无机胶凝材料教学课件PPT.ppt

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1、第3章 无机胶凝材料,本章主要内容,3.1 胶凝材料概述3.2 气硬性胶凝材料()3.3 硅酸盐水泥()3.4 掺混合材料的硅酸盐水泥3.5 其他水泥本章练习题,本章要求,掌握石膏、石灰及水玻璃等气硬性胶凝材料的硬化机理、性能及使用要点，熟悉其主要用途；熟悉硅酸盐水泥的矿物组成，了解其硬化机理，熟练掌握几种通用硅酸盐水泥的性能特点、相应的检测方法及选用原则；了解特性水泥和专用水泥的主要性能及使用特点。,胶凝材料(Cementitious Material,Binding Material),3.1 胶凝材料概述,凡是自身或与其他物质(如水等)混合后，经过一系列物理、化学作用，能由浆体变成坚硬的

2、固体，并且能将散粒材料(如砂、石等)或块状材料(如砖、石块等)胶结成整体，具有一定强度的物质，称为胶凝材料。,3.1.1 定义,无机胶凝材料（矿物胶凝材料）,3.1.2 胶凝材料的分类,有机胶凝材料(沥青材料及树脂等),硬化条件,气硬性胶凝材料只能在空气中硬化、保持或发展强度，如石膏、石灰等,水硬性胶凝材料不仅能在空气中，而且能更好地在水中硬化，保持并发展其强度，如各种水泥,化学组成,原料丰富，生产成本较低；维护成本较低；防火性好，耐久性较好，适应性强；组合或复合其它材料的能力强；可有效地利用废渣（如水泥、混凝土中使用混合材、掺合料）。,3.1.3 无机胶凝材料的特点,(1)粘土时代：,3.1

3、.4 胶凝材料的发展简史,粘土时代石灰/石膏时代罗马砂浆（水泥）硅酸盐水泥,白灰面：是至今被发现的中国古代最早的胶凝材料。始于400010000年前的新石器时期。中国在仰韶文化时期（前5000前3000年），用“白灰面”涂抹山洞、地穴的地面和四壁，使其光滑和坚硬。它因呈白色粉末状而得名，由天然姜石磨细而成。姜石是黄土中的钙质结核（SiO2较多），,黄泥浆：前16世纪的商代，除继续用“白灰面”抹地外，开始采用黄泥浆砌筑土坯墙。战国时期（前403-前221）用草拌黄泥浆筑墙，还用它在土墙上衬砌墙面砖。,在中国建筑史上，“白灰面”很早被淘汰，而黄泥浆和草拌黄泥浆作为胶凝材料则一直沿用到近代社会。,石

4、灰+水：公元前7世纪的周朝出现石灰（大蛤的外壳烧制而成）。秦汉时期，砖石结构建筑占重要地位，促使石灰制造业迅速发展。用浆体（石灰+水）砌筑条石、砖墙和砖石拱以及粉刷墙面。汉代，石灰的应用很普遍。在秦、汉、明3个朝代中，石灰胶凝材料发展到较高水平，石灰被大量用于修建长城。,(2)石灰/石膏时代：（火的使用）,清代营造法原：石灰烧制工艺与其性能之间的关系,明代天工开物：石灰的生产方法,3.1.4 胶凝材料的发展简史,万 里 长 城,大约在公元前3000公元前2000年间，使用石灰、石膏作建筑胶凝材料建造了许多伟大的建筑物(Pyramid in Egypt)。如，埃及古王国时期（公元前3000年左右

5、）的大金字塔，是用石膏砂浆胶结石块和石板砌筑的。公元前8世纪古希腊人就已使用石灰。罗马人用石灰砂浆作为墙体砌筑材料。古希腊人和古罗马人利用火山灰掺入石灰中制作砂浆，用它砌筑的构筑物坚固耐久。这种胶凝材料曾延续使用了相当长的一段历史时期，直到罗马水泥和波特兰水泥问世，才逐渐被取代。,(2)石灰/石膏时代：,3.1.4 胶凝材料的发展简史,古埃及金字塔,在欧洲大陆使用“罗马砂浆”的时候，遥远的东方中国也在使用与之类似的“三合土”。,三合土：公元5世纪（南北朝），出现“三合土”，由石灰、黏土和细砂组成。到明代，有“石灰+陶粉+碎石”组成的“三合土”；清代，除“石灰+黏土+细砂”、“石灰+炉渣+砂子”

6、组成的“三合土”。“三合土”经夯实后不仅具有较高的强度，还有较好的防水性，在清代还用于夯筑水坝。,3.1.4 胶凝材料的发展简史,(2)石灰/石膏时代：,古希腊人和罗马人发现石灰和磨细火山灰的混合料具有水硬性，不仅能提高强度，而且能御水的侵蚀。由此发明了“石灰-火山灰-砂子”三组分砂浆，称为“罗马砂浆”。,清康熙乾隆年间，北京卢沟桥南北岸，用糯米汁拌“三合土”建筑河堤数里，使北京南郊从此免去水患之害。,石灰掺有机物的胶凝材料（中国古代）：如“石灰-糯米”，“石灰-桐油”，“石灰-血料”，以及“石灰-糯米-明矾”等。另外，在使用“三合土”时，掺入糯米和动物血等有机物。,3.1.4 胶凝材料的发展

