无机凝胶材料

1、第三章 无机胶凝材料,3.1气硬性胶凝材料 3.2通用硅酸盐水泥 3.3其他品种水泥 3.4水泥的应用,胶凝材料的定义和分类,胶凝材料的定义 经过一系列物理化学变化，能够凝结硬化，将块状或粉状材料胶结起来，形成一个整体的材料。,胶凝材料的分类,一、石灰 二、石膏 三、水玻璃,3.1气硬性胶凝材料,一、石灰,生产工艺煅烧 石灰生产过程，是石灰石煅烧过程。根据煅烧程度可分为欠火石灰、正火石灰、过火石灰。,1.石灰的生产 原材料 生产石灰的原材料包括天然石灰石和化工副产品。主要成分为CaCO3。,一、石灰,2.石灰的熟化硬化过程、石灰的品种 生石灰的熟化 熟化的过程 生石灰+水 熟石灰 熟化的方式

2、淋 灰熟石灰粉（消石灰粉） 化 灰 熟石灰膏 熟化过程的特点 放出大量的热；体积膨胀1.53.5倍。,MgO + H2O = Mg（OH）2 CaO + H2O = Ca（OH）2 + 64.83kj,一、石灰,生石灰的熟化 熟化过程的注意事项 熟石灰在使用前必须陈伏两周以上防止过火石灰的危害； 在化灰池表面保留一层水防止石灰碳化。 石灰的硬化 Ca(OH)2从饱和溶液中析出，晶体互相交叉连生，从而提高强度。 （干燥硬化） Ca(OH)2与空气中CO2发生反应，形成CaCO3使石灰的强度逐渐提高。 （碳化硬化）,一、石灰,石灰的品种 按石灰中的氧化镁含量的高低分： 按成品的加工方法分： 块状生

3、石灰； 磨细生石灰粉； 消石灰粉； 石灰膏； 石灰乳等。,一、石灰,3.石灰的技术性质及应用 石灰的质量等级 建筑生石灰、建筑生石灰粉、建筑消石灰粉按有效CaOMgO的含量，可分为优等品、一等品和合格品三个等级。 石灰的特性 1.可塑性好； 2.生石灰吸湿性强，保水性好； 3.凝结硬化慢、强度低 ； 4.硬化后体积收缩大，易开裂； 5.耐水性差 。,石灰的应用 配制石灰砂浆和石灰乳； 配制三合土和灰土； 制作碳化石灰板； 生产硅酸盐制品； 加固地基。,一、石灰,4.石灰的储存 生石灰储存时间不宜过长，一般不超过一个月。作到“随到随化”。 不得与易燃、易爆等危险液体物品混合存放和混合运输。 熟石

4、灰在使用前必须陈伏两周以上，以防止过火石灰对建筑物产生的危害。,1.石膏的原材料、生产及品种 石膏胶凝材料的生产通常是把二水石膏在一定的温度和压力下，经过煅烧、脱水，再经磨细而成。 在不同的煅烧温度下，得到的产品是不同的。具体过程如下所示： 建筑工程中常用建筑石膏;高强石膏用于生产建筑石膏制品。,二、石膏,二、石膏,2.建筑石膏的凝结与硬化 建筑石膏加水后，与水发生的化学反应如下： CaSO40.5H2O + 1.5 H2O = CaSO42H2O 建筑石膏的凝结硬化过程可以表示如下： 建筑石膏凝结过程，是一个溶解、反应、沉淀、结晶的过程； 硬化过程则是二水石膏晶体之间，结晶结构网的形成过程。

5、晶体之间互相交叉连生，形成网状结构；随着反应的继续进行，结晶结构网逐渐密实，从而使石膏晶体逐渐硬化。,二、石膏,3.建筑石膏的技术要求 建筑石膏按其细度、强度、凝结时间等指标，划分为优等品、一等品、合格品三个等级。,二、石膏,建筑石膏的技术性质 表观密度小，强度较低； 凝结硬化快； 孔隙率大，热导率小； 凝结时体积产生微膨胀； 吸湿性强，耐水性差； 具有较好的防火性能。,建筑石膏的应用 室内抹灰与粉刷； 生产建筑石膏制品； 生产水泥时作为缓凝剂加入水泥中。,4.建筑石膏的性质及应用,三、水玻璃,水玻璃又称泡花碱，是由碱金属氧化物和二氧化硅结合而成。是一种能够溶解于水的硅酸盐材料。 1.水玻璃的

