無機膠凝材料

1、 - 土木工程材料土木工程材料主講：廖原廣州大學土木工程學院 廖原電話廣州大學 廖原第2頁，共72頁本章內容本章內容石膏石灰其他氣硬性膠凝材料硅酸鹽水泥鋁酸鹽水泥第三系列水泥廣州大學 廖原第3頁，共72頁膠凝材料膠凝材料膠凝材料定義膠凝材料是指土木工程材料中，經過一系列物理作用、化學作用，能將散粒狀或塊狀材料粘結成整體的材料。 膠 凝 材 料有 機 膠 凝 材 料 ： 瀝 青 ， 各 種 樹 脂無 機 膠 凝 材 料氣 硬 性 ： 石 灰 ， 石 膏 ， 水 玻 璃水 硬 性 ： 各 種 水 泥膠凝材料的分類 3.13.1石膏石膏本節(jié)介紹1.石膏的生產 2.建筑石膏的

2、水化硬化 3.建筑石膏的性質與技術要求 4.建筑石膏的應用廣州大學 廖原3.1.13.1.1石膏的生產石膏的生產 石膏（以硫酸鈣CaSO4為主要成分）（1）天然二水石膏 （2）化工石膏 （3）天然無水石膏 （4）建筑石膏（半水石膏 （5）高強石膏 OHOHCaSOOHCaSOC2241701072423212廣州大學 廖原第6頁，共72頁3.1.3.1.2 2建筑石膏的水化硬化建筑石膏的水化硬化1.建筑石膏的水化建筑石膏加水拌和，與水發(fā)生水化反應： OHCaSOOHCaSO242422321廣州大學 廖原第7頁，共72頁3.13.1建筑石膏的水化硬化建筑石膏的水化硬化2.建筑石膏的凝結硬化石膏

3、的凝結過程石膏漿體中的自由水分因水化和蒸發(fā)而逐漸減少，粒子總表面積增加，因而漿體可塑性逐漸減小，漿體漸漸變稠，這一過程稱為凝結。凝結可以分為初凝終凝廣州大學 廖原第8頁，共72頁3.13.1.3.3建筑石膏的性質與技術要求建筑石膏的性質與技術要求 1.建筑石膏的性質 （1）密度與堆積密度 （2）凝結硬化快 （3）凝結硬化時體積膨脹 （4）硬化后孔隙率高 （5）防火性能好 （6）耐水性和抗凍性差 廣州大學 廖原第9頁，共72頁3.3.建筑石膏的性質與技術要求建筑石膏的性質與技術要求(8) (8) 2.建筑石膏的技術要求主要技術指標：強度、細度和凝結時間。按強度、細度和凝結時間將建筑石膏分為優(yōu)等品

4、、一等品、合格品三個等級。 廣州大學 廖原第10頁，共72頁3.1.43.1.4建筑石膏的應用建筑石膏的應用 粉刷石膏 石膏板 紙面石膏板 纖維石膏板 空心石膏板 吸聲用穿孔石膏板 裝飾石膏板 石膏裝飾件 廣州大學 廖原第11頁，共72頁3.2.13.2.1石灰的生產石灰的生產及分類及分類煅燒生產石灰 原料：石灰石、白堊等。原料在高溫下煅燒，碳酸鈣將按下式分解成為生石灰。 生石灰特征：呈白色或灰色塊狀。其內部孔隙率大、晶粒細小、體積密度小僅為(8001000kg/m )。211009003COCaOCaCOC3.2 3.2 石灰石灰本節(jié)介紹1.石灰的生產 及分類2.石灰的熟化與硬化 3.石灰的

5、性質與技術要求 4.石灰的應用廣州大學 廖原第13頁，共72頁3.2.23.2.2石灰的熟化與硬化石灰的熟化與硬化熟化過程 熟化是指生石灰（氧化鈣）與水作用生成氫氧化鈣（熟石灰，又稱消石灰）的過程，又稱石灰的消解或消化。生石灰的熟化反應如下： 石灰的熟化過程會放出大量的熱，熟化時體積增大12.5倍。J3221064.9Ca(OH) OHCaO廣州大學 廖原第14頁，共72頁3.2.23.2.2石灰的熟化與硬化石灰的熟化與硬化欠火石灰與過火石灰成因與危害陳伏目的為了消除過火石灰的危害。陳伏過程陳伏是指石灰乳（或石灰膏）在儲灰坑中放置7d以上的過程。過火石灰在這一期間將慢慢熟化廣州大學 廖原第15