7、简史,(2)石灰/石膏时代：,罗马水泥、天然水泥：到10世纪后半期，先后出现了用粘土质石灰石经煅烧后制成的水硬性石灰和罗马水泥。并在此基础上，发展到用天然泥灰岩（粘土含量20%-25%左右的石灰石）煅烧，磨细制得天然水泥。硅酸盐水泥（波特兰水泥)的诞生：1824 年,英国利兹（Leeds）城的泥水匠阿斯谱丁（Joseph Aspdin）发明“波特兰水泥”，获得了波特兰水泥的专利权。糯米、红糖、植物粘液等都作为胶凝材料的有机掺加料而在建筑中使用过。,(3)水泥时代：,3.1.4 胶凝材料的发展简史,3.2 气硬性胶凝材料,3.2.1 制作石膏的原料种类,用于制造石膏胶凝材料的石膏有：天然二水石膏

8、 化工石膏 天然无水石膏,石膏,天然二水石膏,生产石膏胶凝材料的主要原料。纯净的天然二水石膏矿石（CaSO42H2O）呈无色透明或白色，但常含各种杂质而呈灰、褐、黄、红或黑等颜色。,3.2.1 制作石膏的原料种类,化工石膏,指一些含有CaSO42H2O与CaSO4混合物的化工副产品及废渣，也可作为生产石膏的原料。例如磷石膏（制造磷酸时的废渣）。此外还有盐石膏、硼石膏、黄石膏、钛石膏等。,3.2.2 石膏胶凝材料的种类,（1）建筑石膏（半水石膏）,以半水石膏（-CaSO41/2H2O）为主要成分，不预加任何外加剂的粉状胶结料，主要用于制作石膏建筑制品。,建筑石膏的凝结硬化过程,硬化后体积略膨胀(

9、膨胀量0.5%1%)，干燥时不开裂，可不加填充料而单独使用，同时有良好的防火性能；调制成一定稠度浆体时，需水量较大，硬化后多孔性，表观密度小，导热性较差，晶体较细，因而强度较低；很强吸湿性，耐水性及抗冻性较差,3.2.2 石膏胶凝材料的种类,（2）高强度石膏,二水石膏在0.13MPa、125的条件下蒸压，或置于某些盐溶液中沸煮，可获得晶粒较粗、较致密的型半水石膏(-CaSO41/2H2O)，即为高强石膏。高强石膏晶粒粗大，调制成浆体时需水量较小（建筑石膏的一半），因而其制品密实度和强度均较建筑石膏大。,适用于强度较高的抹灰工程、制成石膏制品和石膏板等。,天然二水石膏在600800煅烧后得到不溶

10、性无水石膏。加入适量催化剂，共同磨细制成气硬性胶凝材料无水石膏水泥。,（3）高温煅烧石膏（无水石膏水泥）,无水石膏水泥具有较高强度，可用于配制建筑砂浆、保温混凝土、抹灰、制造石膏制品和石膏板等。,3.2.2 石膏胶凝材料的种类,3.2.3 建筑石膏的技术特性,（1）水化作用快，凝结硬化快。建筑石膏初凝仅5min，终凝2030min，一周后即完全硬化。需加入缓凝剂：骨胶、皮胶、纸浆废液、硼砂等。,（2）硬化后孔隙率较大，强度较低。,3.2.3 建筑石膏的技术特性,硬化石膏结构,建筑石膏的强度指标,此外，建筑石膏的技术要求还包括细度和凝结时间。,3.2.3 建筑石膏的技术特性,（3）硬化后具有保温

11、隔热和吸声性能（4）水化硬化时体积稍有膨胀（5）石膏制品具有良好的防火性（6）建筑石膏制品耐水性（软化系数0.20.3）、抗冻性差（7）石膏制品有良好的可加工性（8）石膏制品装饰性好,3.2.4 建筑石膏的应用,（1）制备石膏砂浆和粉刷石膏（2）石膏板及装饰件,3.2.5 石膏装饰制品,1.装饰石膏板2.纸面石膏板3.石膏空心条板 4.纤维石膏板 5.艺术装饰石膏制品,（1）原料建筑石膏少量玻璃纤维增强材料聚乙烯醇外加剂水,1.装饰石膏板（GB9777-88）,（2）生产搅拌注模成型硬化干燥,（3）装饰石膏板分类及代号,（4）主要品种及规格,根据功能不同分为：普通装饰吸声石膏板高效防水装饰吸声

12、石膏板吸声石膏板,（5）特点及应用,1.装饰石膏板（GB9777-88）,装饰性好；性能优异；加工性能好；施工方便，工效高。,2.纸面石膏板（GB9775-88）,以建筑石膏为主要原料，掺入纤维及外加剂构成芯材，并与护面纸牢固地结合在一起的建筑板材称为纸面石膏板。,由于其两面贴以特制的厚纸护面，抗折强度高，挠度变形要比无护面纸的石膏板小得多。,品种有：普通纸面石膏板耐火纸面石膏板耐水纸面石膏板装饰吸声纸面石膏板,特点：质轻、抗弯强度高、防火、隔热、隔声、抗震性能好，收缩率小、可调节室内湿度。普通纸面石膏板和耐火纸面石膏板幅宽平整，易于加工，劳动强度小，工效高。,3.嵌装式装饰石膏（GB9778

