华北理工矿物材料基础课件第6章 无机胶凝材料

胶凝材料：在一定条件下，经过自身的一系列物理化学作用，将砂、石、砖、石块、砌块或块状材料粘结成为具有一定强度的整体的材料。Chap.6无机胶凝材料Chap.6无机胶凝材料§1硅酸盐水泥§2掺混合材料的硅酸盐水泥§3高铝水泥§4其他品种水泥※教学目的与要求：

水泥的概念和分类；通用水泥的定义、主要技术性质、特性及应用、验收和保管等；专用水泥和特性水泥的特性及应用。※重点、难点：通用水泥的主要技术性质、特性。水泥的特点和适用范围水泥的特点水泥是一种粉末状材料，加水后拌合均匀形成的浆体，不仅能够在干燥环境中凝结硬化，而且能更好地在水中硬化，保持或发展其强度，形成具有堆聚结构的人造石材。水泥适用范围不仅适合用于干燥环境中的工程部位，而且也适合用于潮湿环境及水中的工程部位。水泥的分类按性能和用途分粉煤灰硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥水泥通用水泥专用水泥特性水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥复合硅酸盐水泥石灰石硅酸盐水泥如砌筑水泥、油井水泥、道路水泥、大坝水泥等如白色硅酸盐水泥、快凝快硬硅酸盐水泥等水泥的分类按主要水硬性物质分水泥种类主要水硬性物质主

要

品

种硅酸盐水泥硅酸钙绝大多数通用水泥、专用水泥和特性水泥铝酸盐水泥铝酸钙高铝水泥、自应力铝酸盐水泥、快硬高强铝酸盐水泥等。硫铝酸盐水泥无水硫铝酸钙硅酸二钙有自应力硫铝酸盐水泥、低碱度硫铝酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥等铁铝酸盐水泥铁相、无水硫铝酸钙、硅酸二钙有自应力铁铝酸盐水泥、膨胀铁铝酸盐水泥、快硬铁铝酸盐水泥等氟铝酸盐水泥氟铝酸钙、硅酸二钙氟铝酸盐水泥等以火山灰或潜在水硬性材料以及其他活性材料为主要组分的水泥活性二氧化硅活性氧化铝石灰火山灰水泥、石膏矿渣水泥、低热钢渣矿渣水泥等第一节

硅酸盐水泥水泥是最重要的建筑材料之一，它和钢材、木材是基本建设的三大材料，水泥的品种很多，一般可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫酸盐类、磷酸盐类、硫铝酸盐类、铁铝酸盐类、氟铝酸盐类。在建筑工程中应用最多的是硅酸盐类水泥。硅酸盐水泥：以硅酸钙为主要成分的各种水泥的总称。国外通称为波特兰水泥。第一节

硅酸盐水泥硅酸盐水泥的生产工艺——“两磨一烧”工艺生产水泥的方法主要有干法立窑生产和湿法回转窑生产两种；硅酸盐水泥分为：Ⅰ型硅酸盐水泥（不掺混合材料）和Ⅱ型硅酸盐水泥（掺不超过5%混合材料）。一、硅酸盐水泥的原材料和生产工艺按比例混合磨细石灰石粘土铁矿粉生料石膏硅酸盐水泥混合材料熟料1350℃～1450℃煅烧磨细一、硅酸盐水泥的原材料和生产工艺硅酸盐水泥的原材料生产硅酸盐水泥熟料的原材料石灰质原料天然石灰石。也可采用与天然石灰石化学成分相似的材料如白垩等。粘土质原料主要为粘土，其主要化学成分为SiO2，其次为Al2O3和少量Fe2O3。铁矿粉采用赤铁矿，化学成分为Fe2O3。

石膏主要为天然石膏矿、无水硫酸钙等。混合材料包括活性混合材料（粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材料等）和非活性混合材料（石灰石粉、磨细石英砂等）。新型干法水泥生产工艺流程煅烧炉分预热带、分解带、反应带和烧成带

