《土木工程材料》第4章無(wú)機(jī)膠凝材

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1、第 4 章,無(wú)機(jī)膠凝材料,本章提要,膠凝材料的基本概念。 膠凝材料凝結(jié)硬化機(jī)理及其影響因素是什么? 土木工程對(duì)膠凝材料有哪些性能要求？ 怎樣正確選擇和使用膠凝材料？ 本章重點(diǎn)：常用六大水泥的技術(shù)要求、性能特點(diǎn)并能合理選用； 本章難點(diǎn)：硅酸鹽水泥的緩凝機(jī)理。,本 章 主 要 內(nèi) 容,概述 4.1 氣硬性膠凝材料 4.1.1石膏 4.1.2石灰 4.2 水硬性膠凝材料 4.2.1通用硅酸鹽水泥 4.2.2其它品種水泥 案例分析,概述,基本概念 膠凝材料的分類,基本概念：什么是膠凝材料？,定義： 經(jīng)過(guò)一系列物理、化學(xué)作用，能由漿體變成堅(jiān)硬的固體，并能將散?；蚱?、塊狀材料膠結(jié)成整體的物質(zhì)。 特征：

2、嚴(yán)格意義上膠凝材料應(yīng)指漿體； 能在常溫下凝結(jié)硬化為固體； 有較強(qiáng)的膠結(jié)能力； 具有一定的使用性能。,膠凝材料的種類？,按其化學(xué)組成： 有機(jī)膠凝材料：瀝青、樹脂等。 無(wú)機(jī)膠凝材料：水泥、石膏、石灰、磷酸鈣、磷酸鎂等。 按其硬化條件： 氣硬性膠凝材料 石膏、石灰等； 水硬性膠凝材料 各種水泥等。,氣硬性與水硬性膠凝材料的特點(diǎn),氣硬性膠凝材料只能在空氣中硬化，并且在空氣中保持和發(fā)展其強(qiáng)度； 關(guān)鍵：干燥狀態(tài)下，其硬化體才有較好的性能！ 水硬性膠凝材料不僅能在空氣中，而且能更好地在水中硬化，保持并發(fā)展其強(qiáng)度。 關(guān)鍵：干燥或潮濕狀態(tài)下，其硬化體均有很好的性能！,4.1 氣硬性膠凝材料,4.1.1 石

3、膏 1石膏膠凝材料的制備 2建筑石膏的水化及硬化 3建筑石膏的特性與技術(shù)要求 4建筑石膏的應(yīng)用,1石膏膠凝材料的制備,石膏的礦物組成： CaSO4xH2O,X為結(jié)晶水H2O,x0，硬石膏 (無(wú)水石膏),x0.5 ，熟石膏(半水石膏),x2，生石膏 (二水石膏),石膏是晶體結(jié)構(gòu),二水石膏晶體形貌,半水石膏晶體形貌,,天然二水石膏； 天然無(wú)水石膏； 工業(yè)副產(chǎn)物磷石膏、氟石膏等。 生產(chǎn)工序： 原料(破碎) 脫水 磨細(xì) 生產(chǎn)(脫水)的工藝： 非密閉煅燒(干燥空氣中)： 密閉蒸練(濕的水蒸氣)： 不同工藝得到不同組成和結(jié)構(gòu)的石膏,天然石膏礦纖維狀晶體,,原料,我國(guó)石膏礦分布非常廣泛,,生產(chǎn)

4、工藝與產(chǎn)品的組成,CaSO42H2O,120180C 干燥空氣,125180C 水蒸氣,,-CaSO40.5H2O,-CaSO40.5H2O,-CaSO4()可溶,-CaSO4()可溶,200360C,200360C,,,,,,,,400800C,400800C,CaSO4()不溶,,,,8001180C,,CaSO4()不溶CaO,,非密閉煅燒工藝及其產(chǎn)品組成,密閉蒸煉工藝及其產(chǎn)品組成,型和型半水石膏，雖然化學(xué)成分相同，但宏觀性能上相差很大。型半水石膏結(jié)晶完整，常是短柱狀，晶粒較粗大，聚集體的內(nèi)比表面積較小。型半水石膏結(jié)晶較差，常為細(xì)小的纖維狀或片狀聚集體，內(nèi)比表面積較大。因此，型半水石膏的

5、水化速度慢，水化熱低，需水量小，硬化體的強(qiáng)度高，其強(qiáng)度比型半水石膏高27倍，所以稱為高強(qiáng)石膏。,2建筑石膏的水化及硬化,凝結(jié)硬化過(guò)程中的水化反應(yīng)： CaSO4 0.5H2O 1.5H2O CaSO42H2OQ 即：石膏的水化反應(yīng)是由二水石膏制備半水石膏的逆反應(yīng) 凝結(jié)硬化機(jī)理“溶解沉淀理論” 溶解 沉淀 硬化,半水石膏的溶解度(8.16g/L)大于二水石膏(2.05g/L)，因此，前者在水中不斷溶解，生成Ca2+、SO42-離子的飽和溶液,半水石膏的飽和溶液，對(duì)于二水石膏是過(guò)飽和溶液，后者不斷結(jié)晶沉淀。,二水石膏晶體不斷生長(zhǎng)、連生、交錯(cuò)，構(gòu)成晶體顆粒堆聚的結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng),,,凝結(jié)硬化的物理化學(xué)過(guò)

6、程,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,石膏漿體,半水石膏顆粒 二水石膏晶體,,,,,,,,,,石膏膠體,石膏硬化體,水,,孔隙,,,,,,,隨著水化反應(yīng)進(jìn)行二水石膏晶體量,石膏硬化體中晶體堆積體,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,水化初期：二水石膏晶體較少,,,半水石膏在空氣中，也會(huì)吸收空氣中的水分子水化成二水石膏晶體

7、。,石膏顆粒表面分子首先水化,顆粒表面二水石膏晶體不斷增多,半水石膏全部水化成二水石膏,所以，石膏膠凝材料運(yùn)輸、儲(chǔ)存中，必須防潮、防水，以免失效！,3建筑石膏的特性與技術(shù)要求,（1）建筑石膏的特性 1）凝結(jié)硬化快。 2）凝結(jié)硬化時(shí)體積微膨脹。 3）孔隙率高、表觀密度小、強(qiáng)度低。 4）保溫隔熱性和吸聲性良好。 5）防火性能好。 6）具有一定的調(diào)溫調(diào)濕性。 7）耐水性和抗凍性差。,（2）建筑石膏的技術(shù)要求 建筑石膏密度為2.62.75g/cm3，堆積密度為800100kg/m3。 建筑石膏按其細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間及強(qiáng)度指標(biāo)分為三個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表41。,4建筑石膏的應(yīng)用,（1）粉刷石膏 （2）石膏墻材 （3）

8、石膏藝術(shù)制品,五、建筑石膏的應(yīng)用,建筑石膏是一種很好的綠色建材！ 應(yīng)用中揚(yáng)長(zhǎng)避短，正確應(yīng)用！ 建筑上的主要應(yīng)用有： 建筑石膏制品： 各種板材：墻板、天花板等 藝術(shù)裝飾品 粉刷石膏： 墻面粉刷 雕飾,各種墻板,德國(guó)一所教堂的外墻面雕飾,室內(nèi)墻面和天花板的雕飾,,紙面石膏板的生產(chǎn)工藝流程,紙面石膏板生產(chǎn)線,,Summary,性質(zhì)石膏是氣硬性膠凝材料，建筑石膏的主要成分是-半水石膏CaSO40.5H2O; 生產(chǎn)方法建筑石膏可用天然二水石膏或化學(xué)石膏在120180 C干燥下脫水制備； 凝結(jié)硬化機(jī)理“溶解沉淀”理論，即通過(guò)半水石膏在水中不斷溶解，二水石膏不斷結(jié)晶，晶體不斷生長(zhǎng)、相互交錯(cuò)與連生構(gòu)成晶體網(wǎng)絡(luò)

9、結(jié)構(gòu)而硬化； 性能漿體需水量較大，凝結(jié)硬化快、凝結(jié)時(shí)有微膨脹、表觀密度較小、孔隙率較大、強(qiáng)度低、耐水與抗凍性差、容易吸水和吸潮、導(dǎo)熱系數(shù)低、隔熱與吸聲性好、耐火、對(duì)人體和環(huán)境無(wú)害。 應(yīng)用各種板材、粉刷砂漿、雕飾等。,進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)的課題,先進(jìn)纖維石膏基復(fù)合材料 高強(qiáng)石膏及其制品 提高石膏及其制品的耐水性,,學(xué)會(huì)辨證思考問(wèn)題！,1、石膏制品孔隙率較大，在應(yīng)用上有哪些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)？ 答：優(yōu)點(diǎn)保溫隔熱性、吸聲隔聲性好；質(zhì)輕。可作為墻板、天花板、墻面粉刷砂漿等。 缺點(diǎn)強(qiáng)度低、吸水率較大、耐水性差。不能用作結(jié)構(gòu)材料，不宜用于潮濕環(huán)境等。,2. 為什么石膏制品的耐水性差？ 答：二水石膏在水中的溶解