13、-88）,无护纸板，板材背面中间凹入而四周边加厚，并制有嵌装沟槽，板材正面为平面或者带有一定深度的浮雕花纹图案，也可穿以盲孔。,特点：质轻、强度较高、吸声、防潮、防火、阻燃、不变形、可调节室内湿度；装饰性好，施工安装方便。可锯、刨、钉、粘贴。,应用 室内顶棚装饰及某些部位的墙面装饰,4.艺术装饰石膏制品,品种有：浮雕艺术石膏线角、线板、花角 浮雕艺术石膏灯圈 装饰石膏柱、石膏壁炉 石膏花饰,石膏角线,？观察与讨论,请观察下图建筑石膏粉，并分析是否宜用此石膏粉作粘结或制作石膏制品。,建筑石膏粉易吸潮，影响使用时的凝结硬化性能，长期储存也会降低强度，因此，建筑石膏粉存贮时必须防潮，储存时间不宜过长

14、，一般不超过3个月。,该建筑石膏粉已吸潮结粒，对凝结硬化性能及强度均有影响，已不宜使用。,石灰吟于谦明 千锤万凿出深山，烈火焚烧若等闲；粉骨碎身浑不怕，要留清白在人间。,3.2.6 石灰的生产,石灰,3.2.6 石灰的生产,1）原料：,以碳酸钙为主要成分的天然原料，如石灰岩（limestone）、白垩、白云质石灰岩、贝壳等，经煅烧而得的块状产品，称为生石灰（主要成分CaO）。,石灰岩,白云质石灰岩,白垩,贝壳,原料成分,3.2.6 石灰的生产,2）生产工艺,生产设备：石灰窑（Lime kiln）,土窑,节能型石灰立窑河北唐山丰南石源冶金炉料公司（2002.5,480t/d),回转窑武钢乌龙泉矿

15、（600t/d）,气烧石灰竖窑唐山三丰集团4140m3（2003.10）,为加快煅烧，煅烧温度常高达10001100,欠火石灰：温度太低或温度分布不均，CaCO3分解不完全；过火石灰：温度太高，CaO结构致密，与水反应（水化）较慢；正火石灰（Normally burnt lime）：质轻色匀，密度3.2g/cm3，堆积表观密度8001000kg/m3,镁质石灰：MgO5%，熟化和硬化较慢，但强度较高，产浆量少钙质石灰：MgO5%,3.2.7 石灰的熟化（消解）,1.熟化特点：（1）放热量大：64.9kJ（2）体积膨胀：12.5倍,根据熟化时加水量的不同，熟石灰可呈粉状或浆状,2.熟化方法（1）

16、消石灰粉法：理论加水量为CaO质量32%，实际70%左右。一般多在工厂中进行（2）石灰浆（膏）法（lime emulsion）,石灰熟化示意图,欠火石灰：含有的CaCO3硬块不能熟化，形成渣子过火石灰：CaO结构紧密，且表面有玻璃状硬壳，熟化慢，用于建筑物时易引起裂缝或局部脱落现象（因浆体硬化后再继续熟化而产生膨胀）。,3.2.7 石灰的熟化（消解）,3.陈伏为消除过火石灰的危害，石灰浆应在消解坑中存放2周以上，使未熟化的颗粒充分熟化。,注意：陈伏期间，石灰浆表面应覆盖一层水，以避免碳化,3.2.8 石灰的硬化,1.硬化过程：,（2）碳化过程：,石灰浆的硬化是个缓慢的过程（由表及里）,（1）结

17、晶过程：石灰浆失水（蒸发或被吸收），Ca(OH)2从饱和溶液中析晶,3.2.8 石灰的硬化,2.硬化特点：（1）硬化收缩大，易产生收缩裂缝；（2）石灰硬化体孔隙率大、密实度小、强度低；（3）耐水性差。,3.2.4 石灰、熟石灰及石灰石之间的关系,石灰（CaO）,H2O,高温（900）,CO2+H2O,熟石灰（Ca(OH)2）,石灰石（CaCO3）,3.2.9 石灰的性质与技术要求,（1）石灰的性质,可塑性好；硬化较慢，强度低；硬化时体积收缩大；（掺入砂、纤维材料）耐水性差；石灰吸湿性强。,建筑石灰,建筑生石灰,建筑生石灰粉,建筑消石灰粉,3.2.9 石灰的性质与技术要求,（2）建筑石灰的技术要

