示，若使用活性骨料需限制水泥中碱含量时由供需双方商定。《土木工程材料》教案（3）从这三种水泥的组成可以看出，它们的区别仅在于掺加的活性混合材料的不同，而由于三种活性混合材料的化学组成和化学活性基本相同，其水泥的水化产物及凝结硬化速度相近，因此这三种水泥的大多数性质和应用相同或相近，即这三种水泥在许多情况下可替代使用。同时，又由于这三种活性混合材料的物理性质和表面特征及水化活性等有些差异，使得这三种水泥分别具有某些特性。总之，这三种水泥与硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥相比，具有以下特点：a)三种水泥的共性早期强度低、后期强度发展高。对温度敏感，适合高温养护。《土木工程材料》教案耐腐蚀性好。水化热小。抗冻性较差。抗碳化性较差b)三种水泥的特性矿渣硅酸盐水泥:由于粒化高炉矿渣玻璃体对水的吸附能力差，即对水分的保持能力差（保水性差），与水拌合时易产生泌水造成较多的连通孔隙，因此，矿渣硅酸盐水泥的抗渗性差，且干缩较大。矿渣本身耐热性好，且矿渣硅酸盐水泥水化后氢氧化钙的含量少，故矿渣硅酸盐水泥的耐热性较好。矿渣硅酸盐水泥适合用于有耐热要求的混凝土工程，不适合用于有抗渗要求的混凝土工程《土木工程材料》教案火山灰质硅酸盐水泥:火山灰质混合材料内部含有大量的微细孔隙，故火山灰质硅酸盐水泥的保水性高；火山灰质硅酸盐水泥水化后形成较多的水化硅酸钙凝胶，使水泥石结构致密，因而其抗渗性较好；火山灰质硅酸盐水泥的干缩大，水泥石易产生微细裂纹，且空气中的二氧化碳能使水化硅酸钙凝胶分解成为碳酸钙和氧化硅的混合物，使水泥石的表面产生起粉现象。火山灰质硅酸盐水泥的耐磨性也较差。

火山灰质硅酸盐水泥适合用于有抗渗性要求的混凝土工程，不宜用于干燥环境中的地上混凝土工程，也不宜用于有耐磨性要求的混凝土工程。

《土木工程材料》教案粉煤灰硅酸盐水泥：粉煤灰是表面致密的球形颗粒，其吸附水的能力较差，即保水性差、泌水性大，其在施工阶段易使制品表面因大量泌水产生收缩裂纹（又称失水裂纹），因而粉煤灰硅酸盐水泥抗渗性差；粉煤灰硅酸盐水泥的干缩较小，这是因为粉煤灰的比表面积小，拌合需水量小的缘故。粉煤灰硅酸盐水泥的耐磨性也较差。

粉煤灰硅酸盐水泥适合用于承载较晚的混凝土工程，不宜用于有抗渗性要求的混凝土工程，且不宜用于干燥环境中的混凝土及有耐磨性要求的混凝土工程。《土木工程材料》教案3.6特性水泥和专用水泥3.6.1铝酸盐水泥凡以铝酸钙为主的铝酸盐水泥熟料，磨细制成的水硬性胶凝材料，称为铝酸盐水泥（CA）。按Al2O3含量分为CA-50、CA-60、CA-70、CA-80四类。铝酸盐水泥是一种快硬、高强、耐腐蚀、耐热的水泥，又称高铝水泥。铝酸盐水泥的主要矿物成分是铝酸一钙（CaO·Al2O3简写式CA）和二铝酸一钙（CaO2·Al2O3简写式CA2），此外还有少量的其他铝酸盐和硅酸二钙。《土木工程材料》教案铝酸盐水泥的水化产物与温度密切相关，主要是十水铝酸一钙（（CaO·Al2O3·10H2O简写式CAH10）八水铝酸二钙（2CaO·Al2O3·8H2O，简写式C2AH8）和铝胶（Al2O3·3H2O）。

CAH10和C2AH8为片状或针状的晶体，它们互相交错搭接，形成坚固的结晶连生体骨架，同时生成的铝胶填充于晶体骨架的空隙中，形成致密的水泥石结构，因此强度较高。水化5～7天后，水化物的数量很少增长，故铝酸盐水泥的早期强度增长很快，后期强度增进很小。