10、度較大； 晶體顆粒間以化學(xué)鍵結(jié)合時(shí)，由于接觸點(diǎn)缺陷多，溶解度更大。 晶體顆粒間以氫鍵結(jié)合時(shí)，由于石膏晶體是親水性很強(qiáng)的離子晶體，因此，水分子進(jìn)入，降低了顆粒間的相互作用力，導(dǎo)致強(qiáng)度下降； 其軟化系數(shù)只有0.300.45；,學(xué)會(huì)分析和思考問(wèn)題！,3、如何改善石膏制品的耐水性? 答：降低孔隙率，改善孔隙結(jié)構(gòu)，對(duì)毛細(xì)縫隙進(jìn)行憎水處理，以減小吸水率； 摻加其它礦物或有機(jī)物，以降低晶體水化物的溶解度，阻止水分子對(duì)晶體顆粒間的削弱作用。,4、為什么石膏制品的防火性好，但耐火性差? 答：石膏制品的孔隙率大，隔熱性較好；二水石膏晶體含有兩個(gè)結(jié)晶水分子，在受熱后，二水石膏晶體脫去水分子，并

11、蒸發(fā)吸收和帶走熱量；但二水石膏脫水后，強(qiáng)度下降較多，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，失去了防火功能。,學(xué)會(huì)分析和辯證思考問(wèn)題！,5、試驗(yàn)證明石膏板有調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的功能，為什么？ 6、如何在土木工程建設(shè)中正確地使用或選用石膏，為什么？,4.1.2 建筑石灰,建筑石灰的概述 1石灰的熟化與硬化 2建筑石灰的特性與技術(shù) 3、建筑石灰的應(yīng)用,概述,主要原料是以碳酸鈣為主要成分的天然巖石，如石灰石、白云石、白堊、貝殼等。 分類 塊狀生石灰：CaO； 生石灰粉：CaO； 熟(消)石灰粉：Ca(OH)2；石灰膏(漿)：Ca(OH)2、H2O；,制備工藝與產(chǎn)品,石灰石,10001200C,磨細(xì),,生石 灰粉,生石灰,,,水噴淋

12、,,熟石 灰粉,,(水)化灰池,石灰漿,濃縮,,石灰膏,陳伏,煅燒溫度較低，時(shí)間較短時(shí)， 欠火石灰 煅燒溫度較高，時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)， 過(guò)火石灰,減輕或消除過(guò)火石灰的危害,1石灰的熟化與硬化,（1）石灰的熟化 CaO+H2O Ca(OH) 2+64kJ 兩個(gè)顯著特點(diǎn)： 放出大量的熱； 體積增大12.5倍。,,,,,,,,石灰漿體,氫氧化鈣晶體 碳酸鈣晶體,,,,,,石灰凝膠體,石灰碳化體,水,孔隙,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,水分損失,碳化,,,,,,（2）石灰的硬化,,,,,,,,,,,,

13、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,結(jié)晶作用 生石灰或熟石灰水成為Ca(OH)2漿體； 漿體中游離水的不斷損失，導(dǎo)致Ca(OH)2結(jié)晶； 晶粒長(zhǎng)大、交錯(cuò)堆聚成晶粒結(jié)構(gòu)網(wǎng)硬化。 碳化作用 Ca(OH)2與空氣中的CO2氣體反應(yīng)，在表面形成CaCO3膜層。 提高耐久性。,2建筑石灰的特性與技術(shù)要求,建筑石灰的特性： 1）可塑性好。2）硬化緩慢。 3）硬化后強(qiáng)度低。4）硬化過(guò)程中體積收縮大。 5）耐水性差。,建筑石灰的技術(shù)要求：,,問(wèn) 題？,1. 過(guò)火石灰有什么危

14、害？應(yīng)如何消除？ 答：過(guò)火石灰密度較大，且顆粒表面有玻璃釉狀物包裹，水化消解很慢，在正常石灰水化硬化后再吸濕水化，產(chǎn)生體積膨脹，影響體積穩(wěn)定性?？刹捎醚娱L(zhǎng)石灰的熟化和陳伏期，或過(guò)濾掉。 2.石灰硬化過(guò)程中，為什么容易開(kāi)裂？使用時(shí)應(yīng)如何避免？ 答：石灰漿體的硬化是靠水分的大量揮發(fā)，體積顯著收縮，因而容易導(dǎo)致開(kāi)裂。在使用時(shí)，避免單獨(dú)使用，可摻加一些砂子、麻刀絲或紙筋等。,4.2 水硬性膠凝材料內(nèi)容提要概述4.2.1 通用硅酸鹽水泥4.2.2 特性水泥,內(nèi)容提要,學(xué)習(xí) 通用硅酸鹽水泥的礦物組成，及其與其他水泥的差別； 水泥的生產(chǎn)過(guò)程及其對(duì)性質(zhì)的影響。 掌握 水泥凝結(jié)硬化機(jī)理和凝結(jié)硬化過(guò)程的影響因素

15、； 應(yīng)用這些基本理論，說(shuō)明水泥和混凝土的性質(zhì)，指導(dǎo)合理選擇與使用水泥，改善水泥基材料的性能。 熟悉 水泥各種性質(zhì)的含義和工程意義； 水泥性質(zhì)的影響因素及其規(guī)律； 水泥性質(zhì)的檢驗(yàn)方法和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。,概 述,什么是水泥(cement)？ 水泥是以水化活性礦物為主要成分的水硬性膠凝材料。 水泥的種類有哪些？,水泥的特性,膨脹水泥,快 硬 水 泥,低 熱 水 泥,抗腐蝕水泥,根據(jù)水泥的主要礦物成分，有：硅酸鹽系水泥、鋁酸鹽系水泥、硫鋁酸鹽系水泥、磷酸鹽系水泥等。,硬化時(shí)膨脹,硬 化 速 度 快,水化熱低,耐 腐 蝕 性 好,根據(jù)水泥的特性，有：膨脹水泥、快硬水泥、低熱水泥、抗硫酸鹽水泥等。,概 述,硅酸

16、鹽系水泥,硅酸鹽水泥,普通硅酸鹽水泥,摻混合材硅酸鹽水泥,特性硅酸鹽水泥,硅酸鹽系水泥品種 硅酸鹽水泥 普通硅酸鹽水泥； 摻大量混合材的硅酸鹽水泥 特性硅酸鹽水泥,硅酸鹽水泥有P和P兩類，后者含有混合,水泥在土木工程中的重要作用,水泥是當(dāng)今產(chǎn)量與用量最大的土木工程材料！ 水泥及其砂漿、混凝土與纖維水泥等水泥基材料普遍用于各種土木工程和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)！ 水泥的性能和正確選用對(duì)土木工程的功能與質(zhì)量至關(guān)重要！,4.2.1 通用硅酸鹽水泥,1通用硅酸鹽水泥的定義、類型和代號(hào) 2通用硅酸鹽水泥的組成、水化與凝結(jié)硬化 3通用硅酸鹽水泥的技術(shù)要求 4水泥石的腐蝕及防止 5通用硅酸鹽水泥的特性與應(yīng)用,重點(diǎn)論述

17、了硅酸鹽系水泥的礦物組成、凝結(jié)硬化機(jī)理和基本性質(zhì)及其檢測(cè)方法，以及硅酸鹽水泥的應(yīng)用。,1通用硅酸鹽水泥的定義、類型和代號(hào),定義:以硅酸鹽水泥熟料和適量的石膏、及規(guī)定的混合材料制成的水硬性膠凝材料。 類型和代號(hào),a本組分材料為符合要求的活性混合材料，其中允許用不超過(guò)水泥質(zhì)量8%的非活性混合材料或不超過(guò)水泥質(zhì)量5%的窯灰代替。 b本組分材料為符合要求的活性混合材料，其中允許用不超過(guò)水泥質(zhì)量8%其它活性混合材料或非活性混合材料或窯灰中的任一種材料代替。 c本組分材料為的活性火山灰混合材料。 d本組分材料為符合要求的粉煤灰活性混合材料。 e本組分材料為由兩種（含）以上符合本標(biāo)準(zhǔn)的活性混合材料或/和符合