一、硅酸盐水泥的原材料和生产工艺新型干法水泥生产日产5000T熟料水泥生产线8-2、窑内喷火图回转窑煅烧炉分预热带、分解带、反应带和烧成带

1、分解带CaCO3

CaO+CO2MgCO3MgO+CO2Al2O3·2SiO2·2H2OAl2O3·2SiO2+2H2OAl2O3·2SiO2

Al2O3+2SiO2四种氧化物：氧化钙（60~67%）氧化硅（19~24%）

氧化铝（4~7%）氧化铁（2~5%）一、硅酸盐水泥的原材料和生产工艺煅烧炉分预热带、分解带、反应带和烧成带

2、反应带2CaO+SiO22CaO·

SiO23CaO+Al2O3

3CaO·Al2O3

4CaO+Al2O3

+Fe2O3

4CaO·Al2O3·

Fe2O3一、硅酸盐水泥的原材料和生产工艺煅烧炉分预热带、分解带、反应带和烧成带

3、烧成带2CaO·

SiO2+CaO

3CaO·

SiO2

一、硅酸盐水泥的原材料和生产工艺二、熟料的矿物组成及其特性熟料的矿物组成水泥熟料矿物硅酸二钙铁铝酸四钙游离氧化钙和氧化镁铝酸三钙硅酸三钙碱类及杂质2CaO•SiO2，C2S4CaO•Al2O3•Fe2O3，C4AFf－CaO和f－MgO3CaO•Al2O3，C3A3CaO•SiO2，C3S化学式及简写二、熟料的矿物组成及其特性水泥熟料矿物的主要特性熟料矿物磨细加水，均能单独与水发生化学反应，其特点见上表。矿物名称硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙含量范围（质量％）37～6015～377～1510～18水化反应速度快慢最快快（第二）强度早期高早期低，后期高不高（第二）低（含量多时对抗折强度有利）水化热较高低最高中三、硅酸盐水泥的凝结和硬化凝结硬化的概念凝结：水泥加水拌合而成的浆体，经过一系列物理化学变化，浆体逐渐变稠失去可塑性而成为水泥石的过程；硬化：水泥石强度逐渐发展的过程称为硬化。水泥的凝结过程和硬化过程是连续进行的。凝结过程较短暂，一般几个小时即可完成；硬化过程是一个长期的过程，在一定温度和湿度下可持续几十年。三、硅酸盐水泥的凝结和硬化熟料矿物的水化反应硅酸三钙2（3CaO·SiO2）＋6H2O==3CaO·2SiO2·3H2O＋3Ca（OH）2硅酸二钙2（2CaO·SiO2）＋4H2O==3CaO·2SiO2·3H2O＋Ca（OH）2