18、求,石灰产品标准 技术指标建筑生石灰(JC/T479-92):CaO+MgO含量、未消化残渣含量、CO2、产浆量建筑生石灰粉(JC/T480-92)：CaO+MgO含量、CO2、细度建筑消石灰粉(JC/T481-92)：CaO+MgO含量、游离水、体积安定性、细度,根据其各项技术指标分为优等品、一等品及合格品。,表3-2 生石灰技术指标(JC/T 479-92),表3-3 生石灰粉的技术指标(JC/T 480-92),表3-4 建筑消石灰粉的技术指标,3.2.10 石灰的应用,(1)石灰乳涂料：(2)配制砂浆：(3)石灰土和三合土：生石灰+粘土：配制灰土或再加入砂子配制三合土；(4)磨细生石灰

19、粉制作硅酸盐制品及无熟料水泥、灰砂砖、粉煤灰砖、粉煤灰砌块、硅酸盐砌块等，也用于拌制灰土或三合土；(5)磨细生石灰+纤维状填料或轻质骨料，经搅拌成型及人工碳化制作碳化石灰板隔墙板、天花板,表3-5 各类石灰的用途,问 题？,1.过火石灰有什么危害？应如何消除？答：过火石灰密度较大，且颗粒表面有玻璃釉状物包裹，水化消解很慢，在正常石灰水化硬化后再吸湿水化，产生体积膨胀，影响体积稳定性。可采用延长石灰的熟化和陈伏期，或过滤掉。2.石灰硬化过程中，为什么容易开裂？使用时应如何避免？答：石灰浆体的硬化是靠水分的大量挥发，体积显著收缩，因而容易导致开裂。在使用时，避免单独使用，可掺加一些砂子、麻刀丝或纸

20、筋等。,水玻璃,（1）组成 俗称泡花碱，是由不同比例的碱金属氧化物和SiO2结合而成的一种可溶性硅酸盐。如钠水玻璃(Na2OnSiO2)、钾水玻璃(K2OnSiO2)。建筑上常用硅酸钠的水溶液，无色、青绿色或棕色粘稠液体。,（2）水玻璃硅酸盐模数（或水玻璃模数）水玻璃中SiO2与Na2O的物质的量比值（分子数比值）。n值越大，水玻璃中胶体组分愈多，粘性愈大，越难溶于水，但越容易分解硬化，黏结能力较强。建筑中常用水玻璃模数n=2.53.5,（3）硬化 水玻璃在空气中吸收CO2，析出二氧化硅凝胶，并逐渐干燥脱水成为氧化硅而硬化。,空气中CO2浓度较低，为加速水玻璃的硬化，常加入氟硅酸钠(Na2Si

21、F6)作为促硬剂（掺入量水玻璃质量12%-15%）,以促使二氧化硅凝胶加速析出。,3.2.11 水玻璃,（4）性质水玻璃黏结力强，抗渗性能好；不燃烧，耐高温，耐热性好；耐酸性好；耐碱性和耐水性差。,3.2.11 水玻璃,（5）用途在建筑工程中主要有以下几方面用途：1）作为灌浆材料加固地基；2）涂刷材料（砼、砖、石及硅酸盐制品）表面，提高材料密实性和抗风化性；3）与耐酸填料和骨料配制耐酸砂浆和耐酸混凝土；4）配制耐热砂浆和耐热混凝土；5）掺入砂浆或混凝土中，用于堵漏抢修等。,3.2.11 水玻璃,灌浆材料：抗水分散、防止 管片上浮、抗渗、微膨胀等性能,3.3 硅酸盐水泥,3.3 通用硅酸盐水泥的

22、组成与技术要求,3.3.1 水泥概述3.3.2 硅酸盐水泥的组成材料3.3.3 硅酸盐水泥的水化和硬化 3.3.4 通用硅酸盐水泥的技术要求3.3.5 水泥的腐蚀与防止,3.3.1 水泥概述,水泥,建筑工程中三大材料,钢材,木材,水泥：凡磨细成粉末状，加入适量水后，可成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等材料牢固胶结在一起的水硬性胶凝材料，通称为水泥。,（1）水泥的定义,粘土时代石灰时代罗马砂浆（水泥）硅酸盐水泥,大约在公元前3000公元前2000年间，使用石灰、石膏作建筑胶凝材料建造了许多伟大的建筑物，如Pyramid in Egypt。,古罗马人发现石灰和磨细的火山

23、灰具有水硬性，发明了“石灰-火山灰-砂子”三组分砂浆，称为“罗马砂浆”。,1824 年,英国利兹（Leeds）城的泥水匠阿斯谱丁（Joseph Aspdin）发明“波特兰水泥”，获得了波特兰水泥的专利权。,（2）水泥的历史及发展现状,粘土时代：,白灰面：始于400010000年前的新石器时期。中国在仰韶文化时期（前5000前3000年），用“白灰面”涂抹山洞、地穴的地面和四壁，使其光滑和坚硬。它因呈白色粉末而得名，由天然姜石磨细而成，是至今被发现的中国古代最早的胶凝材料。,黄泥浆：前16世纪的商代，除“白灰面”外，开始采用黄泥浆砌筑土坯墙。战国时（前403-前221）用草拌黄泥浆筑墙、在土墙上