18、標(biāo)準(zhǔn)的非活性混合材料組成，其中允許用不超過(guò)水泥質(zhì)量8%且符合標(biāo)準(zhǔn)的窯灰代替。摻礦渣時(shí)混合材料摻量不得與礦渣硅酸鹽水泥重復(fù)。,通用硅酸鹽水泥類型,硅酸鹽水泥熟料石膏, ,20 x 5 混合材,,普通硅酸鹽水泥,70 x 20 礦 渣,,礦渣硅酸鹽水泥,40 x 20 火山灰,,火山灰硅酸鹽水泥,40 x 20 粉煤灰,,粉煤灰硅酸鹽水泥,50 x 20 兩種混合材,,復(fù)合硅酸鹽水泥,硅酸鹽水泥,5 x 0 混合材,,硅酸鹽水泥,摻混合材硅酸鹽水泥的凝結(jié)硬化和性能與所摻混合材的種類與摻量密切相關(guān)！,,2通用硅酸鹽水泥的組成,（1）硅酸鹽水泥熟料 （2）石膏 （3）混合材料,,

19、通用硅酸鹽水泥是由下列物質(zhì)混合組成的水泥 硅酸鹽水泥熟料 Clinkers 石膏(CaSO42H2O) Gypsum 混合材 Mineral Additives 各物質(zhì)的作用 熟料：主要膠凝物質(zhì)，能水化硬化； 石膏：調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)時(shí)間； 混合材：調(diào)節(jié)水泥的強(qiáng)度等級(jí)；,,必要組分,（1）通用硅酸鹽水泥的組成,通用硅酸鹽水泥生產(chǎn),原 料： 硅質(zhì)：粘土，(SiO2、Al2O3)， 占1/3 鈣質(zhì)：石灰石、白堊等，(CaO)，占2/3 調(diào)節(jié)原料：鐵礦與砂，調(diào)節(jié)與補(bǔ)充Fe2O3 與SiO2 制造工藝： 原料經(jīng)粉磨混合后得到水泥生料 生料經(jīng)窯內(nèi)煅燒得到水泥熟料 水泥熟料石

20、膏(或再混合材）一起經(jīng)粉磨混合后得到水泥 自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程,“兩磨一燒”,,,,,硅質(zhì) (粘土),鈣 質(zhì) (石灰石),1450,調(diào)節(jié) 原料,石膏,石膏,水 泥,生 料,熟 料,混合材,水泥制造的“兩磨一燒”工藝流程,,,,,粉 磨,,,,煅 燒,,,,,,粉 磨,,原料采掘,原料磨細(xì),原料混合,反應(yīng)物產(chǎn)物中間產(chǎn)物,預(yù)熱器 回轉(zhuǎn)窯,產(chǎn) 物,熟料冷卻,熟料儲(chǔ)存,通用硅酸鹽水泥熟料制造工藝流程,化學(xué)組成： 主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)， Al2O3(=A)， Fe2O3(=F) 少量雜質(zhì)：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。 礦物組成： 硅酸鹽水泥熟料主要含有四種礦物：,通用

21、硅酸鹽水泥熟料的組成,水泥顆粒宏觀形貌,水泥顆粒的結(jié)構(gòu),水泥熟料顆粒細(xì)觀形貌,水泥熟料礦物微觀結(jié)構(gòu),,（2）石膏,石膏是硅酸鹽水泥中必不可少的組成材料，主要作用是調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)時(shí)間，用于水泥中的石膏有天然石膏和工業(yè)副產(chǎn)石膏。工業(yè)副產(chǎn)石膏采用前應(yīng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明對(duì)水泥性能無(wú)害。 品位要求：石膏+硬石膏含量一般大于60%（至少55%，由供需雙方確定）,（3）混合材料,定義： 在水泥生產(chǎn)過(guò)程中，為改善性能、調(diào)節(jié)強(qiáng)度等級(jí)所加入的天然或人工礦物材料，均稱為水泥混合材料。 種類： 活性 非活性兩類 作用： 在水泥中主要其填充作用，調(diào)節(jié)強(qiáng)度等級(jí)、節(jié)省能源、降低成本、增加產(chǎn)量、降低水化熱等。,活性混合材,定義

22、具有水化活性的混合材。 活性組分：SiO2、Al2O3 常用品種： ?；郀t礦渣煉鋼鐵的廢料 火山灰質(zhì)粉末天然巖石和人工煅燒物 粉煤灰火電廠的廢料,非活性混合材,定義： 與水泥礦物成分或水化產(chǎn)物不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)很弱的混合材，為非活性混合材。 常見(jiàn)的有： 磨細(xì)石英砂 石灰石粉 粘土 慢冷礦渣 窯灰,3通用硅酸鹽水泥水化與凝結(jié)硬化,（1）通用硅酸鹽水泥的水化 硅酸鹽水泥熟料單礦物的水化反應(yīng) 1）硅酸三鈣的水化 2）硅酸二鈣的水化 3）鋁酸三鈣的水化 4）鐵鋁酸四鈣的水化 石膏的作用下鋁酸三鈣的水化,化學(xué)過(guò)程水泥熟料礦物的水化反應(yīng),水泥熟料礦物的水化反應(yīng)特征與順序,特征： 水泥熟料顆粒中的

23、四種主要礦物同時(shí)進(jìn)行水化反應(yīng)； 其水化反應(yīng)均是放熱反應(yīng)； 水化反應(yīng)是固液異相反應(yīng)。 反應(yīng)速度序列： 鋁酸三鈣C3A的水化 鐵鋁酸四鈣C4AF的水化 硅酸三鈣C3S的水化 硅酸二鈣- C2S的水化,1）硅酸鈣C3S2）- C2S的水化,硅酸鈣水化生成水化硅酸鈣C-S-H凝膠和Ca(OH)2羥鈣石，并放出熱： 硅酸三鈣：2C3S + 6H C-S-H + 3CH + 120cal/g 硅酸二鈣：2C2S + 4H C-S-H + CH + 62cal/g 特征： 形成相同的水化物組成不確定的C-S-H凝膠，組成為： CaxH6-2xSi2O7.zCa(OH)2nH2O (x, z與

24、溫度、水灰比等有關(guān)) 其中鈣硅比(C/S)： CaO/SiO2 = (xz)/2 C3S反應(yīng)速度比C2S快，其放熱量比C2S大。 水化機(jī)理 溶液中反應(yīng) 固相顆粒表面的局部反應(yīng)。,水化度,水化時(shí)間（天）,,溶液中的反應(yīng),機(jī)理：溶解 擴(kuò)散 沉淀,離子在水中的擴(kuò)散,C3S,,表面離子水化弱化晶體中的化學(xué)鍵，增加pH值,水化產(chǎn)物成核,CSH析出、凝聚、脫水離開(kāi)水相，形成凝膠，CH結(jié)晶生長(zhǎng),,表面局部反應(yīng),機(jī)理：顆粒表面水化物層的形成與擴(kuò)散,水化物層在固液界面上形成，并不斷增厚,顆粒表面離子的水化和水解,C-S-H的成核,Ca(OH)2的成核和生長(zhǎng),CSH凝膠體結(jié)構(gòu),水化硅酸鈣的形成,,重新排列和

25、凝聚后的凝膠體結(jié)構(gòu),硅酸鈣礦物顆粒的電鏡照片,硅酸鈣礦物水化后的電鏡照片,硅酸鈣礦物水化物的特征,,硅酸鈣的水化產(chǎn)物C-S-H與Ca(OH),3）鋁酸三鈣C3A的水化,鋁酸鈣C3A的水化行為在水泥水化早期特別重要 純C3A與水反應(yīng)迅速，生產(chǎn)水化鋁酸鈣： C3A + 18H2O C4AH19或 C4AH13 C3AH6 (不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物) (穩(wěn)定產(chǎn)物) 這一反應(yīng)導(dǎo)致水泥漿閃凝或假凝，必須避免！ 避免閃凝的有效途徑加入石膏CaSO42H2O,這就是硅酸鹽水泥生產(chǎn)中，必須加入石膏與水泥熟料一起粉磨的根本原因！ 這一發(fā)明是硅酸鹽水泥發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。,鋁酸三鈣C3A在石

26、膏存在下的水化反應(yīng),C3A與石膏反應(yīng)首先形成三硫型硫鋁酸鈣鈣礬石晶體，并放出大量熱： C3A+ 3CH2+26H C3A3C3H32或C3A3C3H31 + 300 cal / g (1) (鈣釩石) 反應(yīng)后期，石膏量不足時(shí)，水化生成單硫型硫鋁酸鈣水化物： C3A+ C3A3C3H32 +4H C3AC3H12 (2) 石膏消耗完后， C3A直接水化形成C3AH6： C3A + 18H2O C3AH6 (3),石膏緩凝機(jī)理： 在水泥顆粒表面析出致密的鈣礬石凝膠體構(gòu)成阻礙層，延緩了水泥顆粒的水化，避免閃凝或假凝。當(dāng)凝膠體

