《道路建筑材料》讲稿PPT石灰和水泥.ppt

石灰和水泥,道路建筑材料讲稿,几个概念:1、胶凝材料：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）胶结成为具有一定强度的整体结构的材料，统称为胶凝材料。2、分类：胶凝材料按其化学成分不同分为有机胶凝材料(如各种沥青和树脂)和无机胶凝材料两大类。无机胶凝材料根据其硬化条件不同又分为水硬性胶凝材料和气硬性胶凝材料。气硬性胶凝材料只能在空气中硬化、保持或继续提高强度(如石灰、石膏、菱苦土和水玻璃等)。水硬性胶凝材料则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。,复习导课,复习导课,上节课阐述了石灰的消化、硬化过程和质量检验测定指标及测定方法。本节课开始学习常用水泥的基本技术性质、检验测定方法和质量要求，并学会如何根据工程要求合理地选用水泥；同时，一般了解其他品种水泥的特点。,第二节常用水泥,1、水泥的品种：按化学成分可分为硅酸盐、铝酸盐、硫铝酸盐等多种系列水泥，本章主要介绍应用最广的硅酸盐系列水泥。2、硅酸盐系列水泥按其性能和用途，分为常用水泥和特种水泥，常用水泥包括硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、复合水泥等。特种水泥是指具有独特的性能，用于各类有特殊要求的工程中的水泥。3、我国常用水泥的主要品种有硅酸盐水泥(分I型、型，代号为PI、P)，普通硅酸盐水泥(简称普通水泥，代号PO)，矿渣硅酸盐水泥(简称矿渣水泥，代号PS)，火山灰质硅酸盐水泥(简称火山灰水泥，代号PP)，粉煤灰硅酸盐水泥(简称粉煤灰水泥，代号PF)和复合硅酸盐水泥(简称复合水泥，代号PC)等。,一、常用水泥的生产,常用水泥的生产有两大步骤：由生料烧制成硅酸盐水泥熟料和磨制硅酸盐系列水泥成品。,常用水泥的生产过程可概括为“两磨一烧”，如下图所示：,硅酸盐水泥主要生产流程,1.水泥熟料的烧成烧制硅酸盐水泥熟料的原材料主要是：提供CaO的石灰质原料，如石灰石、白垩等；提供SiO2、Al2O3，和少量Fe2O3的粘土质原料，如粘土、页岩等；此外，有时还配入铁矿粉等辅助原料。将上述几种原材料按适当比例混合后在磨机中磨细，制成生料，再将生料入窑进行煅烧，便烧制成黑色球状的水泥熟料。硅酸盐水泥熟料主要由四种矿物组成，其名称、含量范围如下：硅酸三钙(3CaO.SiO2,简写为C3S),含量3660；硅酸二钙(2CaO.SiO2,简写为C2S),含量1537；铝酸三钙(3CaO.Al2O3,简写为C3A),含量715；铁铝酸四钙(4CaO.l2O3Fe2O3,简写为C4AF),含量1018；前两种矿物称硅酸盐矿物，一般占总量的7582。,2.磨制水泥成品磨制水泥成品时的原材料包括水泥熟料、石膏和混合材料。用于水泥中的石膏一般是二水石膏或无水石膏。其主要作用是调节水泥的凝结时间.用于水泥中的混合材料分为活性混合材料和非活性混合材料两大类。活性混合材料是指那些与石灰、石膏一起，加水拌和后在常温下能形成水硬性胶凝材料的混合材料。活性混合材料中的主要活性成分是活性氧化硅和活性氧化铝。水泥生产中常用的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等。非活性混合材料是指不具活性或活性甚低的人工或天然的矿物质，如石英砂、石灰石、粘土及不符合质量标准的活性混合材料等。它们掺入水泥中仅起调节水泥性质，降低水化热，降低强度等级和增加产量的作用。,二、常用水泥的特性（一）硅酸盐水泥,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。1.硅酸盐水泥熟料的矿物成分(1)硅酸三钙(2)硅酸二钙(3)铝酸三钙(4)铁铝酸四钙,2.硅酸盐水泥主要特性硅酸盐水泥中即使有混合材料，掺量也很少，因此硅酸盐水泥的特性基本上由水泥熟料确定。(1)水化、凝结硬化快，强度高，尤其早期强度高(2)水化热大(3)耐侵蚀性差(4)抗冻性好，干缩小(5)耐热性差,普通水泥中混合材料的掺加量较少，其矿物组成的比例仍与硅酸盐水泥相似，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。