特别需要指出的是，CAH10和C2AH8都是不稳定的，会逐步转化为C3AH6，温度升高转化加快，晶体转变的结果，使水泥石内析出了游离水，增大了孔隙率；同时也由于C2AH6本身强度较低，且相互搭接较差，所以水泥石的强度明显下降，后期强度可能比最高强度降低达40%以上。《土木工程材料》教案《铝酸盐水泥》GB201-2000规定其细度、凝结时间及强度应符合表3-11要求。与硅酸盐水泥相比，铝酸盐水泥具有以下特性及相应的应用：

1．快硬早强。1d强度高，适用于紧急抢修工程。

2．水化热大。放热量主要集中在早期，1d内即可放出水化总热量的70%～80%，因此，不宜用于大体积混凝土工程，但适用于寒冷地区冬季施工的混凝土工程。

3．抗硫酸盐侵蚀性好。是因为铝酸盐水泥在水化后几乎不含有Ca(OH)2，且结构致密。适用于抗硫酸盐及海水侵蚀的工程。

4．耐热性好。是因为不存在水化产物Ca(OH)2在较低温度下的分解，且在高温时水化产物之间发生固相反应，生成新的化合物。因此，铝酸盐水泥可作为耐热砂浆或耐热混凝土的胶结材料，能耐1300～1400℃高温。

5．长期强度要降低。一般降低40%～50%，因此不宜用于长期承载结构，且不宜用于高温环境中的工程。《土木工程材料》教案3.6.2快硬留铝酸盐水泥以适当成分的生料，经煅烧所得以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，加入适量的石膏和0～10%的石灰石，磨细制成的早期强度高的水硬性胶凝材料，称为快硬硫铝酸盐水泥（R·SAC）。标准《快硬硫铝酸盐水泥》（JC714—1996）规定的技术要求是：

1．比表面积：比表面积不得小于350m2/kg；

2．凝结时间：初凝不得早于25min，终凝不得迟于180min；

3．强度：按各龄期强度划分为425、525、625、725四个强度等级。《土木工程材料》教案快硬硫铝酸盐的主要水化产物是：高硫型水化硫铝酸钙（AFt）低硫型水化硫铝酸钙（AFm）铝胶和水化硅酸盐，由于C4A3、C2S和CaSO4·2H2O在水化反应时互相促进，因此水泥的反应非常迅速，早期强度非常高。快硬硫铝酸盐水泥的特性与应用

1．凝结快、早期强度很高1天的强度可达34.5～59.0MPa，因此特别适用抢修或紧急工程。

2．水化放热快但放热总量不大，因此适用于冬季施工，但不适用于大体积混凝土工程。

3．硬化时体积微膨胀因为水泥水化生成较多钙矾石，因此适用于有抗渗、抗裂要求的混凝土工程。

4．耐蚀性好因为水泥石中没有Ca(OH)2与水化铝酸钙，适用于有耐蚀性要求的混凝土工程。

5．耐热性差因为水化产物AFt和AFm中含有大量结晶水，遇热分解释放大量的水使水泥石强度下降，因此不适用于有耐热要求的混凝土工程。《土木工程材料》教案3.6.3道路硅酸盐水泥以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分和较多量的铁铝酸钙的硅酸盐熟料称为道路硅酸盐水泥熟料。由道路硅酸盐水泥熟料、0～10%活性混合材料和适量石膏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）。道路水泥是一种强度高、特别是抗折强度高、耐磨性好、干缩性小、抗冲击性好、抗冻性和抗硫酸性比较好的专用水泥。它适用于道路路面、机场跑道道面、城市广场等工程。由于道路水泥具有干缩性小、耐磨、抗冲击等特性，可减少水泥混凝土路面的裂缝和磨耗等病害，减少维修、延长路面使用年限。《土木工程材料》教案3.6.4其他水泥1.白色硅酸盐水泥和彩色水泥凡以适当成分的生料烧至部分溶融，所得以硅酸钙为主要成分、氧化铁含量很少的白色硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，磨细制成的水硬性胶凝材料，称为白色硅酸盐水泥（简称白水泥）。白水泥的性能与硅酸盐水泥基本相同，所不同的是严格控制水泥原料的铁含量，并严防在生产过程中混入铁质。Fe2O3含量一般小于0.5%，尽可能除掉其他着色氧化物（MnO、TiO2等）。《白色硅酸盐水泥》（GB2015-91）的规定，细度为0.08mm方孔筛筛余不大1