6、生产 湿法生产 湿法是将石英砂加入到氢氧化钠溶液中，进行蒸压使其直接反应生成液态水玻璃。 干法生产 干法是把石英砂和碳酸钠按比例混合磨细，在300 1400高温的熔炉内熔化，生成固态水玻璃。,三、水玻璃,1.水玻璃的生产 水玻璃的硅酸盐模数 水玻璃的模数n：指硅酸钠中氧化硅和氧化钠的分子数之比，一般在1.53.5之间。 水玻璃硅酸盐模数值n的大小决定水玻璃的品质及其应用性能：模数低的水玻璃，晶体组分较多，粘结性能较差（也易溶于水）；模数升高，胶体组分相应增加，粘结能力增强。,三、水玻璃,1.水玻璃的生产 水玻璃的硅酸盐模数,三、水玻璃,2.水玻璃的硬化 液体水玻璃吸收空气中的二氧化碳，形成无定

7、型硅酸凝胶，并逐渐干燥硬化，具体反应式如下： 为了加速水玻璃的硬化，可加热或掺入13%15%的促硬剂氟硅酸钠。,三、水玻璃,3.水玻璃的性质与应用 水玻璃的性质 粘结力强 耐酸性好 耐热性好 水玻璃的应用 涂刷或浸渍材料，提高其抗风化性能； 配制耐酸砂浆和耐酸混凝土； 配制耐热砂浆和耐热混凝土； 配制防水剂，用于修补裂缝、堵漏； 加固地基。,一、通用硅酸盐水泥的定义、分类及生产概况 二、通用硅酸盐水泥的组成材料 三、通用硅酸盐水泥的技术要求 四、通用硅酸盐水泥的水化、凝结硬化与性能 五、通用硅酸盐水泥的选用 六、水泥石的腐蚀与防止,3.2 通用硅酸盐水泥,水泥的特点及适用范围,水泥的特点 水泥

8、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，形成坚硬的人造石材。 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,水泥的分类,按主要水硬性物质分,适用于GB175-2007通用硅酸盐水泥的相关标准,GB175-2007通用硅酸盐水泥取代了：GB175-1999硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥 、GB1344-1999矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、GB12958-1999复合硅酸盐水泥三个标准。 被GB175-2007通用硅酸盐水泥引用的

9、相关标准 GB/T176-1999水泥化学分析方法 (eqv ISO680:1990）; GB/T203-1994用于水泥中的粒化高炉矿渣; GB/T750-1992水泥压蒸安定性试验方法；,适用于GB175-2007通用硅酸盐水泥的相关标准,被GB175-2007通用硅酸盐水泥引用的相关标准 GB/T1345-2005 水泥细度检验方法（筛析法）; GB/T1346-2001 水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法(eqv ISO9597:1989); GB/T1596-2005用于水泥和混凝土中的粉煤灰; GB/T2419-2005水泥胶砂流动度测定方法; GB/T2847-2005

10、用于水泥中的火山灰质混合材料;,适用于GB175-2007通用硅酸盐水泥的相关标准,被GB175-2007通用硅酸盐水泥引用的相关标准 GB/T5483-1996石膏和硬石膏; GB/T8074-2008水泥比表面积测定方法(勃氏法) ; GB9774-2002水泥包装袋; GB12573-1990水泥取样方法; GB/T12960-2007水泥组分的定量测定; GB/T17671-1999水泥胶砂强度检验方法（ISO法）(idt ISO679:1989);,适用于GB175-2007通用硅酸盐水泥的相关标准,被GB175-2007通用硅酸盐水泥引用的相关标准 GB/T18046-2000用于

11、水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉; JC/T420-2006水泥原料中氯离子的化学分析方法; JC/T667-2004水泥助磨剂; JC/T742-1984(1996)掺入水泥中的回转窑窑灰。,一、通用硅酸盐水泥的定义、分类及生产概况,通用硅酸盐水泥的定义 通用硅酸盐水泥（Common Portland Cement）是指以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏，及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。 通用硅酸盐水泥的分类 通用硅酸盐水泥按混合材料的品种和掺量分为：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、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。,通用硅酸盐水泥的分类,通用硅酸盐水泥的分类,

12、通用硅酸盐水泥的分类,通用硅酸盐水泥的组分表的相关说明,一、通用硅酸盐水泥的定义、分类及生产概况,生产概况 “两磨一烧”工艺,二、通用硅酸盐水泥的组成材料,二、通用硅酸盐水泥的组成材料,1.硅酸盐水泥熟料 熟料矿物加水，均能单独与水发生化学反应。,二、通用硅酸盐水泥的组成材料,2.石膏 天然石膏：应符合GB/T5483中规定的G类或M类二级（含）以上的石膏或混合石膏。 工业副产石膏：以硫酸钙为主要成分的工业副产物。采用前应经过试验证明对水泥性能无害。 3.活性混合材料 所谓活性混合材料是指这类材料磨成粉末后，与石灰、石膏或硅酸盐水泥加水拌合后能发生水化反应，在常温下能生成具有水硬性的胶凝物质。