24、衬砌墙面砖。,中国的建筑胶凝材料发展有着自己的漫长的历史过程：白灰面黄泥浆石灰三合土石灰掺有机物的胶凝材料。,（2）水泥的历史及发展现状,石灰+水：公元前7世纪（周朝）出现石灰。秦汉时，砖石结构建筑占重要地位，石灰制造业迅速发展。用浆体（石灰+水）砌筑条石、砖墙和砖石拱以及粉刷墙面。到汉代，石灰的应用很普遍。在秦、汉、明3朝中，石灰胶凝材料发展到较高水平，石灰被大量用于修建长城。,石灰时代：,（2）水泥的历史及发展现状,三合土：公元5世纪（南北朝），出现“三合土”，由石灰、黏土和细砂组成。到明代，有“石灰+陶粉+碎石”组成的“三合土”；清代，除“石灰+黏土+细砂”、“石灰+炉渣+砂子”组成的“

25、三合土”。“三合土”经夯实后不仅具有较高的强度，还有较好的防水性，在清代还用于夯筑水坝。“三合土”与“罗马砂浆”有许多类似之处。,石灰掺有机物的胶凝材料：如“石灰-糯米”，“石灰-桐油”，“石灰-血料”，以及“石灰-糯米-明矾”等。另外，在使用“三合土”时，掺入糯米和动物血等有机物。,石灰时代：,（2）水泥的历史及发展现状,中国最早水泥厂是澳门青洲英坭厂。始建于1886年，外国立窑技术。1906年河北唐山启新洋灰公司,正式生产水泥,年产4万t。,1949年，全国水泥产量66万t,水泥品种只有一个。1980年1亿t,1990年2亿t,2000年5.5亿t,2008年约15亿t,品种几十个。,水泥

26、,（2）水泥的历史及发展现状,硅酸盐水泥,铝酸盐水泥(高铝),水泥,矿物组成,硫(铁/氟)铝酸盐水泥,少熟料或无熟料水泥,每一品种的水泥根据其胶结强度的大小分为若干强度等级，使用水泥必须注意区分水泥品种和强度等级，掌握其性能特点和使用方法，根据工程具体情况合理选择与使用水泥。,按矿物组成分,（3）水泥的分类,水泥强度等级（补充）,将水泥、标准砂和水按13.00.5的比例，制成40mm40mm160mm的标准试件，在标准养护条件下（1d内为201摄氏度、相对湿度为90%以上的空气中，1d后为201摄氏度的水中）养护至规定的龄期，分别按规定的方法测定其3d和28d的抗折强度和抗压强度。根据测定的结

27、果划分水泥强度等级。如硅酸盐水泥（P./P.）分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5和62.5R六个强度等级（分别代表试件28d的抗压强度标准值的最小值为32.5MPa、42.5MPa、52.5MPa、62.5MPa，带R的为早强型等级）,通用水泥,专用水泥,用途,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,火山灰质硅酸盐水泥,粉煤灰硅酸盐水泥,复合硅酸盐水泥,砌筑水泥,道路水泥,油井水泥等,快硬水泥,白色水泥,中热、低热水泥,抗硫酸盐水泥等,按性能及用途分类,（3）水泥的分类,以硅酸盐水泥熟料和适量石膏，及规定的混合材料制成的水硬性胶凝

28、材料，称为通用硅酸盐水泥。,硅酸盐水泥的生产,)原料,配料准确,石灰质原料,粘土、黄土和页岩等,铁矿石、砂岩等,石灰石、白垩等,硅酸盐水泥熟料,粘土质原料,辅助原料,提供CaO,SiO2、Al2O3及少量Fe2O3,校正Fe2O3 或SiO2的不足,细度合要求,原料均化,适当煅烧,（4）水泥的生产与可持续发展,凡由硅酸盐水泥熟料加适量石膏、或者再加入不超过5%的石灰石或料化高炉矿渣磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。,硅酸盐水泥,硅酸盐水泥熟料,由主要含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的原料，按适当比例磨成细粉烧至部分熔融所得以硅酸钙为主要矿物成分的水硬性胶凝物质。其中硅酸钙矿物

29、不小于66%，氧化钙和氧化硅物质的量比不小于2.0。,型硅酸盐水泥,型硅酸盐水泥,不掺加混合材，代号P,掺加不超过水泥质量5%的混合材，代号P,硅酸盐水泥熟料的定义,制备生料、煅烧熟料和粉磨水泥三个主要阶段，简称“两磨一烧”。,硅酸盐水泥的生产,)生产工艺过程,（4）水泥的生产与可持续发展,阶段：生料的干燥与脱水碳酸钙的分解固相反应烧成阶段熟料冷却,硅酸盐水泥的生产,)煅烧的物理化学过程,（4）水泥的生产与可持续发展,800 生料干燥与脱水，有机物烧尽，粘土中高岭土(kaolinite)脱水并分解为无定形SiO2和Al2O3。,8001000 CaCO3分解，CaO与SiO2和Al2O3发生固