6、頁，共72頁3.2.23.2.2石灰的熟化與硬化石灰的熟化與硬化石灰的硬化(1)干燥硬化干燥硬化：石灰漿（石灰膏）毛細孔隙失水，使得毛細管產生負壓力，氫氧化鈣顆粒間接觸變得緊密，產生一定強度結晶硬化：干燥過程中氫氧化鈣還會逐漸從飽和溶液中結晶析出(2)碳化硬化碳化：是指氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳在有水的情況下按下式反應生成碳酸鈣晶體的過程。OH) 1( CaCOOnH CO Ca(OH)23222n廣州大學 廖原第16頁，共72頁3.2.33.2.3石灰的性質與技術要求石灰的性質與技術要求 1.石灰的性質 （1）可塑性好 （2）硬化較慢、強度低 （3）硬化時體積收縮大 （4）耐水性差 （5）生

7、石灰吸濕性強 廣州大學 廖原第17頁，共72頁3.2.33.2.3石灰的性質與技術要求石灰的性質與技術要求2.建筑石灰的技術要求鈣質生石灰（MgO含量5）；鎂質生石灰（MgO含量5）。鎂質生石灰熟化較慢，但硬化后強度稍高。廣州大學 廖原第18頁，共72頁3.3.石灰的性質與技術要求石灰的性質與技術要求(7)(7)廣州大學 廖原第19頁，共72頁3.3.石灰的性質與技術要求石灰的性質與技術要求(8)(8)建筑消石灰粉分類鈣質消石灰粉（MgO含量4）；鎂質消石灰粉（MgO含量4且24；白云石消石灰粉（MgO含量24且30）。廣州大學 廖原第20頁，共72頁3.2.43.2.4石灰的應用石灰的應用石

8、灰乳 砂漿 石灰土（灰土）和三合土粘土顆粒表面的少量活性氧化硅和氧化鋁與氫氧化鈣起化學反應，生成了不溶性水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，將粘土顆粒粘結起來，因而提高了粘土的強度和耐水性。 制作硅酸鹽制品 廣州大學 廖原第21頁，共72頁觀觀察察與討論與討論討論討論石灰砂漿的裂紋石灰砂漿的裂紋 請觀察下圖請觀察下圖A A、B B兩種已經硬化的石灰砂漿產生的裂兩種已經硬化的石灰砂漿產生的裂紋有何差別，并討論其成因。紋有何差別，并討論其成因。 石灰砂漿石灰砂漿A A 石灰砂漿石灰砂漿B B 廣州大學 廖原第22頁，共72頁討論討論 在煅燒過程中，若溫度過低或煅燒時間不足，使得在煅燒過程中，若溫度過低或煅燒時

9、間不足，使得CaCOCaCO3 3不能完全分解，將會生成不能完全分解，將會生成“欠火石灰欠火石灰”。如果煅燒時間過長。如果煅燒時間過長或溫度過高，將生成顏色較深、塊體致密的或溫度過高，將生成顏色較深、塊體致密的“過火石灰過火石灰”。過火石灰水化極慢，當石灰變硬后才開始熟化，產生體積膨過火石灰水化極慢，當石灰變硬后才開始熟化，產生體積膨脹，引起已變硬石灰體的隆起鼓包和開裂。脹，引起已變硬石灰體的隆起鼓包和開裂。 石灰砂漿石灰砂漿A A為凸出放射性裂紋，這是由于石灰漿的陳伏為凸出放射性裂紋，這是由于石灰漿的陳伏時間不足，時間不足，致致使其中部分過火石灰在石漿砂漿制作時尚未水使其中部分過火石灰在石漿