27、破裂（轉(zhuǎn)變?yōu)榫w后，孔隙增加；或滲透壓作用凝膠體破裂），礦物水化又正常進(jìn)行。,4）鐵鋁酸四鈣C4AF的水化,鐵鋁酸四鈣C4AF與水發(fā)生類似于C3A的水化反應(yīng)，也形成類似的產(chǎn)物鈣釩石和單硫型水化物： C4AF + 7H C3AFH6 CFH C4AF + 3CH2 + 26H C3(A,F)3C3H32 C4AF + CH2 + 20H C3(A,F)C3H16 C4AF水化物的組成是可變，是鋁酸鹽與鐵酸鹽的固溶體，并由鐵相凝膠產(chǎn)生。 C4AF的水化反應(yīng)對(duì)整個(gè)水泥的行為影響較小。,水泥漿掃描電鏡照片(7d齡期),C-S-H,,鈣礬石,,5）活性混合材料的水化,火山灰反應(yīng)： xCa

28、(OH)2 + SiO2 + mH2O = xCaOSiO2nH2O xCa(OH)2 + Al2O3 + mH2O = xCaOAl2O3nH2O 稀釋作用 減少水泥中熟料礦物含量，降低水化熱； 減少水泥石中Ca(OH)2的含量。 超細(xì)粉末的密實(shí)填充效應(yīng),活性混合材的作用,,活性礦物粉磨顆粒與石灰的反應(yīng),3d,7d,49d,182d,摻加粉煤灰的水泥的水化熱,摻加粉煤灰的水泥石中Ca(OH)2的含量,Summary,硅酸鈣的水化 2C3S + 6H C3S2H3 + 3CH + 120cal/g 2C2S + 4H C3S2H3 + CH + 62cal/g C-S-H +

29、 羥鈣石 鋁酸鈣的水化 C3A + 18H2O C2AH8 + C4AH13 C3A+ 3CH2+26H C3A3C3H32 + 300 cal / g （鈣釩石） C3A+ C3A3C3H32 +4H C3AC3H12 鐵鋁酸鈣的水化 C4AF + 13H C4(A,F)H13 C4AF + 3CH2+26H C3(A,F)3C3H32 C4AF + CH2+26H C3(A,F)C3H12,水泥的水化過(guò)程： 當(dāng)水泥顆粒分散在水中，石膏和熟料礦物溶解進(jìn)入溶液中，液相被各種離子飽和； 幾分鐘內(nèi)，Ca2、SO4 、 Al3 、 OH離子間反應(yīng)，形成鈣釩石； 幾小時(shí)后，Ca(

30、OH)2晶體和硅酸鈣水化物C-S-H開(kāi)始填充原來(lái)由水占據(jù)、并溶解熟料礦物的空間； 幾天后，因石膏量不足，鈣釩石開(kāi)始分解，單硫型硫鋁酸鈣水化物開(kāi)始形成。 此后，水化物不斷形成，不斷填充孔隙或空隙。,石膏的作用,避免水泥漿的閃凝和假凝現(xiàn)象。 調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)時(shí)間。 導(dǎo)致鈣釩石和單硫型硫鋁酸鈣水化物的形成。,（3）硅酸鹽水泥的凝結(jié)硬化,水泥漿通過(guò)水泥熟料礦物的水化反應(yīng)、漿體的凝結(jié)硬化過(guò)程變成堅(jiān)硬固體,凝結(jié)水泥與水混合形成可塑漿體，隨著時(shí)間推移、可塑性下降，但還不具備強(qiáng)度，此過(guò)程即為“凝結(jié)”； 硬化隨后漿體失去可塑性，強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)，形成堅(jiān)硬固體，這個(gè)過(guò)程即為“硬化”。,水泥漿體轉(zhuǎn)變成堅(jiān)硬固體的過(guò)程是一個(gè)

31、復(fù)雜的物理化學(xué)變化過(guò)程。,水泥漿如何轉(zhuǎn)變成堅(jiān)硬固體？,為什么水泥能由漿體變成固體？,水泥與水能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)水化反應(yīng)； 水化反應(yīng)將結(jié)合占水泥質(zhì)量30左右的拌和水； 水化反應(yīng)的產(chǎn)物水化物能相互凝聚成三向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)； 水化反應(yīng)產(chǎn)物有很大的表面能，而且相互間有很強(qiáng)的次價(jià)鍵力。,水 泥,水,溶 解,沉 淀,水泥漿的凝結(jié)硬化過(guò)程,擴(kuò) 散,水泥漿的凝結(jié)硬化物理過(guò)程,單一水泥顆粒在大量水中的水化過(guò)程模型,新拌,1小時(shí)后,數(shù)小時(shí)后,幾天后,幾周后,拌合水,未水化的核,水化物CSH,Ca(OH)2 晶體,水泥顆粒,水,水泥顆粒分散在水中形成水泥漿體,硅酸鹽水泥水化物理過(guò)程模型,水泥水化物膜層,,水泥顆粒的水化從表面

32、開(kāi)始，在表面形成水化物膜層誘導(dǎo)期,水化物膜層隨水化時(shí)間向內(nèi)不斷增厚，進(jìn)入潛伏期。,水化物膜層隨水化時(shí)間向內(nèi)不斷增厚，水泥顆粒粒徑縮小,在滲透壓的作用下，膜層破裂、擴(kuò)展，占據(jù)原來(lái)被水占據(jù)的空間，進(jìn)入凝結(jié)期。,凝結(jié)期：水化物不斷填充被水占據(jù)的空間，成為連續(xù)相，拌和水不斷減少，并被水化物分割成非連續(xù)相。,隨著水泥顆粒的不斷水化，水化物不斷填充毛細(xì)孔和水所占據(jù)的空間，固體相成為連續(xù)相，并具有一定強(qiáng)度。進(jìn)入硬化期。,硅酸鹽水泥水化時(shí)的放熱曲線,水化放熱速度,溶解：鈣釩石形成,誘導(dǎo)期： Ca2濃度增加,C-S-H和CH快速形成,初凝,終凝,單硫型硫鋁酸鈣形成,擴(kuò)散控制反應(yīng),先在固液界面發(fā)生，水化物圍繞每顆

33、水泥顆粒未水化的內(nèi)核區(qū)域沉積； 早期水化物在顆粒上形成表面膜層，阻礙了進(jìn)一步反應(yīng)進(jìn)入潛伏期； 因滲透壓或鈣釩石的結(jié)晶或二者，水化物膜層破裂，導(dǎo)致水化繼續(xù)迅速進(jìn)行進(jìn)入水化的加速期； 隨著水化的不斷進(jìn)行，水占據(jù)的空間越來(lái)越少，水化物越來(lái)越多，水化物顆粒逐漸接近，構(gòu)成較疏松的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，水泥漿失去流動(dòng)性，可塑性降低凝結(jié)； 由于水泥內(nèi)核的繼續(xù)水化，水化物不斷填充結(jié)構(gòu)網(wǎng)中的毛細(xì)孔隙，使之越來(lái)越致密，空隙越來(lái)越少，水化物顆粒間作用增強(qiáng)，導(dǎo)致漿體完全失去可塑性，并產(chǎn)生強(qiáng)度硬化。,水泥漿凝結(jié)硬化的物理過(guò)程,（1）水泥熟料礦物組成和水泥細(xì)度 （2）養(yǎng)護(hù)條件（溫度、濕度）與時(shí)間 （3）石膏 （4）混合材品種和用

34、量 （5）拌合用水量,（4）水泥凝結(jié)硬化的主要影響因素,水泥熟料中單一礦物的水化速度,水化度(),時(shí)間(天),1）水泥熟料礦物組成和細(xì)度：礦物組成,水泥熟料礦物的水化速度： C3A C3ACaSO42H2O C3S C4AF C2S 水泥的C3A和C3S含量越高，凝結(jié)硬化速度越快； 水泥的C3A和C3S含量越低，凝結(jié)硬化速度越慢；,水泥細(xì)度 Fineness of Cement,粒徑： 90 m 幾乎接近惰性。,水泥顆粒細(xì)度的影響,水泥顆粒越細(xì)，水化速度越快，為什么？,答：水泥的水化反應(yīng)是液固異相反應(yīng)，反應(yīng)首先發(fā)生在液固界面上； 水泥顆粒越細(xì)，比表面積越大，界面區(qū)越大，反應(yīng)點(diǎn)越多，因此水

35、化速度越快。,比表面積 m2/kg,放熱速度,時(shí)間/小時(shí),細(xì)度(比表面積)對(duì)C3S漿體(水/固比1.0) 水化速度(放熱量)的影響,水泥漿比表面積與水化度隨時(shí)間的關(guān)系,水化度(%),比表面積(m2/cm3),,2）溫度、濕度和時(shí)間的影響,溫度升高，水化反應(yīng)加快，凝結(jié)硬化加速，為什么？ 溫度升高10C，速度加快一倍。 溫度低于0C時(shí)，水化反應(yīng)基本停止。 保持一定濕度，有利于水泥的水化。,溫度升高，放熱速度加快，誘導(dǎo)期時(shí)間縮短,水泥漿的收縮與相對(duì)濕度的關(guān)系,水泥漿中礦物隨時(shí)間的生長(zhǎng),3 天,7 天,28 天,365 天,3）石膏摻量的影響,石膏主要降低C3A的水化速度； 摻量太少，凝結(jié)較快； 過(guò)多

