第三章-吉林PPT课件

.,1,土木工程材料,教材：土木工程材料编者：湖南大学、天津大学、同济大学、东南大学合编,吉林大学建设工程学院,主讲人：徐会文,.,主要内容：1、气硬性胶凝材料；2、硅酸盐水泥；3、掺混合材料的硅酸盐水泥；4、其他水泥。,第三章无机胶凝材料,.,3,长城,滕王阁,北京故宫,.,4,明代民居,.,5,用三合土建成的我国最古老的建筑物,.,6,用三合土铺成的街道,.,7,1、胶凝材料胶凝材料：土木工程材料中，凡是经过一系列的物理、化学作用，能将散粒材料粘结成整体的材料，统称为胶凝材料。,.,8,2、胶凝材料的分类根据胶凝材料的化学组成，一般可分为：无机胶凝材料；有机胶凝材料两大类。有机胶凝材料以天然的或合成的有机高分子化合物为基本成分，常用的有沥青、各种合成树脂等。无机胶凝材料则以无机化合物为基本成分，常用的有石膏、石灰、各种水泥等。根据无机胶凝材料凝结硬化条件的不同，又可分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料两类。,.,9,气硬性胶凝材料是指只能在空气中硬化，也只能在空气中保持和发展其强度的胶凝材料。常用的有石膏、石灰和水玻璃。,第一节气硬性胶凝材料,.,10,一、石膏,石膏胶凝材料的优点和类型1、优点石膏胶凝材料是以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料。由于石膏胶凝材料及其制品具有许多优良的性质，原料来源丰富，生产能耗低，因而在建筑工程中得到广泛应用。2、类型常用的石膏胶凝材料有：建筑石膏、高强石膏、无水石膏水泥等。,.,11,生石膏,.,12,生石膏,.,13,成品石膏粉,.,14,硬石膏,粘结石膏,.,15,石膏胶凝材料的生产生产石膏胶凝材料的原料主要是天然二水石膏（CaSO42H2O）矿石，也可用含有二水石膏的化工副产品和废渣（称为化工石膏）。天然无水石膏（CaSO4）又称天然硬石膏。石膏胶凝材料生产的主要工序是破碎、加热煅烧与磨细。根据加热方式和煅烧温度的不同，可生产出不同性质的石膏胶凝材料产品。,.,16,将天然二水石膏或化工石膏加热时，随着温度的升高，将发生如下变化：当加热温度为6575时，CaSO42H2O开始脱水，至107170时，生成半水石膏（CaSO412H2O），其反应式为：,.,17,在煅烧的过程中，因加热条件的不同，所获得的半水石膏有型和型两种形态。若将二水石膏在非密闭的窑炉中加热脱水，得到的是型半水石膏，称为建筑石膏。若将二水石膏置于0.13MPa、124的过饱和蒸汽条件下蒸炼脱水，或置于某些盐溶液中煮沸，可得到型半水石膏，称为高强石膏。,.,18,建筑石膏的凝结硬化建筑石膏与适量的水拌合后，最初成为可塑性浆体，但很快失去塑性并开始产生强度，并逐渐发展成为坚硬的固体。建筑石膏与水拌合后，半水石膏与水反应生成二水石膏：,.,19,由于二水石膏在水中的溶解度仅为半水石膏溶解度的1/5左右，半水石膏的饱和溶液对于二水石膏就成了过饱和溶液。所以二水石膏以胶体微粒自溶液中析出，从而破坏了半水石膏溶解的平衡，使半水石膏又继续溶解和水化。在这一过程中，浆体中的自由水分因水化和蒸发而逐渐减少，二水石膏胶体微粒数量不断增加，浆体的稠度逐渐增大，可塑性逐渐减小，表现为石膏的“凝结”。其后，胶体微粒逐渐凝聚成为晶体。晶体逐渐长大、共生和相互交错，使浆体产生强度，并不断增长，这就是石膏的“硬化”。,.,20,（a）（b）（c）,图3-1建筑石膏凝结硬化示意图（a）胶化；（b）结晶开始；（c）结晶长大与交错1-半水石膏；2-二水石膏胶体微粒；3-二水石膏晶体；4-交错的晶体,.,21,建筑石膏的技术性质与应用建筑石膏为白色粉末，密度约为2.602.75g/cm3，堆积密度为8001000kg/m3。建筑石膏按强度、细度、凝结时间等技术要求分为优等品、一等品、合格品三个等级。,.,22,根据建筑石膏的性性质，它在建筑上的主要用途有：制成石膏抹灰材料、各种墙体材料，各种装饰石膏板、石膏浮雕花饰、雕饰制品等。,.,23,室内装饰用石膏板,用石膏装饰室内天花板,.,24,石灰是在土木工程中使用较早的矿物胶凝材料之一。石灰的原料分布很广，生产工艺简单，成本低廉，在土木工程中应用很广。