10、砂漿制作時尚未水化，導致在硬化的石灰砂漿中繼續(xù)水化成化，導致在硬化的石灰砂漿中繼續(xù)水化成Ca(OH)Ca(OH)2 2，產生體積，產生體積膨脹，從而形成膨脹性裂紋。膨脹，從而形成膨脹性裂紋。 石灰砂漿石灰砂漿B B為網狀干縮性裂紋，是因石灰砂漿在硬化過為網狀干縮性裂紋，是因石灰砂漿在硬化過程中干燥收縮所致。尤其是水灰比過大程中干燥收縮所致。尤其是水灰比過大、石灰過多，易產生石灰過多，易產生此類裂紋。此類裂紋。 3.3 3.3 水玻璃水玻璃本節(jié)介紹廣州大學 廖原第24頁，共72頁3.3.13.3.1水玻璃的生產與模數(shù)水玻璃的生產與模數(shù)固體水玻璃在水中溶解的難易隨模數(shù)而定，模數(shù)為1時能溶解于常溫的

11、水中，模數(shù)加大，則只能在熱水中溶解；當模數(shù)大于時，要在個大氣壓以上的蒸壓條件下才能溶解于水。低模數(shù)水玻璃的晶體組分較多，粘結能力較差，模數(shù)提高時，膠體組分增多，粘結能力隨之增大。 222232COnSiOONanSiO CONa廣州大學 廖原第25頁，共72頁3.3.23.3.2水玻璃的硬化水玻璃的硬化32222222CONaOmHnSiOOmHCOnSiOONa6NaF OH1)SiO(2n OmH SiFNa )nSiOO2(Na2226222m廣州大學 廖原第26頁，共72頁3.3.33.3.3水玻璃的特性水玻璃的特性（1）粘結能力強（2）不燃燒、耐高溫。（3）耐酸能力強（4）不耐水（5

12、）不耐堿。 3.4 3.4 硅酸鹽水泥硅酸鹽水泥本節(jié)介紹2.4.1通用硅酸鹽水泥 2.4.2水泥石的腐蝕與防止 2.4.3特性硅酸鹽水泥 2.4.4專用硅酸鹽水泥廣州大學 廖原第28頁，共72頁簡介簡介水泥分類水泥硅酸鹽類水泥鋁酸鹽類水泥：高鋁水泥硫鋁酸鹽類水泥通用水泥：硅酸鹽水泥、普通水泥、礦渣水泥火山灰質水泥、粉煤灰水泥、復合水泥 專用水泥：砌筑水泥、道路水泥、大壩水泥等特性水泥：白 彩色水泥、膨脹水泥、自應力水泥快硬水水泥等/ 鐵鋁酸鹽類水泥廣州大學 廖原第29頁，共72頁3.4.1.13.4.1.1通用硅酸鹽水泥的生產與組分通用硅酸鹽水泥的生產與組分 硅酸鹽水泥生產工藝流程 石灰石粘

13、土鐵 粉生料熟料I型硅酸鹽水泥石膏粉 磨煅 燒約1450 C粉 磨OI型硅酸鹽水泥的生產工藝流程 3.4.1.13.4.1.1通用硅酸鹽水泥的生產與組分通用硅酸鹽水泥的生產與組分 硅酸鹽水泥熟料礦物組成 除了上表組成外，還含有少量游離氧化鈣、游離氧化鎂和堿，但其總含量一般不超過水泥質量的10。3.4.1.13.4.1.1通用硅酸鹽水泥的生產與組分通用硅酸鹽水泥的生產與組分 廣州大學 廖原第32頁，共72頁3.4.1.23.4.1.2硅酸鹽水泥的水化與凝結硬化硅酸鹽水泥的水化與凝結硬化 1水化熟料礦物與水發(fā)生的水解或水化作用。水泥各礦物單獨與水反應式如下： 22222)3Ca(OH O3H2Si

14、O3CaO O6H )SiO2(3CaO22222)Ca(OH O3H2SiO3CaO O4H )SiO2(2CaOO6HOAl3CaO O6H OAl3CaO232232OHOFeCaOO6HOAl3CaO O7HOFeOAl4CaO23223223232廣州大學 廖原第33頁，共72頁3.4.1.23.4.1.2硅酸鹽水泥的水化與凝結硬化硅酸鹽水泥的水化與凝結硬化 各熟料礦物的強度增長 抗壓強度(MPa)028齡期（天）鋁酸三鈣鐵鋁酸四鈣1809036020硅酸三鈣硅酸二鈣40603.4.1.23.4.1.2硅酸鹽水泥的水化與凝結硬化硅酸鹽水泥的水化與凝結硬化 3.4.1.23.4.1.2