由于普通水泥中掺入少量混合材料的主要作用是调节水泥的强度等级，因此它的强度等级比硅酸盐水泥多了32.5和32.5R两个等级，同时少了62.5和62.5R两个等级。与硅酸盐水泥相比，普通水泥的早期凝结硬化速度略微慢些，3d强度稍低，其它如抗冻性及耐磨性等也稍差些,（二）普通水泥,矿渣水泥中熟料的含量比硅酸盐水泥少，掺入的粒化高炉矿渣量比较多，因此，与硅酸盐水泥相比有以下几方面特点（1）矿渣水泥加水后的水化分两步进行：首先是水泥熟料颗粒水化，接着矿渣受熟料水化时析出的Ca(OH)2及外掺石膏的激发，其玻璃体中的活性氧化硅和活性氧化铝进入溶液，与Ca(OH)2反应生成新的水化硅酸钙和水化铝酸钙，因为石膏存在，还生成水化硫铝酸钙。,（三）矿渣水泥,矿渣水泥与硅酸盐水泥强度增长情况比较1一硅酸盐水泥；2一矿渣水泥；3一粒化矿渣,(2)矿渣水泥中熟料的减少，使水化时发热量高的C3S和C3A含量相对减少，故水化热较低，可在大体积混凝土工程中优先选用。(3)矿渣水泥水化产物中氢氧化钙含量少，碱度低，抗碳化能力较差，但抗溶出性侵蚀及抗硫酸盐侵蚀的能力较强。(4)矿渣颗粒亲水性较小，故矿渣水泥保水性较差，泌水性较大，容易在水泥石内部形成毛细通道，增加水分蒸发。因此，矿渣水泥干缩性较大，抗渗性、抗冻性和抗干湿交替作用的性能均较差，不宜用于有抗渗要求的混凝土工程中。(5)矿渣水泥的水化产物中氢氧化钙含量低，而且矿渣本身是水泥的耐火掺料，因此其耐热性较好，可用于耐热混凝土工程中。(6)矿渣水泥水化硬化过程中，对环境的温度、湿度条件较为敏感。低温下凝结硬化缓慢，但在湿热条件下强度发展很快，故适于采用蒸汽养护。,火山灰水泥和矿渣水泥在性能方面有许多共同点，如水化反应分两步进行，早期强度低，后期强度增长率较大，水化热低，耐蚀性强，抗冻性差，易碳化等。由于火山灰水泥在硬化过程中的干缩较矿渣水泥更为显著，在干热环境中易产生干缩裂缝。因此，使用时须加强养护，使其在较长时间内保持潮湿状态。在表面则由于水化硅酸钙抗碳化能力差，使水泥石表面产生“起粉”现象，因此火山灰水泥不宜用于干燥环境中的地上工程。火山灰水泥颗粒较细，泌水性小，故具有较高抗渗性，宜用于有抗渗要求的混凝土工程中。,（四）火山灰水泥,（五）粉煤灰水泥,粉煤灰本身就是一种火山灰质混合材料，因此，粉煤灰水泥实质上就是一种火山灰水泥，其水化硬化过程及其它诸方面性能与火山灰水泥极为相似。粉煤灰水泥的主要特点是干缩性较小,甚至比硅酸盐水泥和普通水泥还小,因而抗裂性较好。另外，粉煤灰颗粒较致密，故吸水少，且呈球形、所以粉媒灰水泥的需水量小，配制成的混凝土和易性较好。,（六）复合水泥,复合水泥中含有两种或两种以上规定的混合材料，因此复合水泥的特性与其所掺混合材料的种类、掺量及相对比例有密切关系。总体上其特性与矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥有不同程度的相似之处。,三、影响常用水泥性能的因素,1.水泥组成成分的影响2.水泥细度的影响3.养护条件(温度、湿度)的影响4.龄期的影响5.拌和用水量的影响6.贮存条件的影响,四、常用水泥的选用,根据上述六大常用水泥的特性(参见表2-7)，针对各类建筑工程的工程性质、结构部位、施工要求和使用环境条件等，可按照表28进行水泥的选用。,五、常用水泥的技术要求1.细度,1.细度细度是指水泥颗粒的粗细程度，它对水泥的凝结时间、强度、需水量和安定性有较大影响，所以是鉴定水泥品质的主要项目之一。按我国现行公路工程水泥及水泥混凝土试验规程JTGE302005规定，六大常用水泥的细度用80m筛筛析法和勃氏法（透气式比表面积仪）测定。要求硅酸盐水泥的比表面积大于300mkg；其它五类水泥在80m方孔筛上的筛余不得超过10。,标准稠度用水量是指水泥拌制成特定的塑性状态（标准稠度）时所需的用水量（以占水泥重量的百分数表示），也称需水量。由于用水量多少对水泥的一些技术性质（如凝结时间）有很大影响，所以测定这些性质必须采用标准稠度用水量，这样测定的结果才有可比性。