目前，工程中常用的石灰产品有：磨细生石灰、消石灰粉和石灰膏。,二、石灰,.,25,石灰石,.,26,生石灰,.,27,石灰生产厂,.,28,石灰的生产生产石灰的原料有石灰石、白云石、白垩、贝壳等。它们的主要成分是碳酸钙，经煅烧后，碳酸钙分解成为氧化钙，得到块状生石灰：,为加速石灰的分解过程，在实际的煅烧过程中温度常提高至10001100左右。在生产石灰的原料中，常含有碳酸镁，经煅烧后，分解成氧化镁；按氧化镁含量的多少，石灰分为钙质石灰（氧化镁含量5%）和镁质石灰（氧化镁含量5%）两类。,.,29,生石灰粉,.,30,.,31,在使用石灰时，将生石灰加水，使之消解为消石灰的过程，称为石灰的“消解”，又称“熟化”：,石灰的熟化为放热反应，熟化时体积增大12.5倍。,.,32,按用途，石灰熟化的方法有两种：1、用于拌制石灰砌筑砂浆时，需将生石灰熟化成石灰膏。生石灰在化灰池中熟化成石灰浆后，通过筛网流入储灰坑，石灰浆在储灰坑中沉淀并除去上层水分后称为石灰膏。为了消除过火石灰的危害，石灰浆应在储灰坑中“陈伏”两星期以上。“陈伏”期间，石灰浆表面应保有一层水分，与空气隔绝，以免碳化。,.,33,2、用于拌制石灰土（石灰、粘土）、三合土（石灰、粘土、砂石或炉渣等）时，将生石灰熟化成消石灰粉。生石灰熟化成消石灰粉时，理论上需水32.1%，由于一部分水分需消耗于蒸发，实际加水量常为生石灰重量的6080%，应以能充分消解而又不过湿成团为度。,.,34,石灰的硬化1、结晶作用游离水分蒸发，氢氧化钙逐渐从饱和溶液中结晶；2、碳化作用-氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙结晶，释出水分被蒸发：,.,35,石灰的技术性质与要求1、性质：良好的可塑性；硬化速度慢；强度低，易受潮。,.,36,2、分类及技术指标根据我国建材行业标准的规定，按石灰中氧化镁的含量，将生石灰分为钙质生石灰和镁质生石灰两类，它们按技术指标又可分为优等品、一等品、合格品三个等级。,.,37,石灰在土木工程中的应用1、石灰乳和砂浆将消石灰粉或石灰膏加入多量的水搅拌稀释，成为石灰乳，主要用于内墙和顶棚刷白，我国农村也用于外墙。,.,38,2、石灰土和三合土消石灰粉或生石灰粉与粘土拌合，称为石灰土，若加入砂石或炉渣、碎砖等即成三合土。石灰土和三合土在夯实或压实后，可用作墙体、建筑物基础、路面和地面的垫层或简易地面。,.,39,用三合土夯筑的防水坝,.,40,3、生产硅酸盐制品以磨细生石灰（或消石灰）与硅质材料（如粉煤灰、粒化高炉矿渣、浮石、砂等）加水拌和，必要时加入少量石膏，经成型、蒸养或蒸压养护等工序而成的建筑材料，统称为硅酸盐制品。,.,41,钾水玻璃,三、水玻璃,钠水玻璃,固体水玻璃,水淬水玻璃,.,42,水玻璃的生产1、水玻璃的生产生产水玻璃的方法有湿法和干法两种。湿法湿法生产硅酸钠水玻璃时，将石英砂和苛性钠溶液在压蒸锅（0.20.3MPa）内用蒸汽加热，并加以搅拌，使直接反应而成液体水玻璃。,.,43,干法干法（碳酸盐法）是将石英砂和碳酸钢磨细拌匀，在熔炉内于13001400温度下熔化，按下式反应生成固体水玻璃，然后在水中加热溶解而成液体水玻璃：,.,44,2、水玻璃的技术参数模数氧化硅和氧化钠的分子比n成为水玻璃的模数，一般在1.53.5之间。固体水玻璃在水中溶解的难易随模数而定。n为1时能溶解于常温的水中，n加大，则只能在热水中溶解；当n大于3时，要在4个大气压以上的蒸汽中才能溶解。低模数的水玻璃晶体组分较多，粘结能力较差，模数提高时，胶体组分相对增多，粘结能力随之增大。,.,45,浓度水玻璃的浓度用玻美度（e)表示)。液体水玻璃可以与水按任意比例混合成不同浓度的溶液。同一模数的液体水玻璃，其浓度愈稠则比重愈大，粘结力愈强。在液体水玻璃中加入尿素，在不改变其粘度的情况下可提高粘结力25%左右。,.,46,水玻璃的硬化液体水玻璃在空气中吸收二氧化碳，形成无定形硅酸，并逐渐干燥而硬化：,.,47,为了加速硬化，可将水玻璃加热或加入硅氟酸钠，Na2SiF6作为促硬剂。水玻璃中加入硅氟酸钠后发生下面反应，促使硅酸凝胶加速析出：,硅氟酸钠(Na2SiF6)的适宜用量为水玻璃质量的1215%。