无机胶凝材料课案.ppt
第三章 无机胶凝材料,胶凝材料=有机胶凝材料+无机胶凝材料无机胶凝材料=水硬性胶凝材料+非水硬性胶凝材料有机胶凝材料:指以天然的或人工合成的高分子化合物为基本组分的一类胶凝材料。无机胶凝材料：指这样一类粉末，它与水或水溶液拌合后所形成的浆体，经过一系列的物理化学作用后能够逐渐硬化并形成具有一定强度的人造石。按水化生成物的类别分类，无机胶凝材料分为：1.以生成水化硅酸钙为主的；2.以生成水化铝酸钙为主的；3.以生成水化硫铝酸钙为主的；4.以生成氢氧化钙和碳酸钙为主的；5.以生成含水硫酸钙为主的；6.以生成含水氯镁盐为主的无机胶凝材料等。,无机胶凝材料的特点：原料丰富，能就地取材，生产成本低 耐久性好，适应性强，可用于水，海洋，炎热，寒冷的环境 耐火性好 维修工作量小，折旧费用低 作为基材组合或复合其他材料的能力强 有利于有效地利用工业废渣,3.1 水 泥,水泥的分类按照水泥的化学成分，可分为：硅酸盐系：包括各种普通的硅酸盐水泥和特种硅酸盐水泥 铝酸盐系：以铝酸钙为主要组成矿物的各种水泥 硫铝酸盐系：以硫酸盐或硫铝酸盐为主要矿物的各种水泥 磷酸盐系：以磷酸盐为主要组成的各种胶凝材料,2.按混合分类方法，可分为：一般水泥，包括硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥和掺混合材料的硅酸盐水泥；快硬高强水泥，包括高级水泥，快硬水泥，特快硬水泥，矾土水泥，磷酸锌水泥，硫铝酸盐型超早强水泥，硫铝酸盐型快硬水泥等；水工水泥及耐侵蚀水泥，包括抗硫酸盐硅酸盐水泥，大坝水泥，防潮硅酸盐水泥和耐酸水泥等；膨胀水泥，包括硅酸盐型膨胀水泥和自应力水泥，铝酸盐型膨胀水泥和自应力水泥，硫铝酸盐膨胀水泥和自应力水泥等；油井水泥及耐高温水泥，包括一般油井水泥，低温油井水泥，高温油井水泥和低钙铝酸盐型耐火水泥等；装饰水泥，包括白水泥和彩色水泥 地方性水泥，包括石膏矿渣水泥，石灰矿渣水泥，石灰火山灰水泥，赤泥硫酸盐水泥，无水石膏水泥等。,3.1.1 硅酸盐水泥 定义：凡由硅酸盐水泥熟料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。1.生产：两磨一烧（生料的配制与磨细；生料经煅烧使之部分熔融形成孰料；将熟料与适量石膏共同磨细）,硅酸盐水泥生产工艺流程示意图,原料主要是石灰质原料和粘土质原料两类石灰质原料：石灰石，白垩，石灰质凝灰岩等，主要提供CaO。粘土质原料：粘土，粘土质页岩，黄土等，主要提供SiO2，Al2O3以及少量的Fe2O3。,为了便于生产，要求所选原料的种类越少越好，多数水泥厂，生料是由三种原料组分所配成。原料中的杂质会给水泥质量带来损害：“死烧”生料的配制配合 磨细 混匀制成粉料、料球或料浆,制备生料的三种方法：干法，湿法，半干法,水泥熟料的煅烧水泥熟料的煅烧窑回转窑:钢制圆筒，筒体倾斜，窑头低，窑尾高，与地面成4的夹角，转速12rpm，燃料由窑头用喷雾送入窑内，由窑尾的喂料管喂入生料。特点：煅烧均匀，质量稳定，产量高立窑：物料自上落下，气流自下向上，物料的燃料进行燃烧而使生料烧结成熟料。,煅烧过程的发生的反应：500800，粘土质原料脱水分解为无定形的Al2O3和SiO2；600以后，石灰中的CaCO3开始分解；800以下生产CA（CaOAl2O3),C2S也开始形成。