30、相反应。,硅酸盐水泥的生产,)煅烧的物理化学过程 具体过程：,（4）水泥的生产与可持续发展,10001300 固相反应，形成C2S，C3A和C4AF。,130014501300 C3A和C4AF熔融，C2S吸收CaO形成C3S，未被吸收的CaO称为f-CaO。足够的温度并停留适当长的时间，使CaO被吸收完全，形成足够多的C3S,1300大气温度 熟料冷却，要求急速冷却，目的是防止-C2S转变为-C2S；阻止C3S的分解；减少MgO结晶成方镁石。熟料急冷有利于提高熟料质量，改善熟料的易磨性，以及水泥粉磨的节能高产,熟料中加入适量的石膏共同磨细，即得到硅酸盐水泥。,熟 料,)煅烧的物理化学过程：,

31、化学成分:CaO：6468%,SiO2：2123%,Al2O3：47%,Fe2O3：35%.,(2)硅酸盐水泥熟料的成分/硅酸盐水泥的成分,其他成分：,氧化镁(MgO)：三氧化硫(SO3)：游离氧化钙(f-CaO)：碱份(K2O、Na2O),氧化镁(MgO)：三氧化硫(SO3)：游离氧化钙(f-CaO)：碱份(K2O、Na2O),体积安定性,水泥中小于5%,硅酸盐水泥3.5%,熟料12%,耐久性,(2)硅酸盐水泥熟料的成分/硅酸盐水泥的成分,其他成分：,矿物组成：主要有四种主要矿物：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙，前两种为硅酸盐矿物(7582%)，后两种为熔剂矿物(1825%)。,(

32、2)硅酸盐水泥熟料的成分/硅酸盐水泥的成分,硅酸盐水泥矿物组成与含量,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,（二）石膏,(1)天然石膏,(2)工业副产石膏,以硫酸钙为主要成分的工业副产物。采用之前应经试验证明其对水泥性能无害。,水泥行业是资源和能源消耗的主要产业之一，每生产1t水泥需要消耗:约1t石灰石200kg粘土消耗燃煤230kg75kWh电。其生产带来环境污染：排放CO2、NO、SO2和粉尘。,水泥工业的可持续发展,（4）水泥的生产与可持续发展,搞好节能降耗工作，改进水泥生产技术和设备，发展生态水泥，保护生态环境，已成为水泥工业可持续发展的必然要求。,生态

33、水泥（eco-cement）就是利用各种废弃物，包括各种工业废料、废渣以及城市生活垃圾作为原材料制造的水泥。,促进水泥生产的清洁发展机制；另一方面增加水泥中混合材掺量来降低CO2排放。,水泥工业的可持续发展,（4）水泥的生产与可持续发展,3.3.2 硅酸盐水泥熟料的水化,（一）各熟料矿物的水化,加入石膏后，C3A水化形成三硫型水化硫铝酸钙，称为钙矾石，即AFt（而单硫型水化硫铝酸钙简称AFm）。AFt可在C3A表面形成包裹层而阻止C3A的进一步水化，因此可避免C3A的“闪凝”。,在没有掺入石膏的情况下，C3A急速水化，使水泥“闪凝”：,因此，为避免水泥的“闪凝”，应加入适当石膏。,（一）各熟料

34、矿物的水化,C3A：水化速度极快，水化热最大且集中在早期释放，硬化时体积减缩。早期强度增长很快，但强度不高，以后几乎不增长或倒缩C3S：水化较快，水化热较大且主要水化早期释放。强度最高，且强度增进率大，是决定水泥强度的主要矿物。C2S：水化最慢，水化热小且主要在后期释放。早期强度不高，但后期增长率高，保证水泥后期强度的主要矿物。C4AF：水化快，仅次于C3A，水化热中等，强度较低。,（1）各熟料矿物的特性,强度大小：C3S、C2SC3AC4AF,水泥熟料各矿物强度增长曲线,（1）各熟料矿物的特性,（1）各熟料矿物的特性,几种矿物性能表现不同：当相对含量改变时，水泥技术性能也将发生改变。,（1）

35、各熟料矿物的特性,水泥的矿物组成及性质,（2）各熟料矿物的特性（水泥的矿物成分与性能）,（二）硅酸盐水泥的凝结硬化过程,水泥加水拌合后，成为可塑性水泥浆，水泥浆逐渐变稠失去塑性，但尚不具有强度的过程，成为水泥的凝结。水泥的水化和凝结是从水泥颗粒表面开始，逐渐往水泥颗粒的内核深入进行。,1.水泥颗粒表面水化溶液 饱和溶液 2.水化产物以凝胶和晶体析出凝胶包裹层反应速度减慢水泥浆保持塑性 3.凝胶破裂反应速度加快 凝胶在水泥粒子之间形成凝聚的网状结构 水泥浆失去塑性 4.凝胶和晶体越来越多填充并硬化水泥石的毛细孔 水泥石的强度和胶结能力随龄期增长 5.在空气中硬化(碳化)Ca(OH)2+CO2 C

