长安大学《土木工程材料》课件-第2、3章

第二章气硬性胶凝材料长安大学《土木工程材料》胶凝材料:与水拌和后能将散粒或块状材料粘结成

整体的材料。气硬性胶凝材料：只能在空气中硬化、保持或发展强度；水硬性胶凝材料：不仅能在空气中硬化，而且能更好地在水中硬化，保持和发展强度。胶凝材料的分类：胶凝材料有机胶凝材料无机胶凝材料天然有机胶凝材料

如：沥青、天然树脂等合成有机胶凝材料

如：各种合成树脂气硬性胶凝材料

如：石灰、石膏、水玻璃等水硬性胶凝材料

如：各种水泥2.1石灰lime2.1.1石灰生产简介生产简介：以碳酸钙为主要成分的原料900~1000cº

高温煅烧得到块状生石灰—氧化钙。块状生石灰加工得产品：生石灰粉（磨细生石灰）消石灰分（加水消化干燥而成）石灰膏（加过量水消化成达一定稠度的膏体）生石灰经消化后成熟石灰，其主要成分为氢氧化钙烧成CaCO3CaO+CO2

熟化CaO+H2OCa(OH)2+64.9103J2.1.2石灰的技术要求各种石灰产品按现行建材行业标准分三个等级,并各有其技术标准.2.1.3石灰的特性可塑性和保水性好生石灰水化时水化热大，体积增大硬化缓慢硬化Ca(OH)2硬化时体积收缩大硬化后强度低耐水性差脱水结晶碳化Ca(HO)2+CO2+nH2O

CaCO3+(n+1)H2O制作石灰乳涂料配制砂浆拌制石灰土和石灰三合土生产硅酸盐制品2.1.4石灰的应用2.2石膏gypsum

2.2.1建筑石膏生产简介石膏是一种以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料.二水石膏加热时的变化SO4·2H2O至140℃的饱和水蒸气条件下或某些盐溶液中可溶性硬石膏220℃可溶性硬石膏320～360℃CaSO4不溶性硬石膏500～700℃110～170℃分类：建筑石膏高强石膏无水石膏水泥高温煅烧石膏建筑石膏生产简介：原料（天然二水石膏矿石、天然无水石膏、化工石膏等）经加热煅烧、脱水、磨细得石膏产品。加热温度和方式不同得不同类型石膏产品。建筑石膏为非封闭、加热到107~170cº得到。建筑石膏即

型半水石膏2.2.2石膏的技术要求分为三个等级并有其技术指标.易吸潮,贮运时须防潮,储存时间一般不超过三个月.产品标记顺序为:产品名称,抗折强度值,标准号.2.2.3建筑石膏的特性凝结硬化快硬化时体积微膨胀硬化后孔隙率较大，表观密度和强度较低隔热、吸声性良好防火性能良好具有一定的调温调湿性耐水性和抗冻性差加工性能好硬化过程溶解水化过饱和胶化结晶2.2.4建筑石膏的应用制备粉刷石膏建筑石膏制品2.3水玻璃sodiumsilicate

2.3.1水玻璃的特性泡花碱能溶于水的硅酸盐由不同比例碱金属氧化物和二氧化硅组成化学通式：R2O•nSiO2n—水玻璃模数，是二氧化硅与碱金属氧化物间的分子比。一般在1.5~3.5之间，工程中常用2.6~2.8。n越小，水玻璃中晶体组分多，粘结力差；n越大,水玻璃中胶体成分增多，粘结力增大。n＝1溶于常温水中n＝2～3溶于热水中n3