,.,48,水玻璃的性质与应用1、性质水玻璃有良好的粘结能力和防止水渗透作用；水玻璃不燃烧；水玻璃具有高度的耐酸性能。,.,49,2、应用水玻璃在土木工程中可有多种用途：涂刷建筑材料表面可提高抗风化能力；配制快凝堵漏防水剂；配制水玻璃矿渣砂浆，修补裂缝；用于土壤加固处理；其它作用，如调制防火漆等。,.,50,水玻璃耐酸水泥,.,51,水玻璃耐酸胶泥制品,.,52,第二节硅酸盐水泥,烧制水泥熟料,.,53,干法烧制水泥熟料,.,54,水泥熟料运输线,.,55,水泥厂一角,.,56,水泥呈粉末状，与水混合后，经过物理化学反应过程能由可塑性浆体变成坚硬的石状体，并能将散粒状才胶结成为整体，所以水泥是一种良好的矿物胶凝材料。水泥浆体不但能在空气中硬化，还能更好地在水中硬化，保持并继续增长其强度，故水泥属于水硬性胶凝材料。,.,57,一、硅酸盐水泥的生产及矿物组成1、定义凡由硅酸盐水泥熟料、05%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。2、类型硅酸盐水泥分两种类型，不掺加混合材料的称型硅酸盐水泥，代号为P。在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称型硅酸盐水泥，代号为P。,.,58,3、硅酸盐水泥的生产原料组成硅酸盐水泥的原料主要是石灰质原料和粘土质原料两类。石灰质原料主要提供CaO，它可以采用石灰石、白垩、石灰质凝灰岩等。粘土质原料主要提供SiO2、Al2O3及少量Fe2O3，它可以采用粘土、黄土等。如果所选用的石灰质原料和粘土质原料按一定比例配合后仍不能满足化学组成要求时，则要掺加相应的校正原料。,.,59,生产过程硅酸盐水泥生产的大体步骤是：先把几种原料按适当比例配合后在磨料机中磨成生料；然后将制得的生料入窑进行煅烧；再把煅烧好的熟料配以适当的石膏在磨料机中磨成细粉，即得水泥。水泥生料在窑内的煅烧过程，虽方法各异，但都要经历干燥、预热、分解、熟料烧成及冷却等几个阶段。其中，熟料烧成是水泥生产的关键，必须有足够的时间，以保证水泥熟料的质量。,.,60,4、水泥熟料矿物组成硅酸盐水泥的主要熟料矿物的名称和含量范围如下：硅酸三钙3CaOSiO2，简写为C3S，决定了水泥标号；硅酸二钙2CaOSiO2，简写为C2S，决定了水泥的后期强度；铝酸三钙3CaOAl2O3，简写为C3A，决定了水泥的凝结硬化速度；铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O3，简写为C4AF，决定水泥的抗拉强度。,.,61,二、硅酸盐水泥的水化及凝结硬化硅酸盐水泥的水化硅酸盐水泥的性能是由组成矿物的性能决定的，水泥具有许多优良的技术性能，这主要是水泥熟料中几种主要矿物的水化作用的结果。1、水化反应方程式熟料矿物与水发生的水解或水化作用统称为水泥的水化。熟料矿物的水化后生成一系列的水化产物，并放出一定的热量。,.,62,2、水化特性及其作用四种熟料矿物的水化特性各不相同，对水泥的凝结硬化速度、强度及水化放热等的影响也不相同。水泥是几种熟料矿物的混合物，改变熟料矿物成分间的比例时，水泥的性质即发生相应的变化。,.,63,3、水泥水化的主要产物在充分水化(约28天)的水泥石中，C-S-H凝胶约占70%，Ca(OH)2约占20%，钙钒石和单硫型水化硫铝酸钙约占7%。,.,64,硅酸盐水泥的凝结硬化1、水泥的凝结和硬化水泥加水拌和后，成为可塑性的水泥浆，随着水化的进行，水泥浆将逐渐变稠失去塑性，但尚不具有强度的过程，称为水泥的“凝结”。随后产生明显的强度并逐渐发展而成为坚强的人造石水泥石，这一过程称为水泥的“硬化”。凝结和硬化是人为划分的，实际上这两者是一个连续复杂的物理化学变化过程。,.,65,2、水泥凝结硬化的过程,图3-3水泥凝结硬化过程示意（a）分散在水中未水化的水泥颗粒；（b）在水泥颗粒表面形成水化层；（c）膜层长大并互相连接（凝结）；（d）水化物进一步发展，填充毛细孔（硬化）1-水泥颗粒；2-水分；3-凝胶；4-晶体；5-水泥颗粒的未水化内核；6-毛细孔,.,66,硅酸盐水泥颗粒的水化示意图,.,67,硅酸盐水泥的水化膜破裂示意图,.,68,3、水泥凝结硬化的几个阶段,水泥凝结硬化时的几个划分阶段表3-6,.,69,硅酸盐水泥的水化放热过程示意图,.,70,影响水泥凝结硬化的因素影响水泥凝结硬化的因素，除矿物成分、细度、用水量外，还有养护时间、环境的温湿度以及石膏掺量等。