13、符合GB/T203、GB/T18046、GB/T1596、GB/T2847标准要求的粒化高炉矿渣、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、火山灰质混合材料。,二、通用硅酸盐水泥的组成材料,3.活性混合材料 粒化高炉矿渣：是在高炉冶炼生铁时，为了使铁矿石易于熔融，常加入一定量的石灰石作为助熔剂。在高温下石灰石分解出的氧化钙与铁矿石中的粘土质废渣化合，生成含有硅酸盐和铝酸盐的熔融矿渣，浮在铁水的表面，这些矿渣经骤冷处理，可成为质地疏松、多孔的细小颗粒，称为粒化高炉矿渣。粒化高炉矿渣的主要化学成分为SiO2、Al2O3和CaO，大约占90%以上，另外还有少量的MgO和Fe2O3及其他杂质。,二、通用硅酸盐水泥的组成

14、材料,3.活性混合材料 粉煤灰：是火力发电厂以煤粉作燃料，煤粉在锅炉中燃烧后，由收尘器从烟气中收集的灰分，它属于火山灰质混合材料的一种，为密实球形玻璃质结构，其化学成分主要是活性SiO2和活性Al2O3，其性质与火山灰质混合材料基本相同。,二、通用硅酸盐水泥的组成材料,3.活性混合材料 火山灰质混合材料：凡天然或人工的以氧化硅、氧化铝为主要成分的物质材料，本身磨细加水拌合并不硬化，但与气硬性的石灰混合后，再加水拌合，则不但能在空气中硬化，而且在水中继续硬化的，称为火山灰质混合材料。 天然的火山灰质混合材料有火山灰、凝灰岩、浮石、沸石岩、硅藻土和硅藻石等；人工的火山灰质混合材料有烧粘土、煤矸石、

15、粉煤灰、煤渣、页岩灰、硅质渣等。,二、通用硅酸盐水泥的组成材料,4.非活性混合材料 凡不具有活性或活性很低的人工或天然的矿物质材料，磨成细粉后与石灰、石膏或硅酸盐水泥加水拌合后，不能或很少生成水硬性的胶凝物质的材料，称为非活性混合材料。 常用的非活性混合材料有：活性指标分别低于GB/T203、GB/T18046、GB/T1596、GB/T2847标准要求的粒化高炉矿渣、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、火山灰质混合材料；石灰石和砂岩，其中石灰石中的三氧化二铝含量应不大于2.5%。,二、通用硅酸盐水泥的组成材料,4.非活性混合材料 掺加非活性混合材料的目的主要是: 起填充作用、增加水泥产量、调节水泥强度等

16、级、降低水泥成本和水化热、改善水泥的某些性质等。,二、通用硅酸盐水泥的组成材料,5.窑灰 窑灰是从水泥回转窑窑尾废气中收集的粉尘，应符合JC/T 742的规定。窑灰的性能介于活性混合材料与非活性混合材料之间，主要组成物质是碳酸钙、脱水粘土、玻璃态物质、氧化钙，另外还有少量的熟料矿物、碱金属硫酸盐和石膏等。技术性质符合JC/T742的规定。 6.助磨剂 在水泥粉磨时加入的起助磨作用而又不损害水泥性能的外加剂。水泥粉磨时允许加入助磨剂，其加入量应不大于水泥质量的0.5%，应符合JC/T667的规定。,三、通用硅酸盐水泥的技术要求,三、通用硅酸盐水泥的技术要求,三、通用硅酸盐水泥的技术要求,2.碱含

17、量(选择性指标) 碱含量是指水泥中氧化钠(Na2O)和氧化钾(K2O)的含量。近些年来，在混凝土施工中发现了许多碱集料反应，即水泥中的碱和集料中的活性二氧化硅反应，生成膨胀性的碱硅酸盐凝胶，导致混凝土开裂。因此，当使用活性骨料时，要使用低碱水泥。水泥中碱含量按Na2O+0.658K2O计算值表示。若使用活性骨料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中的碱含量应不大于0.60%或由买卖双方协商确定。,3.物理指标,标准稠度用水量 标准稠度：为测定水泥凝结时间、体积安定性等性能，为使其具有可比性，对水泥浆以标准方法测试所达到统一规定的浆体的可塑性程度。 标准稠度用水量：水泥浆达到规定的“标准稠度”时所需的

18、加水量。 表示方法：用“拌和水量占水泥质量的百分比”表示。 测试方法：“固定水量法”或“调整水量法”。,3.物理指标,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，终凝时间不宜过迟。 凝结时间规定： 硅酸盐水泥：初凝 45min，终凝 390min。 普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、复合水泥 ：初凝 45min，终凝 600min。,3.物理指标,安定性 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