铝酸三钙3CaO·Al2O3＋H2O==3CaO·Al2O3·6H2O3CaO·Al2O3·6H2O＋3（CaSO4·2H2O）＋19H2O==3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3＋7H2O==3CaO·Al2O3·6H2O＋CaO·Fe2O3·H2O三、硅酸盐水泥的凝结和硬化熟料矿物的水化反应过程水化初期熟料矿物与水反应的速度较快，使水化产物不断地从液相中析出并聚集在水泥颗粒表面，形成以水化硅酸钙凝胶为主体的凝胶薄膜，大约在1h左右即在凝胶薄膜外侧及液相中形成粗短的针状钙矾石晶体。水化中期以水化硅酸钙（C－S－H）和氢氧化钙的快速形成为特征。水化后期由于新生成的水化产物的压力，水泥颗粒薄膜的凝胶薄膜破裂，使水进入未水化水泥颗粒的表面，水化反应继续进行。水化产物之间互相交叉连生，不断密实，固体之间的空隙不断减小，网状结构不断加强，结构逐渐紧密。三、硅酸盐水泥的凝结和硬化A——凝胶体（C－S－H凝胶，水化硅酸钙凝胶）；B——晶体（氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙）；C——孔隙（毛细孔、凝胶孔、气孔等）；D——未水化的水泥颗粒水泥石的结构水泥石主要由凝胶体、晶体、孔隙、水、空气和未水化的水泥颗粒等组成，存在固相、液相和气相。因此硬化后的水泥石是一种多相多孔体系。水泥石的结构（水化产物的种类及相对含量、孔的结构）对其性能影响最大。四、硅酸盐水泥的主要技术性质1.密度、堆积密度和各成分含量技术性质质量标准密度，kg/m33100～3200堆积密度，kg/m31300～1600不溶物Ⅰ型：不溶物不得超过0.75％；Ⅱ型：不溶物不得超过1.50％烧失量Ⅰ型：烧失量不得大于3.0％；Ⅱ型：烧失量不得大于3.5％氧化镁水泥中氧化镁含量不宜超过5.0％。如果水泥经压蒸法检验安定性合格，则水泥中氧化镁含量可放宽至6.0％三氧化硫＜3.5％碱含量水泥中碱含量按Na2O＋0.658K2O计算值来表示。若使用活性集料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中碱含量不得大于0.60％或由供需双方商定注：表中百分数均为质量百分数。四、硅酸盐水泥的主要技术性质2.细度水泥颗粒的粗细，直接影响其水化反应速度、活性和强度。颗粒越细，水化速度越大。但磨矿成本增加，同时，细颗粒易与空气中水分及二氧化碳作用，不易储运，而且细颗粒水泥硬化时收缩大。细度<40um具有较高活性；>90um接近惰性物质国家标准中规定，水泥的细度用筛析法和比表面积法来测定。硅酸盐水泥的细度为其比表面积2500~3500cm2/g，或0.08mm方孔筛的筛余量≤15%。

四、硅酸盐水泥的主要技术性质3.凝结时间凝结时间分为初凝时间和终凝时间。初凝时间是从加水至水泥浆开始失去塑性的时间；终凝时间是从加水至水泥浆完全失去塑性的时间。水泥初凝时间不宜过早，以便有足够时间在初凝前完成施工操作；终凝时间不宜过迟，以利于下一步施工工作。。国家标准GB175－1999规定：硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于12h。四、硅酸盐水泥的主要技术性质4.体积安定性体积安定性是指水泥浆体硬化后体积变化的稳定性。水泥在硬化过程中体积变化不稳定，即为体积安定性不良。水泥安定性不良的原因：熟料中含有过量的游离氧化钙（f－CaO），或含有过量的游离氧化镁（f－MgO）；水化非常缓慢，一般在水泥已经凝结硬化后，才进行熟化反应，产生体积膨胀，破坏已硬化的水泥结构（胀裂）生产水泥时掺入的石膏过量，剩余的硫酸根离子，在水泥硬化后继续形成水化硫铝酸钙结晶，体积膨胀，破坏水泥。国家标准GB175－1999规定，硅酸盐水泥的安定性用沸煮法检验必须合格。四、硅酸盐水泥的主要技术性质5.强度及标号425水泥——28天抗压强度为425kg/cm2的水泥。（1）胶砂强度国家标准《规定，水泥和标准砂按1：3.0质量比混合，加入规定量的水（水灰比为0.50），经标准试验方法搅拌成型。制成40mm×40mm×160mm的标准试件，在标准条件（1d温度为20±1℃，相对湿度90％以上的空气中带模养护；1d以后拆模，放入20±1℃的水中养护）下养护。根据水泥品种不同，分别测定3d、28d的抗折强度和抗压强度，即为水泥的胶砂强度。四、硅酸盐水泥的主要技术性质（2）强度等级根据水泥的胶砂强度划分的级别称为强度等级。硅酸盐水泥的强度等级划分为42.5，42.5R，52.5，52.5R，62.5，62.5R共六个等级。表的规定。强度等级抗压强度，MPa抗折强度，MPa3d28d3d28d42.542.5R52.552.5R62.562.5R17.022.023.027.028.032.042.542.552.552.562.562.53.54.04.05.05.05.56.56.57.07.08.08.0注：R型为早强型，主要是3d强度较高。四、硅酸盐水泥的主要技术性质6.水化热水泥的水化热是指在水化过程中的放热量，单位为kJ/kg。水化热的高低与熟料矿物的相对含量有关。铝酸三钙、硅酸三钙的水化热高，而铁铝酸四钙、硅酸二钙的水化热较低。因此要降低水化热，可适当减少铝酸三钙和硅酸三钙的含量。水化热主要对大体积混凝土工程有影响。对于大体积混凝土工程，由于内部水化热不易散出，温度达50~60℃以上，内外温差造成热应力→使混凝土裂缝，应选择水化热较低的水泥，或者采取特殊措施降低水化热的危害。水化热对冬天施工有利。7.标准稠度用水量（24~30%）