1、养护时间；2、温度和湿度；3、石膏掺量。,.,71,三、硅酸盐水泥的技术性质细度1、水泥颗粒的细度对水泥性质的影响水泥颗粒粒径一般在720m范围内。2、测试方法水泥细度可用筛析法和比表面积法进行检验。,.,72,凝结时间1、初凝初凝为水泥加水拌合起至标准稠度净浆开始失去可塑性所需的时间。2、终凝终凝为水泥加水拌和起至标准稠度净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。,.,73,3、影响水泥凝结时间的因素水泥凝结时间的影响因素很多：熟料中铝酸三钙含量高，石膏掺量不足时水泥凝结速度快；水泥的细度愈大，水化作用愈快，凝结愈快；水灰比愈小，凝结时的温度愈高，凝结愈快；混合材料掺量大，水泥过粗等将延缓水泥的凝结速度。,.,74,体积安定性在水泥的煅烧过程中，多少都会存在一些游离氧化钙、氧化镁，而在这两种氧化物熟化时都产生比较大的体积膨胀。,国家标准规定，用煮沸法检验水泥的体积安定性。国家标准规定水泥熟料中游离氧化镁不得超过5.0%，水泥中三氧化硫含量不超过3.5%，以控制水泥的体积安定性。,.,75,强度及强度等级国家标准规定，水泥和标准砂按1：3的比例混合，用0.5的水灰比，按规定的方法制成试件，在标准温度（201）的水中养护，测定3d和28d的抗压强度。根据测定的结果，将硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5和62.5R等六个强度等级，其中代号R表示早强型水泥。,.,76,碱量水泥中的碱量按Na2O+0.658K2O计算值来表示。若使用活性骨料，碱含量过高将引起碱骨料反映；如要求低碱水泥时，水泥中碱含量则不得大于0.60%。,.,77,水化热水泥在水化过程中放出的热量称为水泥的水化热。水泥熟料矿物进行水化时，铝酸三钙放热量最大，速度也最快，硅酸三钙放热量稍低，硅酸二钙放热量最低，速度也最慢。水泥细度越细，水化反应比较容易进行，因此，水化放热量越大，放热速度也越快。,.,78,四、水泥石的腐蚀与防止腐蚀类型1、软水腐蚀2、盐类腐蚀硫酸盐腐蚀；镁盐腐蚀；3、酸类腐蚀碳酸腐蚀；一般酸腐蚀4、强碱腐蚀,.,79,腐蚀产生的原因1、水泥石中存在有引起腐蚀的组成成分氢氧化钙和水化铝酸钙；2、水泥石本身不密实，有很多毛细孔通道，侵蚀性介质易于进入其内部；3、腐蚀与通道的相互作用。,.,80,腐蚀的防止1、根据工程的环境特点，合理选用水泥品种。2、提高水泥石的密实度，如合理设计混凝土配合比，降低水灰比，仔细选择骨料，掺入外加剂，以及改善施工方法等。3、在混凝土及砂浆表面加上耐腐蚀性高且不透水的保护层。,.,81,五、硅酸盐水泥的应用与存放1、应用重要结构的高强度或预应力混凝土工程；硅酸盐水泥凝结硬化较快，耐冻性好，适用于要求凝结快，早期强度高，冬季施工及严寒地区遭受反复冻融的工程；水泥石耐软水和化学侵蚀性差，因此不适用于经常与流动的淡水接触及有水压作用的工程，也不适用于受海水、矿物水等作用的工程；硅酸盐水泥在水化过程中，水化热的热量大，不宜用于大体积混凝土工程。,.,82,2、存放运输和贮存水泥要按不同品种、强度等级及出厂日期存放，并加以标志。散装水泥应分库存放；袋装水泥一般堆放高度不应超过10袋，平均每平方米堆放约1t，并考虑先存先用。,.,83,第三节掺混合材料的硅酸盐水泥一、水泥混合材料水泥混合材料的类别1、活性混合材料混合材料磨成细粉，与石灰或与石灰和石膏拌和在一起，并加水后，在常温下，能生成具有胶凝性的水化产物，既能在水中，又能在空气中硬化的，称为活性混合材料。活性混合材料有粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料和粉煤灰。,.,84,2、非活性混合材料磨细的石英砂、石灰石、慢冷矿渣及各种废渣等属于非活性混合材料。它们与水泥成分不起化学作用或化学作用很小，非活性混合材料掺入硅酸盐水泥中仅起提高水泥产量和降低水泥强度等级、减少水化热等作用。