36、，凝結(jié)硬化影響不大。,石膏摻量對(duì)C3A漿體(水/固比1.0) 水化速度(放熱量)的影響,放熱速度(W/kg),試時(shí)間(h),石膏摻量增加： 放熱速度減慢 放熱峰延后,石膏摻量對(duì)C3A與硅酸鈣漿體初凝時(shí)間的影響,石膏摻量增加，凝結(jié)硬化加快； 摻量達(dá)到一定后，再增加，影響不大。 石膏摻量過(guò)多時(shí)，不僅緩凝作用不大，而且造成體積安定性不良。,摻加粉煤灰的水泥強(qiáng)度發(fā)展早期強(qiáng)度增長(zhǎng)減慢，但摻量小于20時(shí)，后期強(qiáng)度也有較多增長(zhǎng),4）混合材品種與摻量,4）混合材品種與摻量,4）混合材品種與摻量,拌和用水量的影響,重要概念：水灰比水泥漿體中拌和水量與水泥質(zhì)量之比(W/C)； 水泥熟料礦物完全水化的理論水灰比0.

37、23； 水灰比越大，需要水化物固相填充的孔隙越多，凝結(jié)硬化所需時(shí)間越長(zhǎng)； 水灰比越大，水泥石中孔隙越多，強(qiáng)度越低。,水灰比對(duì)水泥漿體中水化物與孔隙體積的影響,Summary,C3S、C3A含量多，凝結(jié)硬化快，反之亦然。 細(xì)度越小，水化反應(yīng)越快，凝結(jié)硬化越快。 水灰比越大，漿體需填充的孔隙越多，凝結(jié)硬化速度越慢。 提高溫度，加快水泥的凝結(jié)硬化；保持足夠的水分有利于水泥的凝結(jié)硬化,問(wèn)題？,水泥凝結(jié)硬化速度快，好嗎？,答：水化加快，放熱速率加速，升溫并膨脹，凝結(jié)硬化形成的微結(jié)構(gòu)體積較疏松，且在隨后的降溫期間，或受干燥環(huán)境作用收縮變形時(shí)產(chǎn)生大量微裂縫，致使結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度與滲透性（耐久性）受到嚴(yán)重影響。

38、,水泥宜在什么條件下凝結(jié)硬化？,答：水泥宜在常溫(2010C)與相對(duì)濕度較高的條件下，凝結(jié)硬化。即水泥水化速度適宜的溫度，水化 所需水分供應(yīng)充足的條件。,,應(yīng)用水泥凝結(jié)硬化機(jī)理分析與解答問(wèn)題,水泥生產(chǎn)中為什么摻加石膏？ C3A在水中溶解度大，反應(yīng)很快，引起水泥漿閃凝； 水泥的凝結(jié)速度取決于水泥漿體中水化物凝膠微粒的聚集，Al3對(duì)凝膠微粒聚集有促進(jìn)作用； 石膏與C3A反應(yīng)形成難溶的硫鋁酸鈣水化物，反應(yīng)速度減緩，并減少了溶液中的Al3濃度，延緩了水泥漿的凝結(jié)速度。 為什么水泥硬化后能產(chǎn)生強(qiáng)度？ 水泥漿體硬化后轉(zhuǎn)變?yōu)樵絹?lái)越致密的固體； 在漿體硬化過(guò)程中，隨著水泥礦物的水化，比表面較大的水化物顆粒不斷

39、增多，顆粒間相互作用力不斷增強(qiáng)，產(chǎn)生的強(qiáng)度越來(lái)越高。,水泥漿體強(qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律是什么？ 水泥漿體的強(qiáng)度隨齡期而逐漸增長(zhǎng)，早期增長(zhǎng)快，后期增長(zhǎng)較慢，但是只要維持一定的溫度和濕度，其強(qiáng)度可在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)增長(zhǎng)。這與水泥礦物的水化反應(yīng)規(guī)律是一致的。 為什么強(qiáng)度發(fā)展與環(huán)境溫、濕度有關(guān)？ 水泥的水化需要水，如果沒(méi)有水，水泥的水化就將停止；提高溫度可加快水泥的凝結(jié)硬化，而降低溫度就會(huì)減緩水泥的凝結(jié)硬化。 為什么水泥的儲(chǔ)存與運(yùn)輸時(shí)應(yīng)防止受潮？ 水泥受潮，因表面水化結(jié)塊，喪失凝膠能力，強(qiáng)度大為降低。,,4通用硅酸鹽水泥的技術(shù)要求,細(xì)度 標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量 凝結(jié)時(shí)間 體積安定性 強(qiáng)度 不溶物和燒失量 堿含

40、量 氯離子,（1）凝結(jié)時(shí)間,首先要測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量 標(biāo)準(zhǔn)稠度： 按規(guī)定的方法拌制的水泥凈漿，在水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度測(cè)定儀上，試錐下沉（282）mm時(shí)的水泥凈漿的稠度。 標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量： 是指水泥凈漿達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)稠度時(shí)所需要的水量，用水與水泥質(zhì)量的比來(lái)表示。硅酸鹽水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水泥量一般在21%28%。,,,,,,,,,,,,試錐下降高度,,水泥漿,,試錐,,問(wèn)題：標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量與什么因素有關(guān)？為什么？,解答： 與水泥細(xì)度、水泥礦物組成、混合材摻量等有關(guān)。因?yàn)樗囝w粒越細(xì)，比表面越大，表面吸附水越多；水泥礦物組成和混合材摻量不同，顆粒的表面吸附特性不同，吸附水量不同。,（2）凝結(jié)時(shí)間,概念：

41、 凝結(jié)時(shí)間水泥加水開(kāi)始到水泥漿失去流動(dòng)性，即從可塑性發(fā)展到固體狀態(tài)所需要的時(shí)間。 初凝時(shí)間 從水泥加水拌和到水泥漿開(kāi)始失去可塑性所需的時(shí)間； 終凝時(shí)間 從水泥加水拌和到水泥漿完全失去可塑性，并開(kāi)始具有強(qiáng)度所需的時(shí)間。 測(cè)定方法： 用標(biāo)準(zhǔn)稠度的水泥凈漿，在規(guī)定的溫濕度下，用凝結(jié)時(shí)間測(cè)定儀來(lái)測(cè)定。 國(guó)標(biāo)要求：硅酸鹽水泥 初凝時(shí)間45min； 終凝時(shí)間390min。,,,,,,,,,,,,水泥凝結(jié)時(shí)間的測(cè)定,標(biāo)準(zhǔn)稠度水泥漿,,,離底12mm為初凝,,,,,,,園弧形壓痕,,終凝,,為什么要規(guī)定凝結(jié)時(shí)間？,答： 水泥凝結(jié)時(shí)間的規(guī)定是為了有足夠的時(shí)間進(jìn)行施工操作和硬化的混凝土質(zhì)量； 初凝時(shí)間太短，來(lái)

42、不及施工，水泥石結(jié)構(gòu)疏松、性能差，水泥無(wú)使用價(jià)值，即為廢品； 終凝時(shí)間太長(zhǎng)，強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，影響施工周期，即為不合格品。,(3) 體積安定性,基本概念： 水泥凝結(jié)硬化過(guò)程中，體積變化是否均勻適當(dāng)?shù)男再|(zhì)稱為體積安定性。 若水泥石的體積變化均勻適當(dāng)，則水泥的體積安定性良好； 若水泥石發(fā)生不均勻體積變化：翹曲、開(kāi)裂等，則水泥的體積安定性不良。 體積安定性不良的水泥為廢品！,為什么？,水泥體積安定性不良的原因： 水泥熟料中含有過(guò)多的游離CaO、MgO和石膏。 因?yàn)樗嗍炝现械挠坞xCaO、MgO都是過(guò)燒的。水化速度很慢。在已硬化的水化石中繼續(xù)與水反應(yīng)，其固體體積增大1.98%和2.48倍。產(chǎn)生不均勻體積變

43、化，造成水泥石開(kāi)裂、翹曲。 石膏量過(guò)多，在水泥凝結(jié)硬化后，會(huì)有鈣釩石形成，產(chǎn)生膨脹 。,(3) 體積安定性,f-CaO檢測(cè)方法： 試餅法 雷氏夾法,(3) 體積安定性,,,,,,,,,,,,,,,試餅法,雷氏夾法,合格標(biāo)準(zhǔn)：5mm。,,肉眼觀察表面有無(wú)裂紋,用直尺檢查有無(wú)彎曲,合格標(biāo)準(zhǔn)： 無(wú)裂紋、無(wú)彎曲。,試餅法 用標(biāo)準(zhǔn)稠度的水泥凈漿做成試餅，在水中經(jīng)恒沸3h后，用肉眼觀察沒(méi)有裂紋，用直尺檢查沒(méi)有彎曲，則體積安定合格，反之，體積安定性不合格。,雷氏夾法 測(cè)量雷氏夾中的水泥凈漿，經(jīng)沸煮3h后的膨脹值。該值不大于5.0mm時(shí)，則體積安定性合格，否則，為體積安定性不合格。,(4) 強(qiáng) 度,檢驗(yàn)方