指水泥净浆达到标准稠度时所需用水量。测定方法：A、调整水量法：以试锥下沉深度28±2mm时拌合水量；B、固定水量法（114g水，440g水泥，测试锥下沉深度Smm）

P=33.4-0.185S四、硅酸盐水泥的主要技术性质五、水泥石的腐蚀及防止水泥石腐蚀的方式（1）软水侵蚀（溶出性侵蚀）（2）酸的腐蚀（溶解性化学腐蚀）一般酸的腐蚀碳酸水的腐蚀（3）硫酸盐腐蚀（膨胀性化学腐蚀）（4）强碱腐蚀防止水泥石腐蚀的措施（1）根据工程的环境特点，合理选择水泥品种。（2）提高混凝土的密实度。（3）在水泥石结构的表面设置保护层。六、硅酸盐水泥的特性及应用凝结硬化快，早期及后期强度均高，适用于有早强要求的工程。抗冻性好，适合水工混凝土和抗冻性要求高的工程。耐腐蚀性差，因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量较多。水化热高，不宜用于大体积混凝土工程。但有利于低温季节蓄热法施工。抗碳化性好。因水化后氢氧化钙含量较多，故水泥石的碱度不易降低，对钢筋的保护作用强。适用于空气中二氧化碳浓度高的环境。耐热性差。因水化后氢氧化钙含量高。不适用于承受高温作用的混凝土工程。耐磨性好，适用于高速公路、道路和地面工程。第二节掺混合材料的硅酸盐水泥混合材料及其分类

混合材料为了改善水泥性能、提高水泥的产量，在生产时掺入的天然或人工矿物质材料。活性混合材料

具有潜在水硬性或火山灰特性，或者兼具有潜在水硬性和火山灰特性的混合材料。粒化高炉矿渣；粉煤灰；火山灰质混合材料非活性混合材料不具有潜在水硬性或活性指标不能达到规定要求的混合材料。如磨细石灰石粉、磨细石英砂等。一、普通硅酸盐水泥（代号P·O）Ordinary