800900，C12S7开始形成。9001100，C2AS形成，随后又重新分解。C3A与C4AF开始形成。11001200，大量形成C3A和C4AF，C2S生生成量达到最大。12601300，水泥生料开始熔融，并出现液相，C2S吸收CaO生成C3S。13001450，C2A和C4AF呈熔融状态，产生的液相把CaO和部分C2S溶解于其中，在此液相中，C2S吸收CaO 形成C3S。这一过程是煅烧水泥的关键，必须有足够的时间使生成的C3S的反应完全，否则游离Ca过多将影响水泥的安定性。,.水泥熟料中的矿物硅酸三钙(C3S):在水泥熟料中的含量为3760%，为熟料中的主要成分。作用：在与水化之后早期强度及总强度较高，水化放热较多，凝结硬化快，是决定水泥早期强度和总强度的主要成分。C3S含量越高对水泥强度越有利。硅酸二钙(C2S):在水泥熟料中的含量为1537%，占第二位。作用：水化速度极慢，凝结硬化慢，水花热小，早期强度低，后期强度有较高的增进，是决定水泥后期强度的主要成分。铝酸三钙(C3A):在水泥熟料的含量为715%。作用：极强的水化能力，遇水后很快发生化学反应而迅速凝结。它放热总量居几种熟料矿物之首，而且又集中在水化前期(3d7d)放出，因此，是决定水泥水化放热的重要矿物。铝酸钙总强度不高，强度主要在水化前期形成。铁铝酸四钙(C4AF):在水泥熟料中的含量为1018%，其水化速度仅次于C3A，水化热小，主要后期放出。早期具有一定强度，但总强度低。,由上述可知，矿物组成中，以硅酸盐类为主，硅酸三钙和硅酸二钙的含量约为75%，它们是决定水泥强度的主要部分，后两种矿物在2025%。,硅酸盐水泥熟料主要矿物的特性,3 硅酸盐水泥的水化和硬化水泥和水拌合表面的熟料矿物立刻与水发生化学反应各组分开始逐渐溶解放出一定热量固相体积也逐渐增加。其反应式如下：,水泥的凝结硬化过程是很复杂的物理化学过程。下面仅作简单介绍。（1）水泥加水拌和后，未水化的水泥颗粒分散在水中，成为水泥浆体。（2）水泥表面开始与水发生化学反应，逐渐形成水化物膜层。（3）随着水泥颗粒不断水化，凝胶体膜层不断增厚而破裂，并继续扩展，在水泥颗粒之间形成网状结构，水泥浆体不断逐渐变稠，粘度不断增高，失去塑性，这就是水泥的凝结过程。（4）随着水化的不断进行，水化产物不断生成并填充颗粒之间空隙，毛细孔越来越少，使结构更加密实，水泥浆体逐渐产生强度而进入硬化阶段。,3.1.2 白色硅酸盐水泥和彩色硅酸盐水泥白色硅酸盐水泥简称白水泥，是以硅酸钙为主要成分，并大量减少氧化铁等着色化合物的熟料，加入适量的石膏，磨细制成的白色水硬性胶凝材料。磨制水泥时允许加入不超过水泥质量5的石灰石或窑灰（白度J70）作多为外加物，水泥粉磨时允许加入不损害水泥性能的助磨剂，加入量不得超过水泥质量的l。白色硅酸盐水泥熟料生产时严格控制着色物质（如氧化铁、氧化锰、氧化钛、氧化铬等），银烧时通常采用天然气、重油或煤气，不使用煤，粉磨水泥时采用硅质石材或坚硬的白色陶瓷作。材板及研磨体，所以白水泥价格贵。白水泥的技术性质要求有：（1）细度：白水泥的细度是0.080mm方孔筛筛余不得超过10。（2）凝结时间：白水泥的初凝时间不得早于4smin，终凝时不得迟于2h。