44、法軟練膠砂法，分別測(cè)量抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。 試件尺寸：4040160mm棱柱體； 膠砂配比： 水泥 : ISO標(biāo)準(zhǔn)砂 : 水= 1 : 3 : 0.5； 振動(dòng)成型： 在頻率為28003000次/min，振幅0.75mm的振實(shí)臺(tái)上成型。振動(dòng)時(shí)間120s。 試件養(yǎng)護(hù)： 在20 C 1C，相對(duì)濕度不低于90%的霧室或養(yǎng)護(hù)箱中24h，然后脫模在20C 1 C的水中養(yǎng)護(hù)至測(cè)試齡期；,,,,,,,,,,,100mm,160mm,P,抗折強(qiáng)度試驗(yàn),,,,,,P,P,抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),強(qiáng)度測(cè)量： 將試件從水中取出，先進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，折斷后每截再進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。受壓面積為4040=1600mm2。 結(jié)果計(jì)

45、算： 抗折強(qiáng)度以三個(gè)試件的平均值，抗壓強(qiáng)度以六個(gè)試件的平均值。,強(qiáng)度等級(jí)：根據(jù)3天和28天強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，將水泥強(qiáng)度劃分若干個(gè)強(qiáng)度等級(jí),,,,,,,,,3d,28d,時(shí)間（d）,強(qiáng)度（MPa）,水泥強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律,早期增長(zhǎng)快，隨后逐漸減慢； 28天，基本達(dá)到極限強(qiáng)度的80以上； 在合適的溫濕度條件下，強(qiáng)度增長(zhǎng)可以持續(xù)幾十天 乃至幾十年。,（4）細(xì)度,定義 細(xì)度是指水泥粉體的粗細(xì)程度。 測(cè)量方法 篩分析法 以80，45m方孔篩的篩余量表示； 比表面積法 以1kg水泥顆粒所具有的總表面積來(lái)表示。 國(guó)標(biāo)要求 硅酸鹽水泥的比表面積應(yīng)大于300m2/kg。,問(wèn)題：為什么需要規(guī)定水泥的細(xì)度？,解答： 水泥

46、顆粒細(xì)度影響水化活性和凝結(jié)硬化速度，水泥顆粒太粗，水化活性越低，不利于凝結(jié)硬化； 雖然水泥越細(xì)，凝結(jié)硬化越快，早期強(qiáng)度會(huì)越高，但是水化放熱速度也快，水泥收縮也越大，對(duì)水泥石性能不利； 水泥越細(xì)，生產(chǎn)能耗越高，成本增加； 水泥越細(xì)，對(duì)水泥的儲(chǔ)存也不利，容易受潮結(jié)塊，反而降低強(qiáng)度。,問(wèn)題：為什么水泥強(qiáng)度檢驗(yàn)方法要規(guī)定試件尺寸、試件配比、養(yǎng)護(hù)條件、養(yǎng)護(hù)時(shí)間等？,解答： 水泥膠砂試件的強(qiáng)度與水泥的組成、試件的水灰比和砂灰比、水泥的水化程度，以及試件的大小有關(guān)，而水泥的水化程度與養(yǎng)護(hù)條件和養(yǎng)護(hù)時(shí)間有關(guān)； 水泥強(qiáng)度檢驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)具有確定組成的水泥的強(qiáng)度，因此，為排除其它因素的影響，將這些因素統(tǒng)一規(guī)定，以便

47、相互比較。,其它相關(guān)指標(biāo),（5）不溶物 （6）燒失量 （7）堿含量 （8）氯離子,不溶物含量可以作為評(píng)價(jià)水泥在制造過(guò)程中燒成反應(yīng)是否完全的指標(biāo)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定I型硅酸鹽水泥中不溶物不得超過(guò)0.75%，II型硅酸鹽水泥中不溶物不得超過(guò)1.50%。,根據(jù)燒失量可以大致判斷水泥的受潮及風(fēng)化程度。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定I型硅酸鹽水泥的燒失量不得大于3.0%，型硅酸鹽水泥的燒失量不得大于3.5%。,國(guó)標(biāo)規(guī)定若使用活性骨料，用戶要求提供低堿水泥時(shí)，水泥中堿含量不得大于0.60%或由供需雙方商定。,水泥中氯離子含量不大于0.06%。以防在添加助磨劑等增加氯鹽含量，對(duì)鋼筋產(chǎn)生銹蝕作用。,,5水泥石的腐蝕及防止,基本概念：

48、 在使用環(huán)境中，硅酸鹽水泥石受某些腐蝕性介質(zhì)的作用，其組成和結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸發(fā)生變化或受到損害，導(dǎo)致性能改變、強(qiáng)度下降等。水泥石抵抗這種作用、而保持不變的能力稱為其耐腐蝕性。,導(dǎo)致水泥石腐蝕性破壞的原因,外因： 環(huán)境中的腐蝕性介質(zhì)，如：軟水；酸、堿、鹽的水溶液等。 內(nèi)因： 水泥石內(nèi)存在原始裂縫和孔隙，為腐蝕性介質(zhì)侵入提供了通道； 水泥石內(nèi)有在某些腐蝕性介質(zhì)下不穩(wěn)定的組分，如：Ca(OH)2，水化鋁酸鈣等； 腐蝕與毛細(xì)孔通道的共同作用 加劇水泥石結(jié)構(gòu)的破壞。,軟水侵蝕（溶出性侵蝕）,機(jī)理： 當(dāng)水泥石處在軟水中，軟水能使水泥石中的Ca(OH)2溶解，并溶出水泥石，留下孔隙； 另一方面，水泥石中游離的

49、鈣離子的減少，使鈣離子的濃度低于水化物的溶度積，導(dǎo)致水化物分解、溶失和轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生大量孔隙。尤其是處于壓力水或流水條件下，腐蝕越快。 破壞形式： 水化物的分解、溶失，造成水泥石密實(shí)度下降，孔縫增多、強(qiáng)度降低，直至整體破壞。,鹽類腐蝕,硫酸鹽的腐蝕 腐蝕機(jī)理： 硫酸鹽與水泥石中的氫氧化鈣反應(yīng)，生成硫酸鈣。硫酸鈣再與水泥石中未水化的鋁酸鈣反應(yīng)，生成鈣礬石，其體積增加2.22倍，引起水泥石的破壞。 當(dāng)硫酸鈣濃度高時(shí)，他們可直接結(jié)晶，造成膨脹壓力，引起破壞。 鎂鹽的腐蝕 腐蝕機(jī)理： 主要是硫酸鎂和氯化鎂，他們與氫氧化鈣反應(yīng)，生成氫氧化鎂和硫酸鈣或氯化鈣，造成雙重腐蝕作用。,鈣礬石,水泥石受硫酸

50、鹽侵蝕后，內(nèi)部形成膨脹性結(jié)晶產(chǎn)物,水泥石受硫酸鹽侵蝕后，因膨脹性結(jié)晶產(chǎn)物引起的開(kāi)裂,酸類腐蝕,腐蝕機(jī)理： 水泥石中的水化物都是堿性化合物，與碳酸、鹽酸、硫酸、醋酸、蟻酸等酸反應(yīng)生成可溶性鹽。 另一方面，氫氧化鈣濃度的降低，會(huì)導(dǎo)致水泥石中其它水化物的分解，使腐蝕作用加劇。 破壞形式： 溶失性破壞，組成與結(jié)構(gòu)發(fā)生很大改變。,水泥石受酸腐蝕后，表面溶失、脫落,強(qiáng)堿腐蝕,腐蝕機(jī)理：氫氧化鈉、氫氧化鉀等強(qiáng)堿可與水泥石中的鋁酸鈣礦物或水化物反應(yīng)，生成可溶性鋁酸鹽。當(dāng)介質(zhì)中強(qiáng)堿濃度較高是，會(huì)造成水泥石的嚴(yán)重破壞。,防止水泥石腐蝕的措施,主要針對(duì)引起腐蝕破壞的內(nèi)因采取措施， 根據(jù)使用環(huán)境條件，選用水泥品種，