36、aCO3+H2O,（二）硅酸盐水泥的凝结硬化过程,（二）硅酸盐水泥的凝结硬化过程,水泥浆体物理-力学性质随时间的变化,（二）硅酸盐水泥的凝结硬化过程,（二）硅酸盐水泥的凝结硬化过程,注意,1）早期硬化速率影响水泥石的强度。强度发展主要源于硅酸钙的水化。水泥强度随龄期增长，28d以前增长较快，以后较慢。,2）水泥石由水化产物（主要是C-S-H 凝胶，其中含凝胶孔）、未水化水泥颗粒、毛细孔（毛细孔水）等组成的非均质结构体。各组成部分相对含量，主要决定于水化程度和水灰比。,3）熟料矿物成分、水泥的细度、石膏掺量、养护时间、温度和湿度、水灰比对水泥石的强度及发展影响较大。,（二）硅酸盐水泥的凝结硬化过

37、程,3.3.3 硅酸盐水泥的技术性质,（1）物理指标,凝结时间,标准稠度的水泥净浆从加水开始，到浆体失去可塑性所需的时间：初凝时间：自加水时起至标准稠度的水泥净浆塑性开始降低的时间；终凝时间：自加水时起至标准稠度的水泥净浆完全失去塑性的时间。,水泥的凝结时间在施工中具有重要意义。硅酸盐水泥：初凝时间45min，终凝时间390min。,3.5.4 通用硅酸盐水泥的技术要求,凝结时间,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,检测方法,引起水泥安定性不良的因素：f-CaO沸煮法f-MgO压蒸法石膏常温浸水,沸煮法,压蒸法,试饼法,雷氏法,浸水法检测SO3及石膏对水泥体积安定性的危害,压

38、蒸釜,体积安定性试验-试饼法,体积安定性试验-试饼法,体积安定性试验-雷氏法,体积安定性试验-雷氏法,体积安定性试验-雷氏法,强度,水泥的强度等级是按规定龄期水泥胶砂试件的抗压强度和抗折强度来划分的。硅酸盐水泥强度分六个等级(P69表3-8),检验方法按照GB/T17671(ISO)进行：胶砂比1:3，水灰比0.5。水泥强度等级与水泥的矿物成分及细度有关。,标准GB175-2007规定：,试验方法：七项“标准法”,返回,1 标准配和比,2 标准搅拌,3 标准试模尺寸,4 标准成型,5 标准振捣,6 标准养护条件,7 标准破型,标准配和比,标准搅拌,标准试模尺寸,标准成型,标准振捣,标准养护条件

39、,标准破型方法,标准破型方法和计算方法,细度,是指水泥颗粒的粗细程度,是影响水泥品质的重要因素,a)对性能影响：水泥颗粒细度直接影响水泥凝结硬化及强度：水泥越细，水化越迅速而充分，凝结越快，早强越高；但水泥的粉磨电耗增大，硬化时收缩也大，易碳化而不宜久置,b)表征：水泥的细度用筛析法或比表面积法来检测。,筛析法：80m或45m方孔筛的筛余量来表示。比表面积法：1kg水泥所具有的总表面积（m2）来表示。,硅酸盐水泥的比表面积用透气(勃氏)法，应300m2/kg。,水泥净浆达到标准稠度所需的拌和水量(与水泥的质量比)。水泥标准稠度用水量与熟料矿物成分、水泥细度有关，能在一定程度上影响水泥的性能。硅

40、酸盐水泥的标准稠度用水量在24%30%之间。,标准稠度用水量（需水量）,国标规定：释放试杆30秒时沉入试模282mm时的稠度,标准稠度,定义,不同的水泥的标准稠度用水量不相同。经验（快）23%33%之间。试验（准）试杆法经验+试验 又快又准,标准稠度用水量,水泥在水化过程中所放出的热量，称为水泥的水化热（kJ/kg）,水泥水化热的大小及放热速率主要决定于水泥熟料的矿物组成及细度等因素。大部分水化热在水化初期放出，后期放热逐渐减少。,测定方法有直接法（蓄热法）和溶解热法,水化放热对大体积混凝土非常不利,水化放热使建筑物表面与内部产生较大的温度差，引起局部温度应力。因此，大体积混凝土工程应使用低放

41、热量水泥,水化热,碱含量,选择性指标：要求提供低碱水泥时。要求：Na2O+0.658K2O计，0.60%,硅酸盐水泥3.13.2 g/cm3，松散堆积表观密度9001300 kg/m3，紧密堆积表观密度14001700 kg/m3,密度和表观密度,硬化水泥石受环境条件和周围介质的物理和化学作用，其内部结构遭到破坏，导致强度降低，甚至造成建筑物的破坏。,3.3.4 通用硅酸盐水泥石的腐蚀与预防,（一）通用硅酸盐水泥石的腐蚀,1.水泥石腐蚀的原因（内因）,主要有两方面：一是水泥石本身不够密实；二是水泥石中存在易被腐蚀的组分（水化产物）：易溶于水与某些酸和盐等发生化学反应,（一）通用硅酸盐水泥石的腐