我国现行公路工程水泥及水泥混凝土试验规程JTGE302005规定，水泥净浆稠度是采用标准法维卡仪测定，以试杆沉入净浆并距底板61mm的水泥净浆为标准稠度净浆。其拌和水量为该水泥的标准稠度用水量。,2、标准稠度用水量,水泥的凝结时间在施工中具有重要意义。为了保证有足够的时间在初凝之前完成混凝土成型等各工序的操作，初凝时间不宜过短；为了使混凝土浇捣完成后尽早凝结硬化，以利下道工序及早进行，终凝时间不宜过长。凝结时间测定，我国现行公路工程水泥及水泥混凝土试验规程JTGE302005规定，采用凝结时间测定仪测定。从加水时起至试针沉入净浆中，距底板41mm时所经历的时间为初凝时间；从加水时起至试针沉入试件0.5mm时，即环形附件开始不能在试件上留下痕迹时，所经历的时间为终凝时间。,3.凝结时间,国家标准规定：六大常用水泥的初凝时间均不得早于45min；硅酸盐水泥的终凝时间不得迟于6.5h；其它五类水泥的终凝时间不得迟于10h。由于拌和水泥浆时的用水量多少，对凝结时间有影响，因此，测试水泥凝结时间时必须采用标准稠度用水量。,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。如果水泥硬化后产生不均匀的体积变化，会使水泥混凝土构筑物产生膨胀性裂缝，降低建筑工程质量，甚至引起严重事故，此即体积安定性不良。引起水泥体积安定性不良的原因，是由于水泥熟料矿物组成中含有过多游离氧化钙(fCaO)、游离氧化镁(fMgO)，或者水泥粉磨时石膏掺量过多。fCaO和fMgO是在高温下生成的，处于过烧状态，水化很慢，它们在水泥凝结硬化后还在慢慢水化并产生体积膨胀，从而导致硬化水泥石开裂，而过量的石膏会与已固化的水化铝酸钙作用，生成水化硫铝酸钙，产生体积膨胀，造成硬化水泥石开裂。我国现行公路工程水泥及水泥混凝土试验规程JTGE30-2005规定：由游离氧化钙引起的水泥体积安定性不良可采用沸煮法检验。所谓沸煮法包括试饼法和雷氏法两种。标准还规定，当试饼法和雷氏法两者结论有矛盾时，以雷氏法为准。,4.体积安定性,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。我国现行公路工程水泥及水泥混凝土试验规程JTGE302005规定，采用软练胶砂法测定水泥强度。该法是将水泥和标准砂按l：3混合，用水灰比为0.5，按规定方法制成40mm40mml60mm的试件，带模在湿气中养护24h后，再脱模放在标准温度(20土1)的水中养护，分别测定3d和28d抗压强度和抗折强度。根据测定结果，可确定该水泥的强度等级。国家标准规定：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。其中有代号R者为早强型水泥。,5.强度及强度等级,5.水泥胶砂强度检验,（一）主要仪器设备行星式胶砂搅拌机（是搅拌叶片和搅拌锅相反方向转动的搅拌设备，见图试1.8）。胶砂试件成型振实台；试模（可装拆的三联试模，试模内腔尺寸为40mm40mm160mm，见图试1.9）；水泥电动抗折试验机；抗压试验机；抗压夹具，见图试1.10；套模、两个播料器、刮平直尺、标准养护箱等。,图试1.8胶砂搅拌机示意图,3.水泥胶砂试件的强度测定水泥胶砂试件在破坏试验前15min从水中取出。揩去试件表面的沉积物，并用湿布覆盖至试验为止。先用抗折试验机以中心加荷法测定抗折强度；然后将折断的试件进行抗压试验测定抗压强度。（1）抗折强度试验将试件安放在抗折夹具内，试件的侧面与试验机的支撑圆柱接触，试件长轴垂直于支撑圆柱，见图试1.10。启动试验机，以（5010）N/s的速度均匀地加荷直至试体断裂。记录最大抗折破坏荷载（N）。,图试1.10抗折抗压强度测定示意图,（2）抗压强度试验抗折强度试验后的六个断块试件保持潮湿状态，并立即进行抗压试验。将断块试件放入抗压夹具（见图试1.10）内，并以试件的侧面作为受压面。启动试验机，以（2.40.2）kN/s的速度进行加荷，直至试件破坏。记录最大抗压破坏荷载（N）。（三）结果评定1.