溶于4个大气压的蒸气中在空气中硬化进程缓慢，要加促硬剂具有良好的粘结性能固体含量多时冰点降低，变脆，冻后加热融化性能不变耐酸性能好耐高温堵塞材料毛细孔，防水防渗2.3.2水玻璃的应用涂刷建筑材料表面提高其抗风化能力配制耐酸浆、耐酸砂浆、耐酸混凝土配制耐热砂浆、耐热混凝土用于土壤加固配制快凝防水剂菱苦土简介第三章水泥cement水硬性无机矿物胶凝材料常用水泥：硅酸盐水泥—代号P•Ι（不掺混合材料）、P•Π（掺<5%混合材料）普通硅酸盐水泥—代号P•O矿渣硅酸盐水泥—代号P•S火山灰硅酸盐水泥—代号P•P粉煤灰硅酸盐水泥—代号P•F复合硅酸盐水泥—代号P•C特种水泥:满足工程特殊要求的水泥3.1常用水泥3.1.1常用水泥的生产3.1.1.1水泥熟料的烧成生产工艺流程磨细生料混合材料熟料水泥按比例混合、磨细石灰石粘土铁矿粉1450℃煅烧石膏原料：石灰质原料（提供氧化钙）粘土质原料（提供氧化硅、氧化铝、氧化铁）校正原料（不满足化学组成时，加相应铁质、硅质原料）生产过程：两磨一烧一磨：将几种原料按适当比例混合磨细，成生料。一烧：将生料入窑，经1450cº高温煅烧，成熟料。二磨：将水泥熟料、石膏、混合材料一起磨细成水泥制品硅酸盐水泥主要矿物成份与特性低名称代号含量范围凝结硬化速度水化放热量强度硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙C3SC2SC3AC4AF37％～60％15％～37％10％～18％快慢7％～15％快多少最多中高早期低、后期高低最快3.1.1.2磨制水泥成品原材料:水泥熟料、石膏和混合材料石膏为二水石膏或无水石膏；混合材料：生产水泥时为改善水泥性能，调节水泥标号而加到水泥中的人工和天然矿物材料。分活性混合材料与非活性混合材料两种。活性混合材料：与石灰、石膏一起，加水拌合后能形成水硬性胶凝材料的混合材料。活性成分为活性氧化硅、活性氧化铝。非活性混合材料：不具活性成分或活性甚低的矿物质。加入水泥中起提高产量、降低水泥标号、减少水化热作用。将水泥熟料、适量石膏分别和不同种类、数量的混合材料混合在一起磨细即可形成六大常用水泥。活性混合材料在常温常压下，能与石灰作用，生成具有胶凝性的水化产物:xCa(OH)+SiO+mH2O

xCaO·SiO2·nH2OxCa(OH)+Al2O3+mH2O

xCaO·Al2O3·nH2O常用的活性混合材料有：

粒化高炉矿渣

火山灰质混合材料

粉煤灰水化凝结硬化快，强度高，尤其早期强度高。熟料中各矿物单独与水反应：3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O

（水化铝酸三钙）2(3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O·3Ca(OH)2

（水化硅酸钙）2(2CaO·SiO2)+4H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)23.1.2常用水泥的特性3.1.2.1硅酸盐水泥当Ca(OH)2达到饱和时在有石膏存在时4CaO·Al2O3·13H2O+3(CaSO4·2H2O)+14H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+Ca(OH)2钙矾石、针状晶体4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O

=3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

水泥的凝结硬化过程(d)(a)(b)(c)(a)分散在水中未水化的水泥颗料；(b)在水泥颗粒表面形成水化物膜层；(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12343561.00.200.40.60.80.20.40.60.81.01.00.200.40.60.80.20.40.60.81.0水化程度毛细孔

(毛细孔水)(凝胶孔水)凝胶孔凝胶实体未水化水泥体积率毛细孔

(毛细孔水)(凝胶孔水)凝胶孔凝胶实体未水化水泥体积率水化程度（2）水化热大水泥的水化反应为放热反应，水化过程放出的热量称为水泥的水化热。硅酸盐水泥水化热大，放热周期长，不宜在大体积工程中应用。硅酸盐水泥不同龄期的放热量：1～3天50％7天75％6个月83～91％（3）耐腐蚀性差水泥腐蚀：(一)溶出性腐蚀在软水中，Ca(OH)2溶出(二)盐类腐蚀

硫酸盐RSO4

R+++SO4--Ca(OH)2

Ca+++2(OH-)Ca+++SO4--CaSO4+CAH3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O

针状晶体体积膨胀1.5～2倍

镁盐(海水中)腐蚀MgSO4+Ca(OH)2+H2OCaSO4·2H2O+Mg(OH)2MgCl+Ca(OH)2

CaCl2+Mg(OH)2

进一步引起硫酸盐腐蚀无胶结性溶解于水(三)强酸强碱2HCl+Ca(OH)2CaCl2+2H2OH2SO4+Ca(OH)2CaSO4·2H2O6NaOH+C3A3Na2O·Al2O3+Ca(OH)2溶解进一步引起硫酸盐腐蚀溶解防止水泥腐蚀方法：