51、降低水泥石中不穩(wěn)定組分的含量； 提高水泥石的密實(shí)度，減少腐蝕性介質(zhì)的通道，如降低水灰比、摻加外加劑等； 表面防護(hù)處理，堵塞通道如：防腐涂層。,問(wèn)題 ？,降低水泥石中Ca(OH)2的含量，對(duì)水泥的耐腐蝕性有什么作用？為什么？,答：降低水泥石中Ca(OH)2的含量，可以提高水泥的抵抗化學(xué)腐蝕和軟水腐蝕的能力。 因?yàn)?，化學(xué)和軟水腐蝕與水泥石中的氫氧化鈣密切相關(guān)。,,5通用硅酸鹽水泥的特性與應(yīng)用,1）凝結(jié)硬化快，早期強(qiáng)度與后期強(qiáng)度均高 硅酸鹽水泥熟料多，快硬、早強(qiáng)，適用于現(xiàn)澆混凝土工程、預(yù)應(yīng)力混凝土工程、高強(qiáng)混凝土工程及冬季施工工程等。 2）抗凍性好 硅酸鹽水泥石具有較高的密實(shí)度，且具有對(duì)抗凍性有

52、利的孔隙特征，因此抗凍性好，適用于嚴(yán)寒地區(qū)遭受反復(fù)凍融作用的混凝土工程。,（1）硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的特性與應(yīng)用,硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的特性與應(yīng)用,3）水化熱高 概念： 水泥的水化是放熱反應(yīng)，放出的熱量就是水化熱。 放熱特征： 水泥放熱過(guò)程可持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，但大部分在3d內(nèi)釋放。 水化熱的益處與危害： 水化熱有利于水泥的快硬，尤其是在冬天施工，但如果水化熱發(fā)散不均勻，容易在混凝土中引起裂縫，尤其是大體積混凝土，更是如此。 水化熱和放熱速度的影響因素： 水泥礦物組成 水泥細(xì)度,問(wèn)題？,為什么水泥顆粒越細(xì)，水化放熱越快？ 答: 水泥礦物的水化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，水泥顆粒越細(xì)，水化反應(yīng)速

53、度越快。 硅酸鹽水泥熟料的四種礦物中，哪一種水化熱最大？哪一種水化熱最?。?答： 鋁酸三鈣C3A水化熱最大；硅酸三鈣C3S次之；硅酸二鈣C2S水化熱最小。 為什么要限制水泥的不溶物含量和燒失量？ 答：不溶物是指水泥經(jīng)酸和堿處理后，不能被溶解的殘余物；燒失量是指水泥經(jīng)高溫灼燒后的質(zhì)量損失率。這兩項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)表示水泥中不能水化的雜質(zhì)含量大，影響水泥硬化后的性能。,（4）耐腐蝕性差 硅酸鹽水泥石中的Ca(OH) 2 與水化鋁酸鈣較多，因此耐腐蝕性差，不適用于受流動(dòng)軟水和壓力水作用的工程，也不宜用于受海水及其他侵蝕性介質(zhì)作用的工程。 （5）耐熱性差 水泥石中的水化產(chǎn)物在250300C時(shí)產(chǎn)生脫水，體積收

54、縮，強(qiáng)度開(kāi)始降低，當(dāng)溫度達(dá)到7001000C時(shí)，水化產(chǎn)物分解，水泥石的結(jié)構(gòu)幾乎完全破壞，所以硅酸鹽水泥不適用于耐熱、高溫要求的混凝土工程。,硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的特性與應(yīng)用,（6）抗碳化性好 硅酸鹽水泥水化后水泥石中含有較多的Ca(OH) 2 ，因此，抗碳化性好。 （7）干縮小 硅酸鹽水泥硬化時(shí)干燥收縮小，不易產(chǎn)生干縮裂紋，因此適用于干燥環(huán)境。,硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的特性與應(yīng)用,Summary,物理力學(xué)性能 密度 強(qiáng)度 體積穩(wěn)定性 細(xì)度 水化熱,耐久性能 軟水腐蝕 鹽類腐蝕 酸類腐蝕 強(qiáng)堿腐蝕,為了滿足土木工程應(yīng)用的要求，水泥需具備三方面的性能,,施工性能 凝結(jié)時(shí)間 標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量

55、,,問(wèn)題？,試從應(yīng)用的角度，分析水泥的技術(shù)性質(zhì)及其要求？ 答： 水泥是一種膠凝材料，是主要的結(jié)構(gòu)材料之一，因此，它必須具有強(qiáng)度和體積安定性； 細(xì)度和標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量是相互關(guān)聯(lián)的，用水量大將影響強(qiáng)度； 為了澆注成型施工，應(yīng)對(duì)凝結(jié)時(shí)間有所限制； 水化熱對(duì)水泥硬化過(guò)程和硬化后的水泥石體積穩(wěn)定性有影響； 堿含量、不溶物和燒失量影響水泥的品質(zhì)； 為了結(jié)構(gòu)物自重的計(jì)算，必須知道水泥的密度。,2普通硅酸鹽水泥,普通硅酸鹽水泥與硅酸鹽水泥的差別僅在于其中含有少量的混合材料，而絕大部分仍是硅酸鹽水泥熟料，故其特性與硅酸鹽水泥基本相同。但由于摻入少量混合材料，因此與同等級(jí)硅酸鹽水泥相比，普通硅酸鹽水泥早期硬化速度

56、稍慢、3天強(qiáng)度稍低、抗凍性稍差、耐蝕性稍好、耐磨性稍有下降。 初凝時(shí)間不得早于45min，終凝時(shí)間不得遲于600min。其細(xì)度的要求為300m2/kg；燒失量不得大于5.0%，其它如氧化鎂、三氧化硫、安定性、堿含量均與硅酸鹽水泥的規(guī)定相同。,活性混合材水泥的共性,密度較小 2.703.10。 早期強(qiáng)度較低，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率高。 對(duì)養(yǎng)護(hù)溫濕度敏感，適合蒸汽養(yǎng)護(hù)。 水化熱較小。 耐腐蝕性較好。 抗凍性、耐磨性不及硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥。,活性混合材水泥的特性,礦渣水泥： 保水性差，泌水性大，干縮較大，耐熱性較好。 火山灰水泥： 易吸水，易反應(yīng)，結(jié)構(gòu)較致密，抗?jié)B性和耐水性較好，體積收縮較大，抗

57、硫酸鹽能力較差。 粉煤灰水泥： 吸水能力弱，需水量較低，干縮性較小，結(jié)構(gòu)致密，抗裂性較好。 復(fù)合水泥： 取決于所摻的混合材種類。,問(wèn)題 ？,各種摻混合材硅酸鹽水泥的代號(hào)、組成區(qū)別、特性及使用范圍是什么？ （見(jiàn)表214）,4.2.3 特性水泥,1白色和彩色硅酸鹽水泥 2鋁酸鹽水泥 3膨脹水泥及自應(yīng)力水泥 4其它特性水泥,1白色和彩色硅酸鹽水泥,組成特點(diǎn)： 水泥中的氧化鐵的含量低于水泥質(zhì)量的0.5%。 性能特點(diǎn)： 外觀為白色，按白度分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí) 應(yīng)用特點(diǎn)： 白水泥熟料與顏料、石膏共同磨細(xì)可制得彩色水泥；主要用于建筑室內(nèi)外裝飾等。,2鋁酸鹽水泥,高鋁水泥的礦物組成 高鋁水泥的水化

58、 高鋁水泥的技術(shù)性質(zhì) 高鋁水泥的特點(diǎn)與應(yīng)用,(一) 高鋁水泥的礦物組成,定義： 高鋁水泥（礬土水泥）是以鋁礬土和石灰石為原料，按一定比例配合，經(jīng)煅燒、磨細(xì)所制得的一種以鋁酸鈣為主要礦物成分的水硬性材料，又稱鋁酸鹽水泥。 主要礦物有： 鋁酸一鈣 CaOAl2O3 CA，50%70%； 硅酸二鈣 2CaOSiO2 C2S， 七鋁酸十二鈣 12CaO7Al2O3， C12A7 二鋁酸一鈣 CaO2Al2O3， CA2 硅鋁酸二鈣 2CaOAl2O3SiO2 C2AS,水化活性很低,水化活性很高,(二) 高鋁水泥的水化和硬化,特點(diǎn)： 1. 高鋁水泥的水化主要是鋁酸一鈣的

59、水化和水化物的結(jié)晶； 2. 鋁酸一鈣的水化物組成與溫度有關(guān)： T20C CA + 10 H2O CAH10 20CT30C 2CA + 11 H2O C2AH8 30CT 3CA + 12 H2O C3AH6 + 2(Al2O3 3H2O) 3.水化反應(yīng)集中在早期，而且，反應(yīng)速度較快，因此，早期強(qiáng)度增長(zhǎng)快； 4.水化物都是晶體，而且，穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生相互間的轉(zhuǎn)化，因而引起強(qiáng)度降低。,不同溫度下鋁酸鹽水泥的水化物,5C,20C,40C,60C,5C下鋁酸鹽水泥穩(wěn)定水化物CAH10(六方片狀晶體）,65C下鋁酸鹽水泥穩(wěn)定水化物C3AH6(立方晶體）,(三) 高鋁水泥的技術(shù)性質(zhì),1.