15、硅酸鹽水泥的水化與凝結硬化硅酸鹽水泥的水化與凝結硬化 石膏 224222232Ca(OH)O32H3CaSOOAl3CaOO14HO)H3(CaSOO13HOAl4CaO342OHCaSOOAlCaOOHOHCaSOOAlCaOOAlCaO24322243232123( 343233)3(2廣州大學 廖原第36頁，共72頁3.4.1.23.4.1.2硅酸鹽水泥的水化與凝結硬化硅酸鹽水泥的水化與凝結硬化 水化熱 放熱速度幾分鐘AFm形成水化時間I幾小時幾天IIIIIIVV硅酸三鈣快速水化初凝終凝廣州大學 廖原第37頁，共72頁3.4.1.23.4.1.2硅酸鹽水泥的水化與凝結硬化硅酸鹽水泥的水化

16、與凝結硬化 硅酸鹽水泥的凝結硬化水泥的凝結指水泥加水拌和后，成為塑性的水泥漿，其中的水泥顆粒表面的礦物開始在水中溶解并與水發(fā)生水化反應，水泥漿逐漸變稠失去塑性，但還不具有強度的過程。水泥的硬化指凝結的水泥漿體隨著水化的進一步進行，開始產生明顯的強度并逐漸發(fā)展而成為堅強水泥石的過程。廣州大學 廖原第38頁，共72頁3.4.1.23.4.1.2硅酸鹽水泥的水化與凝結硬化硅酸鹽水泥的水化與凝結硬化水泥的凝結硬化過程示意圖 水泥石中多余的水（自由水和吸附水）蒸發(fā)后，會在水泥中留下微孔（裂紋），從而降低水泥石強度。 水泥水泥水水毛細孔水化產物未水化水泥顆粒內核(a)(b)(c)(d)廣州大學 廖原第39

17、頁，共72頁影響水泥凝結硬化的因素影響水泥凝結硬化的因素 （1）熟料礦物成分 （2）細度 （3）用水量 （4）養(yǎng)護時間 （5）溫度和濕度 （6）石膏摻量 廣州大學 廖原第40頁，共72頁3.4.1.33.4.1.3水泥混合材料水泥混合材料 水泥混合材料定義： 在生產水泥時，為改善水泥性能，調節(jié)水泥強度等級而加到水泥中去的人工的和天然的礦物材料，稱為水泥混合材料。水泥混合材料分類：1.非活性混合材料2.活性混合材料廣州大學 廖原第41頁，共72頁1.1.非活性混合材料非活性混合材料非活性混合材料指在水泥中主要起填充作用而又不損害水泥性能的礦物質材料。將其摻入硅酸鹽水泥中可提高水泥產量降低水泥強度

18、等級減少水化熱。 常用非活性混合材料磨細的石英砂，石灰石，粘土，慢冷礦渣等。廣州大學 廖原第42頁，共72頁2.2.活性混合材料活性混合材料活性混合材料定義混合材料磨成細粉，與石灰或與石灰和石膏拌合，加水后在常溫下能生成具有水硬性的膠凝性產物的混合材料。常用的活性混合材料（1）粒化高爐礦渣 （2）火山灰質混合材料 （3）粉煤灰 廣州大學 廖原第43頁，共72頁粉煤灰粉煤灰SEMSEM照片照片 廣州大學 廖原第44頁，共72頁1.1.活性混合材料活性混合材料活性混合材料的活性活性氧化硅（SiO2）與活性氧化鋁(Al2O3)，它們本身不會硬化或硬化極為緩慢，但在氫氧化鈣溶液中，就會發(fā)生顯著的水化。