降低水泥石中Ca(OH)2含量，采用掺混合材水泥；

增加水泥石密实度，防止有害物质渗入；

混凝土外表用耐腐蚀材料做一保护层，如涂料等。(4)抗冻性好,干缩小(5)耐热性差3.1.2.2普通水泥与硅酸盐水泥相近。早期凝结硬化速度略慢，早期强度稍低。3.1.2.3矿渣水泥凝结硬化慢，早期强度低，后期强度发展快。水化热低。保水性差，抗渗、抗冻、抗干湿交替作用性能较差。抗碳化能力差，抗侵蚀能力强。耐热性能好。适于采用蒸汽养护。3.1.2.4火山灰水泥与矿渣水泥有许多共性。加强养护，抗渗性强。3.1.2.5粉煤灰水泥与火山灰水泥相似。抗裂性好，和易性好。3.1.2.6复合水泥与所掺混合材料的种类、数量及相对比例有关。五种水泥的特性硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥主要成分用硅酸盐水泥熟料为主，不掺混合材料或掺不超过5％的石灰石或粒化高炉矿渣在硅酸盐水泥熟料中允许掺6％～15％的混合材料在硅酸盐水泥熟料中掺入占水泥重20％～70％的粒化高炉矿渣在硅酸盐水泥熟料中掺入占水泥重20％～50％的火山灰质混合材料在硅酸盐水泥熟料中掺入占水泥重20％～40％的粉煤灰特性1.硬化快，强度高2.水化热大3.耐冻性好4.耐腐蚀与耐软水侵蚀性差1.早期强度较高2.水化热较大3.耐冻性较好4.耐腐蚀与耐软水侵蚀性较差1.早期强度低，后期强度增长较快2.水化热较大3.耐冻性差4.耐硫酸盐腐蚀及耐软水侵蚀性较好5.抗碳化能力差抗渗性较好，其他同矿渣硅酸盐水泥干缩性较小，抗裂性较好，其他同火山灰质硅酸盐水泥掺混合材水泥的特点(与Ⅰ、Ⅱ型硅酸盐水泥相比)

强度发展较慢；

水化热较低；

耐腐蚀较强；

养护时对温度较敏感。3.1.3影响常用水泥性能的因素：

水泥组成成分的影响;

贮存条件的影响。

水泥细度的影响；

养护条件(温度、湿度）的影响；

龄期的影响；

拌和用水量的影响；3.1.4常用水泥的选用根据工程性质、结构部位、施工要求和使用条件环境等，参见表3.3选用。3.1.5常用水泥的技术要求3.1.5.1细度比表面积>300m²/kg筛余：800

m筛孔筛余<10％3.1.5.2凝结时间初凝>45min终凝

6h30min标准稠度：水泥拌制成特定的塑性状态。标准稠度用水量：水泥拌制成特定的塑性状态时所需的水量。标准稠度测定仪试锥和锥模1－铁座；2－金属圆棒；3－松紧螺丝；4－指针；5－标尺

体积安定性:水泥在凝结硬化过程中，体积变化的均匀性.体积安定性不良的水泥，会导至结构物内的体积不均匀变化而产生裂缝、强度下降等严重后果。测定方法：

试饼蒸煮法；雷氏夹法(两者均为沸煮法)3.1.5.3体积安定性雷氏夹雷氏夹膨胀值测量仪1－指针；2－环模1－底座；2－模子座；3－测弹性标尺；4－立柱；5－测膨胀值标尺；6－悬臂；7－悬丝；8－弹簧顶扭7123456812

石膏过量(生产中严格控制)

安定性不良的原因：

f－CaO过量

(用沸煮法检验)

f－MgO过量

(生产中严格控制)3.1.5.4强度及强度等级

1604040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.采用软练胶砂法测定水泥强度.试件尺寸

抗折强度

抗压强度水泥胶砂强度检验方法:1.试模为可装卸的三联模,每条40×40×160mm.2.各龄期试件必须在下列时间内进行强度试验:

龄期时间

3d3d±2h7d7d±3h28d28d±3h3.每龄期取出三条试件先做抗折强度试验,采用中分点加荷.结果取三块试件平均整数.当三个强度值中有超过平均值±10%的,应剔除后再平均,平均值作为抗折强度试验结果。4.抗折试验后二个断块立即进行抗压试验,受压面40×62.5mm.六个抗压强度结果剔除最大、最小两个数值，剩下四个平均值作为抗压强度试验结果。如不足六块，取平均值。硅酸盐水泥各龄期的强度8.5强度等级抗压强度(MPa)抗折强度(Mpa)3d28d3d28d6.57.08.08.042.5R22.042.54.052.523.052.54.07.052.5R27.052.55.062.528.062.55.062.5R32.062.55.572.5R37.072.56.0根据强度试验结果确定水泥强度等级。42.517.042.53.56.53.1.5.5碱含量碱含量是指水泥中氧化钠和氧化钾的含量。如果水泥中碱含量过高，用于混凝土时，遇到有活性的骨料，易产生碱-骨料反应。碱-骨料反应：混凝土所用骨料中若含有活性氧化硅会与水泥中的碱发生反应，在骨料表面生成碱-硅酸凝胶，吸水后无限膨胀导致混凝土开裂破坏。国家标准规定：水泥中碱含量不得大于0.60%。国家标准规定：对于水泥的五项主要技术质量要求，凡氧化镁三氧化硫