,.,85,活性混合材料的作用粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料和粉煤灰等活性混合材料本身不会硬化或硬化极为缓慢，强度很低。但氢氧化钙和石膏的存在能使活性材料的潜在活性得以发挥，即氢氧化钙和石膏起激发水化，促进凝结硬化的作用。,.,86,二、普通硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料、615%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，代号PO。水泥中混合材料掺加量按质量百分比计：掺活性混合材料时，不得超过15%，其中允许用不超过5%的窑灰或不超过10%的非活性混合材料来代替；掺非活性混合材料时，不得超过10%。,.,87,三、矿渣硅酸盐水泥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，代号PS。水泥中粒化高炉矿渣掺加量按质量百分比计为2070%。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质量的8%，替代后水泥中粒化高炉矿渣不得少于20%。矿渣水泥的凝结硬化和性能，相对于硅酸盐水泥来说有如下主要特点：,.,88,1、矿渣硅酸盐水泥熟料矿物较少而活性混合材料较多，其水化反应是分两步进行的。2、矿渣水泥熟料矿物含量比硅酸盐水泥中的少，因此凝结硬化慢，早期强度低。但在硬化后期，由于水化硅酸钙凝胶数量增多，使水泥石强度不断增长，最后甚至超过同强度等级普通硅酸盐水泥。,.,89,3、矿渣水泥对温度、湿度条件比较敏感，因此需要长时间的养护。4、矿渣水泥抵抗软水、海水和硫酸盐腐蚀能力强，宜用于水工和海港工程。5、矿渣水泥的耐热性好，可用于耐热混凝土工程。6、矿渣水泥用水量大，泌水性大，干缩性大，抗冻性、抗渗性和抵抗干湿交替循环的性能不及普通水泥。,.,90,四、火山灰质硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料、适量的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，代号PP。火山灰质硅酸盐水泥的细度、凝结时间、沸煮安定性、强度要求与矿渣硅酸盐水泥相同；凝结硬化特性、水化放热、强度发展、碳化等性能都与矿渣硅酸盐水泥基本相同；在潮湿环境下，火山灰质混合材料会吸收石灰而产生膨胀胶化作用，使水泥石结构致密，因而有较高的密实度和抗渗性，适宜用于抗渗要求较高的工程。,.,91,五、粉煤灰硅酸盐水泥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统称为粉煤灰硅酸盐水泥，代号PF。粉煤灰硅酸盐水泥的主要技术性能与矿渣水泥和火山灰水泥相似，但其吸附水的能力小，因而干燥收缩小，抗裂性好。,.,92,六、复合硅酸盐水泥凡有硅酸盐水泥、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为复合硅酸盐水泥。水泥中混合材料总掺加量按质量百分比应大于15%，不超过50%。复合硅酸盐水泥分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个强度等级。对细度、凝结时间及体积安定性的要求与普通硅酸盐水泥相同。,.,93,一、白色和彩色硅酸盐水泥凡以适当成分的生料烧至部分熔融，得到以硅酸钙为主要部分、氧化铁含量很小的白色硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，共同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。,第四节其他水泥,.,94,二、快硬水泥快硬硅酸盐水泥1、定义凡以硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细制成的，以3d抗压强度表示标号的水硬性胶凝材料，称为快硬硅酸盐水泥。,.,95,2、性能指标快硬硅酸盐水泥的性质按国家标准GB199-90规定