（3）强度标号：白水泥有325、425、525、625四个标号，各龄期的强度值不得低于表的规定。,各龄措强度值,（4）白度：白度反映了白水泥的洁白程度。是将水泥装入压样器中，压成表面平整的白板，其表面对红、绿、蓝三原色的反射率，以相当于照射MgO标准白板表面的百分反射率表示。表3-3 白水泥的白度等级（5）质量等级根据白水泥的白度等级和标号将白水泥分为三个质量等级。,彩色水泥是以白色水泥或普通硅酸盐水泥为基础，加入耐碱类颜料，共同磨细制成。白色水泥和彩色水泥主要用于：建筑装饰工程的粉刷和雕塑，制造有艺术性的彩色混凝土或钢筋混凝土等各种装饰部件和制品，制造水磨石，人造大理石等。,石膏矾土膨胀水泥膨胀水泥是由无机胶凝材料和膨胀剂制成的。这种水泥在硬化工程中具有体积膨胀的特点，其膨胀作用是由于水化过程中形成了大量膨胀性的物质，如水化硫铝酸钙等。石膏矾土膨胀水泥是铝酸盐膨胀水泥的一种。由高铝水泥熟料，加入适量的半水石膏、石灰等，其比例为85：10：5，共同粉磨而成的膨胀水泥。产品按软练标号分为：325，425，525。技术要求：1d膨胀率不小于0.15%，28d的膨胀率为0.30.1%。初凝不早于1min，终凝不迟于5min。它的早期强度较高，具有快硬和膨胀特性。但抗冻性较差，不宜用于与碱介质接触的工程。主要用于防渗、修补和接缝工程中。,3.1.4 铝酸盐水泥定义：以铝酸盐为主要成分的水泥，主要有高铝水泥(矾土水泥)，铝酸盐膨胀水泥，铝酸盐耐火水泥等，其中高铝水泥为最重要的品种。高铝水泥：按国家标准规定，凡以铝酸钙为主，氧化铝含量约50%的熟料，磨制的水硬性胶凝材料。其化学成分波动范围如下：Al2O3:3360%CaO:3244%SiO2:311%Fe2O3:412%FeO:011%TiO2:13%MgO:2%K2O+Na2O:1%上述成分在熟料中形成的主要矿物是铝酸一钙(CA),高铝水泥的水化，凝结和硬化过程与硅酸盐水泥基本相同，不同点：水化产物和反应速度不一样。高铝水泥初凝不早于40min，终凝不得迟于10h。特点：早期强度增长较快，24h可达到极限强度的80%。具有很好的抗硫酸盐性能水化热与高标号的硅酸盐水泥大致相同，但放热速度特别快。施工时，最好使用未受阳光晒热的骨料和冷水。初步硬化获得必要强度后，尽快拆模，冷水冷却，防止阳光直接照晒。硬化过程中环境温度不得超过30。所制备的混凝土有一定的耐高温性，高温下能保持较高的强度。高铝水泥中掺加石膏或无水石膏，可有效地克服长期强度降低的现象。是一种快硬早强的水硬性胶凝材料，适用于军事工程，紧急抢修工程，严寒下施工以及要求早强的特殊工程。,3.2 镁质胶凝材料,3.2.1 镁质胶凝材料的原料镁质胶凝材料一般是指苛性苦土(MgO)和苛性白云石(主要成分MgO和CaCO3)。苛性苦土的主要原料是天然菱镁矿，苛性白云石的主要原料是天然白云石。菱镁矿的主要成分是MgCO3,并含有一些氧化硅，粘土，碳酸钙等杂质。白云石的成分是碳酸镁和碳酸钙的复盐，CaCO3MgCO3制造镁质胶凝材料的原料除了上述两种主要矿物外还有蛇纹石，其化学成分为含水硅酸镁，3MgO2Si2O2H2O。,镁质胶凝材料的煅烧镁质胶凝材料一般是将菱镁矿或天然白云石经煅烧再磨细而成，其细度为4900孔/cm2，筛余量不大于25%。