抗折强度（1）每个试件的抗折强度fce,m按下式计算（精确至0.1MPa）：fce,m=1.5FL/b3式中:F折断时施加于棱柱体中部的荷载，N；L支撑圆柱体之间的距离，mm。L100mm；b棱柱体截面正方形的边长，mm。b40mm。（2）以一组三个试件抗折结果的平均值作为试验结果。当三个强度值中有超出平均值10时，应剔除后再取平均值作为抗折强度试验结果。试验结果，精确至0.1MPa。,2.抗压强度（1）每个试件的抗压强度fce,c按下式计算（MPa，精确至0.1MPa）：fce,c=F/A式中:F试件破坏时的最大抗压荷载，N；A受压部分面积，mm2（40mm40mm1600mm2）。（2）以一组三个棱柱体上得到的六个抗压强度测定值的算术平均值作为试验结果。如六个测定值中有一个超出六个平均值的10，就应剔除这个结果，而以剩下五个的平均值作为结果。如果五个测定值中再有超过它们平均值10的，则此组结果作废。试验结果精确至0.1MPa。,碱含量是指水泥中Na2O和K2O的含量。若水泥中碱含量过高，遇到有活性的骨料，易产生碱骨料反应，造成工程危害。国家标准规定：水泥中碱含量按(Na2O十0.685K2O)计算值来表示。若使用活性骨料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中碱含量不得大于0.60或由供需双方商定。对于以上五项(细度、标准稠度用水量、凝结时间、体积安定性、强度)水泥的主要技术质量要求，国家标准还规定，凡游离氧化镁、三氧化硫、安定性(指游离CaO)、初凝时间中任一项不符合标准规定时，均为废品,废品是禁止在工程中使用的。,6.碱含量,第三节其他品种水泥（一）定义,一、道路硅酸盐水泥随着我国高等级道路的发展，水泥混凝土路面已成为主要路面类型之一。对专供公路、城市道路和机场道面用的道路水泥，现根据我国现代标准道路硅酸盐水泥（GB1369392）就有关技术要求和技术标准分述如下：(一)定义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水泥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）。,1.化学组成在道路水泥或熟料中对下列有害成分必须加以限制。（1）氧化镁含量：道路水泥中氧化镁含量不得超过5.0%。（2）三氧化硫含量：道路水泥中三氧化硫不得超过3.5%。（3）烧失量：道路水泥中的烧失量不得大于3.0%。（4）游离氧化钙含量：道路水泥熟料中游离氧化钙含量，旋窑生产不得大于1.0；立窑生产不得大于1.8。（5）碱含量：按水泥混凝土路面施工技术规范（JTGF302003）规定，碱含量不得大于0.6。2.矿物组成(1)铝酸三钙道路水泥熟料中铝酸三钙的含量不得大于5.0。(2)铁铝酸四钙道路水泥熟料中铁铝酸四钙的含量不得小于16.0。,(二)技术要求,3.物理力学性质(1)细度按我国现行公路工程水泥及水泥混凝土试验规程JTGE302005试验方法，80um的筛余量不得大于10。(2)凝结时间按我国现行公路工程水泥及水泥混凝土试验规程JTGE302005试验方法，初凝不得早于1h,终凝不得迟于10h。(3)安定性按我国现行公路工程水泥及水泥混凝土试验规程JTGE302005试验方法，安定性用沸煮法检验，必须合格。(4)干缩性道路水泥的28d干缩率不得大于0.10%。(5)耐磨性道路水泥的磨损率不得大于3.6kg/m2.(6)强度道路水泥各强度等级值不低于规定的数值。,(三)工程应用,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、抗冲击等特征，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，因而可获得显著的社会效益和经济效益。,二、高铝水泥,高铝水泥又称矾土水泥，是以铝矾土和石灰石为原料,经高温煅烧得到以铝酸钙为主要成分的熟料，经磨细而成的水硬性胶凝材料，属于铝酸盐系列的水泥。高铝水泥的主要矿物成分为铝酸一钙(CaOAl2O3，简写为CA)和二铝酸一钙(CaO2Al2O3，简写为CA2)，此外尚有少量硅酸二钙和其它铝酸盐。