portlandcement

定义硅酸盐水泥熟料＋6％～1５％的混合材料＋适量石膏技术性质要求（与硅酸盐水泥相比）相同点MgO含量、SO3含量、初凝时间、安定性的技术要求相同。不同点细度：80μm方孔筛筛余量不超过10.0%；终凝时间：不迟于10h；烧失量：不得大于5.0%；一、普通硅酸盐水泥强度等级：普通硅酸盐水泥分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个强度等级。各龄期的强度不低于下表的规定。强度等级抗压强度，MPa抗折强度，MPa3d28d3d28d32.532.5R42.542.5R52.552.5R11.016.016.021.022.026.032.532.542.542.552.552.52.53.53.54.04.05.05.55.56.56.57.07.0一、普通硅酸盐水泥主要特性（1）早期强度略低，后期强度高。（2）水化热略低。（3）抗渗性好，抗冻性好，抗碳化能力强。（4）抗侵蚀、抗腐蚀能力稍好。（5）耐磨性较好；耐热性能较好。应用普通硅酸盐水泥的应用范围和硅酸盐水泥相同。二、矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥定义技术性质要求（与普通水泥相比）相同点MgO含量、细度、凝结时间、安定性的技术要求相同。不同点20%～40%粉煤灰熟料＋适量石膏＋20%～70%粒化高炉矿渣20%～50%火山灰质混合材料矿渣水泥（P·S）粉煤灰水泥（P·F）火山灰水泥（P·P）pozzolanic磨细磨细磨细二、矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥三氧化硫含量：矿渣水泥不超过4.0％；火山灰质水泥、粉煤灰水泥不得超过3.5％。强度等级：强度等级划分为32.5，32.5R，42.5，42.5R，52.5，52.5R共六个等级。各龄期的强度要求见下表。密度：水泥的密度为2800～3000kg/m3。强度等级抗压强度，MPa）抗折强度，MPa3d28d3d28d32.510.032.52.55.532.5R15.032.53.55.542.515.042.53.56.542.5R19.042.54.06.552.521.052.54.07.052.5R23.052.54.57.0二、矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥主要特性（与硅酸盐水泥、普通水泥相比）三种水泥的共同特性凝结硬化较慢，早强强度较低，后期强度增长较快；水化热较低，放热速度慢；抗硫酸盐腐蚀和抗水性较好；蒸汽养护适应性好；抗冻性、耐磨性及抗碳化性能较差。三种水泥各自特性矿渣水泥的抗渗性较差，但耐热性好，可用于温度不高于200℃的混凝土工程中。火山灰水泥的抗渗性好，但干缩较大，不适用于长期处于干燥环境中的混凝土工程。粉煤灰水泥干缩小，抗裂性好。四、复合硅酸盐水泥和石灰石硅酸盐水泥

复合硅酸盐水泥（P·C）compound

与硅酸盐水泥相比，由于掺入了两种或两种以上的混合材料，复合水泥的水化热较低；早期强度较高，其强度要求与普通水泥的强度要求相同。石灰石硅酸盐水泥（P·L）limestone

凡由硅酸盐水泥熟料和石灰石、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为石灰石硅酸盐水泥。石灰石硅酸盐水泥的技术要求应符合相应标准的规定。四、白色硅酸盐水泥和彩色硅酸盐水泥白色硅酸盐水泥的组成、性质与硅酸盐水泥基本相同，所不同的是在配料和生产过程中严格控制着色氧化物（Fe2O3、MnO、Cr2O3、TiO2等）的含量。彩色硅酸盐水泥简称彩色水泥。它是用白水泥熟料，适量石膏和耐碱矿物颜料共同磨细而制成的。白水泥和彩色水泥广泛地应用于建筑装修中。如制作彩色水磨石、饰面砖、锦砖、玻璃马赛克以及制作水刷石、水泥花砖等。第四节气硬性胶凝材料一、建筑石膏（CaSO4•H2O)——半水石膏or熟石膏原料：a、天然石膏（生石膏）；b、含硫酸钙的化工副产品和废渣（磷石膏、氟石膏、硼石膏）

建筑石膏为β型半水石膏，是将天然二水石膏经107—170℃的低温燃烧分解为半水石膏而成，故又称熟石膏。

1、建筑石膏的水化、凝结、硬化

建筑石膏与适量的水拌和当即水化．成为可塑的浆体，随即失去塑性而凝结，并迅速硬化成为坚硬固体产生强度。其化学反应为：第四节气硬性胶凝材料建筑石膏凝结硬化机理，可分作以下三个阶段：第一阶段为准备阶段，或称溶解期。半水石膏对水有较大的溶解度和很大的亲和力，当与适量的水拌和后，很快溶入水中生成饱和溶液。半水石膏在溶解的同时与水反应生成二水石膏。二水石膏的溶解度仅为半水石膏的1／5，当即生成二水石膏晶体自饱和溶液中析出。第二阶段为凝结阶段，或称胶化期。当溶解达到饱和后，尚未溶解的半水石膏，仍继续与水相作用，在颗粒表面生成高分散度的二水石膏微晶粒，并向饱和溶液中扩散形成不稳定的凝胶体．使膏浆具有可塑性，从而石膏浆体中水分逐渐减少、变稠，微晶粒互相靠近而凝聚。石膏浆体逐渐失去可塑性进入凝结阶段。第三阶段为硬化阶段，或称结晶期。不稳定的二水石膏徽晶粒凝聚后，转变成稳定的二水石膏晶体。这些晶体与自饱和溶液中析出的晶体互相交错成网状结构，从而产生强度，并不断增长，直至完全干燥，强度停止发展，石膏桨体己完全硬化。第四节气硬性胶凝材料2、影响建筑石膏凝结硬化的因素（1）煅烧温度：107-170℃T↑↑→不溶性无水石膏↑