菱镁矿的实际煅烧温度约为800850。白云石的实际煅烧温度为650760。避免煅烧温度过高。,3.2.3 氯化镁在氧化镁浆体的作用为了有效的使用镁质胶凝材料，要解决两个问题：加速MgO的溶解和降低体系的过饱和度。降低过饱和度的有效途径是提高水化产物的溶解度或者迅速形成复盐，因此，用氧化镁溶液代替水作MgO的调和剂是解决上述问题的途径之一。试验证明：以MgCl2溶液代替水来调制MgO时，可以加速其水化速度，并且能为之作用形成新的水化相，这种新的水化相的平衡溶解度比Mg(OH)高，因此其过饱和度也相应地降低。,3.2.4 镁质胶凝材料硬化强度与抗水性用氯化镁溶液调制的镁质胶凝材料硬化体的结构：多相多孔结构。特点：在干燥条件下，具有硬化快，强度高的特点。抗水性差掺入外加剂，少量的水溶性树脂可提高抗水性。,3.2.5 镁质胶凝材料的应用用氯化镁溶液调制的苛性苦土或苛性白云石，可用以制造防火装饰版，防火风管，刨花板，木屑板，人造大理石及其他建筑配件在用氯化镁调制的苛性苦土或白云石中加入发泡剂或加入泡沫，经成型硬化后成为轻质多孔的隔热制品,3.3 石膏,石膏矿我国的石膏资源极其丰富，分布很广。有自然界存在的天然二水石膏(CaSO42H2O，又称软石膏或生石膏)、天然无水石膏(CaSO4，又称硬石膏)和各种工业副产品或废料化学石膏。天然二水石膏是所有石膏相中最常见的一种，所以简称石膏。纯净的二水石膏是透明的或无色的，天然二水石膏矿往往含有较多杂质而呈现各种颜色。按石膏产品的形状，分为：透明石膏纤维石膏片状石膏土石膏,2.石膏变种的性能和结构石膏胶凝材料的生产，通常是用天然二水石膏加热脱水成为半水石膏或其他脱水石膏，然后再将脱水石膏加水，水化硬化而转变为二水石膏结晶结构的硬化体。,图3-8 石膏的变种,建筑石膏的技术性质建筑石膏的密度为2.52.8g/cm3，表观密度为8001000kg/m3。建筑石膏的技术要求主要有强度、细度和凝结时间。按强度和细度的差别，建筑石膏划分为优等品、一等品和合格品三个等级建筑石膏的特点(1)凝结硬化快(2)凝固时体积微膨胀(3)孔隙率大，表观密度小，绝热、吸声性能好(4)具有一定的调温调湿性(5)防火性好，但耐火性差(6)耐水性、抗冻性差,建筑石膏的技术要求(GB 977688),3.3.3 石膏浆体的硬化和强度发展过程水化过程：半水石膏和水反应生成二水石膏的过程。由于半水石膏的溶解度比二水石膏的大（约四倍），所以，二水石膏处于过饱和状态，不断从溶液中析晶，水解反应不断右移，直至半水石膏全部转变成二水石膏。,凝结过程：可塑性浆体失去可塑性，开始产生强度的过程。,硬化过程：失去可塑性浆体强度增加的过程。石膏晶体数量增加，晶体长大，彼此连生，相互交错，形成结晶网，产生强度。,以上三个过程是相互交错，连续进行的。,3.3.4 提高石膏硬化浆体抗水性的途径保证石膏硬化浆体结晶结构的形成；在保证一定强度的前提下，减少接触点的数量；保证石膏硬化浆体有较高的密实度；要从根本上解决石膏的抗水性，就要采取措施从根本上改变石膏硬化体的结构。如加入适量的硅酸盐水泥或其他含活性二氧化硅，三氧化二铝等外加剂。,3.3.5 石膏的应用室内抹灰和粉刷 石膏制品 石膏板 小型石膏砌块 中型石膏（砌块）条块 装饰面板 隔声板,