19、 氫氧化鈣和石膏的存在使活性混合材料的潛在活性得以發(fā)揮，即氫氧化鈣和石膏起著激發(fā)水化，促進凝結硬化的作用，故稱為激發(fā)劑。 Ox)H(nSiOxCaOOnHSiOxCa(OH)22222Oy)H(mOAl yCaOO mHOAlyCa(OH)23223223.4.1.43.4.1.4通用硅酸鹽水泥的技術性質通用硅酸鹽水泥的技術性質 化學指標 廣州大學 廖原第46頁，共72頁3.3.凝結時間凝結時間初凝水泥加水拌合時起至標準稠度凈漿開始失去可塑性所需的時間；終凝水泥加水拌和時起至標準稠度凈漿完全失去可塑性并開始產生強度所需的時間。參見試驗視頻廣州大學 廖原第48頁，共72頁3.3.凝結時間凝結時間

20、水泥初凝時間不能過短為使混凝土和砂漿有充分的時間進行攪拌、運輸、澆搗和砌筑。硅酸鹽水泥初凝時間不得早于45min。終凝時間不能太長當施工完畢，則要求盡快硬化，具有強度。硅酸鹽水泥終凝時間不得遲于6h30min。 凝結時間的測定以標準稠度的水泥凈漿,在規(guī)定溫度及濕度環(huán)境下用維卡儀測定。廣州大學 廖原第49頁，共72頁4.4.安定性安定性安定性是指水泥在凝結硬化過程中體積變化的均勻性。安定性不良水泥漿體硬化過程發(fā)生了不均勻的體積變化，會導致水泥石膨脹開裂、翹曲，即安定性不良。危害：安定性不良的水泥會降低建筑物質量，甚至引起嚴重事故。 廣州大學 廖原第50頁，共72頁4.4.安定性安定性引起水泥安定

21、性不良的原因有三個： （1）熟料中游離氧化鈣過多。（2）熟料中游離氧化鎂過多。 （3）石膏摻量過多 22 Ca(OH)O HCaO 22Mg(OH) g 224222232Ca(OH)O32H3CaSOOAl3CaOO14HO)H3(CaSOO13HOAl4CaO342廣州大學 廖原第51頁，共72頁4.4.安定性安定性安定性檢驗沸煮法(可用餅法也可用雷氏法。)餅法：通過觀察水泥凈漿試餅沸煮3h后的外形變化來檢驗水泥得體積安定性；雷氏法：測定水泥凈漿在雷氏夾中沸煮3h后的膨脹值。能且只能檢驗因游離氧化鈣過多引起的體積安定性不良。游離氧化鎂與石膏量的控制游離氧化鎂在壓蒸下才加速熟化，石膏的危害則

22、需長期在常溫水中才能產生，兩者均不便于快速檢驗。通過控制氧化鎂和硫酸鈣含量來保證安定性；硫酸鈣含量用三氧化硫來間接表示。體積安定性不良的水泥不能用于建筑工程中。 參見試驗視頻廣州大學 廖原第52頁，共72頁廣州大學 廖原第53頁，共72頁廣州大學 廖原第54頁，共72頁5.5.強度強度強度是劃分水泥強度等級的依據(jù)。水泥膠砂強度的測定水泥、標準砂和水按1:3:0.5混合，按規(guī)定的方法制成試件，在標準溫度（201）的水中養(yǎng)護，測定其3d和28d的強度。廣州大學 廖原第55頁，共72頁廣州大學 廖原第56頁，共72頁6.6.細度細度 ( (選擇性指標選擇性指標 ) )水泥顆粒細度的意義水泥顆粒越細與

23、水起反應的表面積就越大，水化較快而且較完全，早期強度和后期強度都較高，但在空氣中硬化時收縮較大，成本也較高。水泥顆粒過粗則不利于水泥活性的發(fā)揮。水泥細度的檢驗篩析法：用孔邊長為0.08mm的方孔篩對水泥試樣進行篩析試驗，用篩余百分數(shù)（篩余率）表示水泥的細度。常用水泥細度用篩析法檢驗。 比表面積法。硅酸鹽水泥用比表面積法檢驗，單位以m2/kg表示，要求大于300m2/kg。課堂練習廣州大學 廖原第57頁，共72頁2.4.1.52.4.1.5通用硅酸鹽水泥的特性與應用通用硅酸鹽水泥的特性與應用 1硅酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥 （1）硬化很快，強度高，尤其是早期強度 （2）抗凍性好 （3）水化熱大 （