T↓↓→二水石膏↑这两种情况均影响了建筑石膏的活性，不仅使凝结硬化缓慢，强度也随之降低。第四节气硬性胶凝材料（2）颗粒细度：颗粒越细，水化越快，硬化越快；但颗粒过细，在凝聚过程的后期，很少吸水保持了颗粒间的水膜，当水分蒸发后，孔隙增多，降低了制品的强度。（3）杂质含量：建筑石膏常因原料不纯而夹入碳酸钙、粘土等杂质。这些杂质在建筑石膏的燃烧温度中不可能分解成活性物质，因而影响石膏的凝结硬化．并降低其强度。第四节气硬性胶凝材料（4）用水量：

建筑石膏的理论用水量为石膏重量的18.6％。由于其凝结速度很快及水化时放出热量丧失部分水分，所以一般工艺用水量约为石膏重量的60％~80％，因此，其制品硬化后有较多的孔隙，使强度降低。为了提高制品强度，应在保持建筑石膏充分水化的条件下，用水量应尽可能地降低。在施工中，常掺入塑化剂、缓凝剂等外加剂，适当地延缓石膏的凝结速度并增加其可塑性而减少用水量。（5）环境温度：建筑石膏最适宜的温度一般为40~50℃，凝结速度最快，还能加速石膏制品中过剩的游离水的蒸发，超出此温度范围凝结速度逐渐变慢，甚至不能凝结。第四节气硬性胶凝材料（6）缓凝剂和促凝剂：常用的缓凝剂有亚硫酸盐酒精废液、硼砂、酪素胶、蛋白胶和石膏专用缓凝剂等。其作用主要是降低建筑石膏的溶解速度和溶解度。常用的促凝剂有氯化钠、氯化铵和硫酸盐类。它们能使石膏溶解速度和溶解度增大，从而促使石膏加快凝结。第四节气硬性胶凝材料2、建筑石膏主要性质和用途

建筑石膏的凝结速度很快。一般在5—15min内凝结，因此在使用时须将石膏粉撒入水中，以免石膏结成团块影响制品质量。建筑石膏在凝结过程中体积约膨胀1％左右，浇注时可充满模板，因而造形正确、表面光滑、干燥时不易开裂，可不掺骨料单独使用。制品的抗压强度约为抗拉强度的4—5倍。7天龄期的抗压强度可达100kg／cm2。制品长期承担荷载时易产生蠕变现象，尤其在较高温度或潮湿环境中强度降低更甚。第四节气硬性胶凝材料建筑石膏对无机物的胶粘性差，使用时多不掺砂石等骨料。如必须掺骨料时，可掺用生石灰粉以提高其胶结性。石灰还能在制品表面上形成抗水的碳酸钙，增加制品的抗水性。同时，生石灰水化吸收了水分和发出热量，使制品更为密实，强度增高。石膏对有机物胶结性较好，而且没有腐蚀性，故常用木屑、刨花、芦苇、稻草及其它有机纤维材料作骨料，以增强制品的强度和改善其吸湿性。建筑石膏制品具有较多孔隙，有良好的抗火、隔热和隔音性能，但抗水性和抗冻性不良。其加工性能好，局部损坏可以修补。第四节气硬性胶凝材料二、石灰石灰的主要组成物为氧化钙，是以碳酸钙为主要成分的岩石燃烧成的。作为石灰的原料，有石灰岩、白垩、石灰质凝灰岩、贝壳石灰岩等。