19、： 熟料中含有过量的游离氧化钙（fCaO），或含有过量的游离氧化镁（fMgO）； 生产水泥时掺入的石膏过量。 通用硅酸盐水泥安定性用沸煮法检验必须合格。 安定性不良的水泥严禁用于工程中。,3.物理指标, 细度(选择性指标) 细度是指水泥颗粒的粗细程度。 水泥颗粒的粗细，直接影响其水化反应速度、活性和强度。 水泥细度的检验方法有：筛析法、比表面积法。 硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的细度以比表面积表示，其比表面积不小于300m2/kg； 矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥的细度以筛余表示，其80m方孔筛筛余不大于10%或45m方孔筛筛余不大于30%。,3.物理指标,

20、强度 胶砂配合比水泥：标准砂=1：3(质量比) ，水灰比0.5。但火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥和掺火山灰质混合材料的普通硅酸盐水泥在进行胶砂强度检验时，其用水量按0.50水灰比和胶砂流动度不小于180mm来确定。当流动度小于180mm时，须以0.01的整倍数递增的方法将水灰比调整至胶砂流动度不小于180mm。,3.物理指标,强度 胶砂试件：40mm40mm160mm的标准试件。 标准养护条件：1d温度为201，相对湿度90以上的空气中带模养护；1d以后拆模，放入201的水中养护下养护。 龄期及强度：分别测定3d、28d龄期的抗折强度和抗压强度，即为水泥的胶砂强度。,3.

21、物理指标,强度,3.物理指标,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。,3.物理指标,水化热 水化热对工程的影响 对大体积砼工程：易产生温度裂缝。(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。) 对普通砼工程：能促进水泥的水化和水泥的强度发展。,3.物理指标,密度与堆积密度 硅酸盐水泥的密度一般为3.13.2g/cm3 ，普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥略低，矿渣硅酸盐水泥为2.83.0g/cm3

22、，火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥为2.72.9g/cm3 。水泥堆积密度除与矿物组成、细度有关外，主要取决于堆积的紧密程度。一般堆积密度为9001200kg/m3 ，紧密状态下可达1600kg/m3 。 水泥的密度、堆积密度是比较重要的两个物理指标，在进行混凝土、砂浆配合比设计和水泥贮运时都必须用到。,三、通用硅酸盐水泥的技术要求,合格品与不合品的判定 检验结果不符合化学指标、凝结时间、安定性、强度中的任何一项技术要求时，为“不合格品”。 检验结果符合化学指标、凝结时间、安定性、强度的规定，为“合格品”。,四、通用硅酸盐水泥的水化、凝结硬化与性能,硅酸盐水泥的水化 2(3CaOSiO2)

23、+ 6H2O = 3CaO2SiO23H2O + 3Ca(OH)2 C3S 水化硅酸钙 氢氧化钙 2(2CaOSiO2) + 4H2O = 3CaO2SiO23H2O + Ca(OH)2 C2S 水化硅酸钙 氢氧化钙 3CaOAl2O3 + 6H2O = 3CaOAl2O36H2O C3A 水化铝酸钙 4CaOAl2O3Fe2O3 + 7H2O = 3CaOAl2O36H2O + CaOFe2O3H2O C4AF 水化铝酸钙 水化铁酸钙 CaOAl2O36H2O+3(CaSO42H2O)+19H2O=3CaOAl2O33CaSO431H2O 水化硫铝酸钙,四、通用硅酸盐水泥的水化、凝结硬化与性

24、能,硅酸盐水泥的凝结硬化 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。 水泥的凝结硬化过程一个连续复杂的物理化学变化过程。,四、通用硅酸盐水泥的水化、凝结硬化与性能,水泥石的结构,A凝胶体（水化硅酸钙凝胶，及少量水化铁酸钙）； 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,水泥石是由水化产物(凝胶体、晶体)、未水化的水泥颗粒和毛细孔隙(水、空气)等组成的不均匀结构体。 水泥石各组成成分的相对含量取决于“水泥的水化程度”和“水灰比”。,四、通用硅

25、酸盐水泥的水化、凝结硬化与性能,影响水泥凝结硬化的因素 水泥矿物成分 水泥细度 石膏掺量 养护条件(温度和湿度)、养护龄期 拌合用水量(水灰比) 外加剂,通用硅酸盐水泥的特性及应用,1.硅酸盐水泥 凝结硬化快，强度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。 耐磨性好适用于高速公路、道路和地面工程。 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。,通用硅酸盐水泥的特性及应用,1.硅酸盐水泥 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。 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。,通用硅酸盐水泥的特性及应用,2.普通硅酸盐水泥 早期强度略低，后期强度高。 水化热略低。 抗渗性好，抗冻性好，抗碳化能力强。 抗侵蚀、抗腐蚀能力稍好。 耐磨性较好；耐热性能较好。 普