24、4）耐腐蝕性與耐軟水侵蝕性差 （5）硅酸鹽水泥耐高溫性能較差 廣州大學 廖原第58頁，共72頁3.4.1.53.4.1.5通用硅酸鹽水泥的特性與應用通用硅酸鹽水泥的特性與應用 2礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥和復合水泥 （1）共性 早期強度低，后期強度高 水化熱低 耐腐蝕性較好 蒸汽、蒸壓養(yǎng)護效果好 共同的缺點 抗碳化能力差 抗凍性、耐磨性差廣州大學 廖原第59頁，共72頁廣州大學 廖原第60頁，共72頁廣州大學 廖原第61頁，共72頁3.4.23.4.2水泥石的腐蝕與防止水泥石的腐蝕與防止 硅酸鹽水泥石的腐蝕1.軟水的侵蝕（溶出性侵蝕） 2.酸類腐蝕 3.鹽類腐蝕 4.強堿的腐蝕 水泥石腐

25、蝕的防止 廣州大學 廖原第62頁，共72頁（1 1）軟水的侵蝕）軟水的侵蝕軟水的侵蝕屬于溶出性侵蝕。軟水的侵蝕過程當水泥石長期與軟水接觸時，溶出氫氧化鈣。在流動的水及壓力水作用下，氫氧化鈣會不斷溶解流失。由于石灰濃度的繼續(xù)降低，還會引起其他水化物的分解。使水泥石結構遭受進一步的破壞。 什么是軟水/硬水？廣州大學 廖原第63頁，共72頁（1 1）軟水的侵蝕）軟水的侵蝕硬水的作用當水中含有重碳酸鹽Ca（HCO3）2時，重碳酸鹽與水泥石的氫氧化鈣發(fā)生如下化學反應，反應生成幾乎不溶于水的碳酸鈣。 生成的碳酸鈣積聚在已硬化水泥石的孔隙內，形成密實保護層，阻止外界水的侵入和內部氫氧化鈣的擴散析出。O2H2

26、CaCO )Ca(HCOCa(OH)23232廣州大學 廖原第64頁，共72頁（2 2）鹽類腐蝕）鹽類腐蝕 （1）硫酸鹽的腐蝕 （2）鎂鹽的腐蝕 當水中硫酸鹽濃度較高時，硫酸鈣將在空隙中直接結晶成二水石膏，體積膨脹導致水泥石破壞。 雙重腐蝕作用：氫氧化鎂松軟而無膠凝能力；氯化鈣易溶與水，CaSO42H2O引起硫酸鹽的破壞作用。OHCaSOOHCaSOH242422)(224224Mg(OH)O2HCaSO O2HCa(OH)MgSO2222Mg(OH)CaClCa(OH)MgCl廣州大學 廖原第65頁，共72頁（3 3）酸類腐蝕）酸類腐蝕 (1)碳酸腐蝕 (2)鹽酸 腐蝕(3)硫酸腐蝕 生成的

27、二水石膏可在水泥石空隙中結晶產生膨脹破壞，或者與水泥石中的水化鋁酸鈣作用，生成高硫型水化硫鋁酸鈣（鈣釩石），其破壞性更大。 O2H CaCO OHCO Ca(OH)2322223223)Ca(HCO OHCOCaCOO2HCaCl Ca(OH)2HCl222OHCaSOOHCaSO2)(4224廣州大學 廖原第66頁，共72頁（4 4）強堿的腐蝕）強堿的腐蝕 氫氧化鈉 易溶 碳酸鈉在水泥石毛細孔中結晶沉淀，使水泥石脹裂。 2322323Ca(OH)OAlO3Na6NaOHOAl3CaOO2HCONaOHCO2NaOH23222廣州大學 廖原第67頁，共72頁2.2.水泥石腐蝕的防止水泥石腐蝕的防止 （1）水泥腐蝕的基本原因 i.水泥石中存在著引起腐蝕的組份：氫氧化鈣和水化鋁酸鈣。 ii.水泥石本身不密實，有很多毛細孔通道，侵蝕性介質易進入其內部。 （2）水泥腐蝕的防止措施 i.根據(jù)腐蝕環(huán)境特點，合理選用水泥品種。 ii.提高