60、外觀：黃色或黃褐色或灰色； 2. 密度與堆積密度：與硅酸鹽水泥相近； 3. 細(xì)度：80m篩余不得超過(guò)10%； 4. 凝結(jié)時(shí)間：初凝40min，終凝10h； 5. 強(qiáng)度： 見(jiàn)表2-20。,(四) 高鋁水泥的特點(diǎn)與應(yīng)用,1. 耐高溫性能好，配制耐高溫混凝土或砌筑砂漿； 2. 耐硫酸鹽腐蝕性能較好，適用于有抗硫酸鹽侵蝕要求的工程； 3. 耐堿性較差，不能用于接觸堿溶液的工程； 4. 水化熱較大，適用于冬季施工，不適用于大體積混凝土； 5. 快硬早強(qiáng)，宜用于緊急搶修工程。 6. 高鋁水泥有強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象，如需用于工程中，應(yīng)按最低穩(wěn)定強(qiáng)度設(shè)計(jì)。,3膨脹水泥及自應(yīng)力水泥,組成特點(diǎn)： 含有在水泥的凝結(jié)硬化過(guò)

61、程中能產(chǎn)生適量體積膨脹的成分，如：氧化鈣、氧化鎂、硫鋁酸鈣、明礬石、石膏等。 種類： 硅酸鹽型、鋁酸鹽型、硫鋁酸鹽型。 性能特點(diǎn)： 凝結(jié)硬化過(guò)程中體積不收縮，而略有膨脹，提高密實(shí)性和抗?jié)B性。 應(yīng)用特點(diǎn)： 可用于配制防水砂漿和防水混凝土、管道接頭、堵縫和自應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程和構(gòu)件等。,4其它特性水泥,（1）抗硫酸鹽硅酸鹽水泥 （ 2）快硬硫鋁酸鹽水泥與快硬鐵鋁酸鹽水泥 （3）中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥,（1）抗硫酸鹽硅酸鹽水泥,組成特點(diǎn)： C3S、C3A的含量低，要求C3S的含量低于50.055.0%；C3A的含量低于5.03.0%。 （為什么？） 性能特點(diǎn)：

62、 具有抵抗較高濃度硫酸根離子侵蝕能力，抗蝕能力以抗硫酸鹽腐蝕系數(shù)F來(lái)評(píng)定。要求F0.8。 應(yīng)用特點(diǎn)： 主要用于受硫酸鹽腐蝕的海港、水利、地下、隧道、引水、道路和橋梁基礎(chǔ)等工程。,抗硫酸鹽腐蝕系數(shù)F： 將水泥試件在人工配制的硫酸根離子濃度分別為2500mg/L和8000mg/L的硫酸鈉溶液中，浸泡6個(gè)月后的強(qiáng)度與同時(shí)浸泡在飲用水中的試件的強(qiáng)度之比。,（2）快硬硫鋁酸鹽水泥與快硬鐵鋁酸鹽水泥,組成特點(diǎn)： 快硬硫鋁酸鹽水泥是以3CaO3Al2O3CaSO4和硅酸二鈣為主要礦物成分的水泥熟料。 快硬鐵鋁酸鹽水泥是以無(wú)水硫鋁酸鈣、鐵相（4CaOAl2O3Fe2O3、6CaOAl2O

63、32Fe2O3等）和硅酸二鈣為主要礦物成分的水泥熟料 性能特點(diǎn)： 比表面積應(yīng)不小于350m2/kg，初凝不得早于25min，終凝不得遲于180min。強(qiáng)度高。 應(yīng)用特點(diǎn)： 用于早期強(qiáng)度要求高的緊急搶修工程、負(fù)溫混凝土工程和抗硫酸鹽侵蝕混凝土，也用于漿錨、噴錨支護(hù)、地質(zhì)固井、堵漏等混凝土工程。,（3）中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥,組成特點(diǎn)： 熟料中C3S、C3A的含量較低，后一種摻加2060%的?；郀t礦渣 。 性能特點(diǎn)： 水化熱低，凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，中熱水泥抗凍性和耐磨性較好。 應(yīng)用特點(diǎn)： 適用于大體積混凝土，如大壩水利工程；和要求低水化熱、高抗凍性和耐磨性的

64、工程。,案例分析,【工程案例分析4-1】石灰陳伏時(shí)間短引起的砂漿抹灰層開(kāi)裂 現(xiàn)象：某多層住宅樓室內(nèi)抹灰采用石灰砂漿，施工驗(yàn)收時(shí)發(fā)現(xiàn)抹灰層有起鼓現(xiàn)象，伴有發(fā)射狀裂紋，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)不規(guī)則的網(wǎng)狀裂紋。請(qǐng)分析原因。 分析討論：抹灰層出現(xiàn)鼓包開(kāi)裂主要是石灰陳伏時(shí)間不夠，其中的過(guò)火石灰在石灰使用后已經(jīng)變硬，才開(kāi)始熟化，體積膨脹，使已硬化的抹灰層出現(xiàn)鼓包開(kāi)裂。 抹灰層出現(xiàn)不規(guī)則的網(wǎng)狀裂紋主要是石灰硬化過(guò)程中體積大量收縮所致。,,【工程案分析4-2】使用石灰下腳料引起的三合土的拱起 江蘇省大豐市某工程隊(duì)將過(guò)篩后的石灰下腳料經(jīng)簡(jiǎn)單敲碎后，用在道路地基處理的三合土中，三合土在壓實(shí)10天后，出現(xiàn)眾多凸出點(diǎn)和少量拱起裂

65、紋，請(qǐng)分析原因。 分析討論：過(guò)篩后的石灰下腳料往往含有過(guò)燒的氧化鈣和氧化鎂，其水化速率較慢。在壓實(shí)的三合土中后，這些經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理的過(guò)燒的氧化鈣或氧化鎂吸水水化，產(chǎn)生體積膨脹，顆粒小的產(chǎn)生凸點(diǎn)，顆粒大的產(chǎn)生拱起裂紋。,,【工程案例分析4-3】可溶性硬石膏引起的凝結(jié)時(shí)間不正常 分析討論：江蘇省鹽城市某新型建材廠生產(chǎn)建筑石膏和砌塊。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)有些建筑石膏稠化很快，來(lái)不及成型；放置幾天后，凝結(jié)時(shí)間又正常，請(qǐng)分析原因。 建筑石膏的生產(chǎn)是在170250C下進(jìn)行的。其礦物組成有型CaSO41/2 H2O，可溶性硬石膏和難溶性硬石膏。可溶性硬石膏水化極快，往往在拌和過(guò)程中就發(fā)生硬化，導(dǎo)致其制品來(lái)不及成型。當(dāng)放

66、置幾天后，這種可溶性的硬石膏很快會(huì)吸收空氣中的水分，變成型CaSO41/2 H2O，使凝結(jié)時(shí)間恢復(fù)正常。,,案例分析4-4 水泥體積安定性前后變化 現(xiàn)象：對(duì)某新出廠的普通水泥進(jìn)行抽樣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)體積安定性不合格，本應(yīng)作廢品處理。但存放十多天后再次進(jìn)行檢測(cè)，體積安定性變得合格，此時(shí)可以使用，請(qǐng)分析原因。 分析討論：有些體積安定性不合格的水泥是由于游離氧化鈣含量高造成的，這些水泥在空氣中存放一段時(shí)間后，游離氧化鈣會(huì)吸收空氣中的水分而熟化，使其含量減少，體積安定性變得合格，此時(shí)可以使用。因此新出廠的水泥不宜立即使用。,,【案例分析4-5】未處理的磷石膏作水泥調(diào)凝劑導(dǎo)致的凝結(jié)時(shí)間太長(zhǎng)的問(wèn)題 現(xiàn)象：江蘇省鹽城市某水泥廠利用磷石膏作水泥調(diào)凝劑，在工程施工中頻頻出現(xiàn)凝結(jié)時(shí)間太長(zhǎng)的質(zhì)量事故，請(qǐng)分析原因。 分析討論：磷石膏是生產(chǎn)磷肥的廢渣，其成分是二水石膏和少量的磷酸、氫氟酸和硫酸。用其作為水泥緩凝劑可以實(shí)現(xiàn)二次資源的再利用，減少工業(yè)廢渣的污染。但磷石膏中的磷酸及其鹽，對(duì)水泥水化有強(qiáng)烈的緩凝作用，添加少量就使水泥長(zhǎng)時(shí)間不凝結(jié)，造成混凝土施工時(shí)間的顯著延長(zhǎng)。未處理的磷石膏，磷酸分布極不均勻，往往導(dǎo)致凝結(jié)時(shí)間