高铝水泥的主要特性如下：(1)快凝早强，1d强度可达最高强度的80以上，后期强度增长不显著。(2)水化热大，且放热量集中，1d内即可放出水化热总量的7080。(3)抗硫酸盐性能很强，但抗碱性极差。(4)耐热性好，高铝水泥混凝土在1300还能保持约53的强度。(5)长期强度略有降低的趋势。,高铝水泥主要用于紧急军事工程(如筑路、桥)、抢修工程(如堵漏)等；也可用于配制耐热混凝土，如高温窑炉炉衬等和用于寒冷地区冬季施工的混凝土工程。高铝水泥不宜用于大体积混凝土工程，也不能用于长期承重结构及高温高湿环境中的工程。还应注意，高铝水泥制品不能用蒸汽养护。此外，还应注意到，不经过试验，高铝水泥不得与硅酸盐水泥或石灰相混，以免引起闪凝和强度下降。,工程应用,三、膨胀水泥,通常，硅酸盐水泥在空气中硬化时会产生不同程度的收缩，从而导致水泥混凝土构件内部产生微裂缝，有损混凝土的整体性，同时使混凝土的一系列性能变坏。然而，膨胀水泥在硬化过程中不仅不收缩反而有一定数量的膨胀，可以克服或改善普通水泥混凝土的上述缺点。根据膨胀水泥的基本组成，可分为以下四个品种：(1)硅酸盐膨胀水泥以硅酸盐水泥为主，外加高铝水泥和石膏配制而成。(2)铝酸盐膨胀水泥以高铝水泥为主，外加石膏配制而成。(3)硫铝酸盐膨胀水泥以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要成分，外加石膏配制而成。(4)铁铝酸钙膨胀水泥以铁相、无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要成分，外加石膏配制而成,膨胀水泥适用于配制收缩补偿混凝土，用于构件的接缝及管道接头，混凝土结构的加固和修补，防渗堵漏工程，机器底座及地脚螺丝的固定等。在道路工程中，膨胀水泥常用于水泥混凝土路面、机场道面或桥梁修补工程。此外，还可在越江隧道火山区隧道工程中用于配制防水混凝土、自应力混凝土，用以堵漏和修补工程等。,工程应用,四、抗硫酸盐硅酸盐水泥,以适当成分的生料，烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主的特定矿物组成的熟料，加入适量施工磨细制成的具有一定抗硫酸侵蚀性能的水硬性胶凝材料称为抗酸盐硅酸盐水泥（简称抗硫酸盐水泥）。抗硫酸盐水泥要求熟料中硅酸三钙小于50%，铝酸三钙小于5%，铝酸三钙和铁铝酸四钙的总含量小于22%。抗硫酸盐水泥除具有抗硫酸盐侵蚀的特点外，而且水化热低，适用于一般受硫酸盐侵蚀的海港、水利、地下、隧道、引水、道路和桥涵基础等工程。,五、中热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐酸水泥（大坝水泥）,适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，磨细制成的具有中等水化热的水硬性胶凝材料称为中热硅酸盐水泥，简称中热水泥。以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入矿渣和适量石膏磨细制成的具有低水化热的水硬性胶凝材料，称为低热矿渣硅酸盐水泥，简称低热矿渣水泥。水泥中矿渣的掺入量按质量百分比计为20%-60%，容许用不超过混合材料总量50%的磷渣或粉煤灰代替部分矿渣。中热水泥与低热矿渣水泥通过限制水泥熟热中水化热大的铝酸三钙与硅酸三钙的含量，从而降低水化热。中热水泥和低热矿渣水泥主要适用于要求水化热较低的大坝和大体积混凝土工程,六、白色和彩色硅酸盐水泥,1.白色硅酸盐水泥白色水泥的主要矿物组成仍是硅酸盐，只是水泥中着色物质(氧化铁、氧化锰、氧化钛、氧化铬等)的含量极少。白色水泥的性能与硅酸盐水泥基本相同。根据国家标准GB2015-91规定：白色水泥的细度要求为0.080mm方孔筛筛余量不得超过10；其初凝时间不得早于45min,终凝时间不得迟于12h；强度符合表2-11要求。白色水泥对红、绿、蓝三原色的反射率与氧化镁标准白板的反射率之比值称为白度。,2.彩色硅酸盐水泥生产彩色硅酸盐水泥有三种方法：一是在水泥生料中混入着色物质，烧成