42、蚀,1.水泥石腐蚀的原因（外因）,引起材料破坏的原因，包括物理作用、化学作用及生物作用：,物理作用包括干湿变化、温度变化及冻融作用。化学作用包括酸、碱、盐等物质的水溶液或气体对材料的侵蚀破坏。生物及生物化学作用是指材料被昆虫、菌类等蛀蚀及腐朽。,2.溶出侵蚀（软水侵蚀）物理侵蚀,在软水中，水泥石孔溶液中的石灰浓度未饱和，致使水化产物分解或溶解，若环境水是流动水，Ca(OH)2将不断溶解，导致其它水化物（水化硅酸钙、水化铝酸钙等）分解，引起水泥石结构受到破坏，强度降低。其侵蚀强弱程度与水质硬度有关,例：试件C:S=1:5,W/C=0.5,5780mm 在流水中30天,CaO 溶解 27%,强度降

43、低 49.9%.,（一）通用硅酸盐水泥石的腐蚀,（3）化学侵蚀,1）碳酸性侵蚀,当环境水中含有较多CO2时，发生如下反应：,在压力水作用下，Ca(HCO3)2不断被带走，Ca(OH)2不断流失，水泥石结构被破坏。,侵蚀程度与环境水中游离的CO2含量和水温有关。,2）一般酸性侵蚀,当环境水中含有游离酸类时，与Ca(OH)2发生反应，生成相应的盐。盐易溶于水或在孔隙中结晶产生体积膨胀，引起破坏。如：,石膏又能与水化铝酸钙反应，生成水化硫铝酸钙晶体，破坏性更大。,侵蚀程度与环境水中氢离子浓度H+有关。,（3）化学侵蚀,3）硫酸盐侵蚀,环境水中含有硫酸盐时，对水泥石有严重的破坏作用：SO42-与Ca(

44、OH)2反应生成石膏，其与水化铝酸钙反应生成钙矾石，产生体积膨胀（AFt膨胀2.5倍）导致硬化的水泥石破坏。,与侵蚀性环境水中 SO42-及Cl-有关：Cl-能提高水化硫铝酸钙的溶解度，阻止AFt晶体的生成与长大,（3）化学侵蚀,4）镁盐侵蚀,环境水中含有的镁盐（MgSO4、MgCl2等）对水泥石严重的破坏作用：,CaCl2易溶于水，Mg(OH)2松软无胶结力，石膏则继续产生硫酸盐侵蚀，都将破坏水泥石严重的破坏结构。,侵蚀的强烈程度取决于Mg2+及SO42-的含量。,（3）化学侵蚀,根据环境的侵蚀特性，合理选用水泥及熟料矿物组成：,软水侵蚀时，选用掺活性混合材料的硅酸盐水泥选C3A含量低的硅酸

45、盐水泥，对硫酸盐侵蚀的抵抗能力较强,提高混凝土的密实度，改善孔结构，减少水的渗透,在混凝土表面设置防护层,降低水灰比掺入细掺料等,沥青防水层不透水的水泥喷浆层塑料防水层等,（二）通用硅酸盐水泥石的防腐措施,（一）硅酸盐水泥熟料（二）石膏（三）混合材料（四）窑灰（五）助磨剂,3.4 掺混合料的硅酸盐水泥,一、水泥掺入料,（三）、混合材料,(1)水泥混合材料的定义,在生产水泥时，为节约水泥熟料，提高水泥产量和增加水泥品种，同时为改善水泥的性能，调节水泥强度等级而在水泥中掺入的矿物质材料称为水泥混合材料。,生产水泥时掺混合材料的作用是：节约水泥熟料，提高水泥产量，降低水泥生产成本，节约能源达到提高经

46、济效益的目的；有利于改善水泥的性能，如改善水泥安定性，提高混凝土的抗蚀能力，降低水泥水化热等；调节水泥强度等级，增加水泥品种，以便合理选用水泥，满足各项建设工程的需要。,水泥中掺入一定量的混合材料，不仅具有显著的技术经济效益，同时可充分利用工业废料，保护环境，减少环境污染，是实现水泥工业可持续发展的重要途径。,(2)水泥中掺加混合材料的作用或目的：,（3）混合材料的种类,活性混合材料,非活性混合材料,是指具有火山灰性或潜在的水硬性，以及兼有火山灰性和水硬性的矿物质材料。主要包括粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料及粉煤灰3类。,是指无火山灰性、潜在水硬性，或活性指标不符合要求的矿物质材料。它在水泥中

47、主要起填充作用，对水泥性能无损害。,高炉冶炼生铁得到的以硅酸钙和铝酸钙为主要成分的熔融物，经淬冷粒化后的产物。,粒化高炉矿渣,其主要成分为CaO、SiO2、Al2O3，还有少量MgO、FeO、MnO、硫化物如CaS、MnS、FeS等。其中CaO+SiO2+Al2O3总量一般90%。,)化学成分,GB/T203用于水泥中粒化高炉矿渣按质量系数、化学成分、粒度和松散堆积表观密度将矿渣分为合格品、优等品。,（3）混合材料的种类,玻璃体含量：水淬处理呈多孔玻璃体结构（水渣）。玻璃体含量越高，其活性越高。化学成分：Al2O3、CaO含量越高，活性越高；,矿渣粉的活性来自于SiO44-、AlO45-。在矿

48、渣玻璃体结构中，两种四面体处于非结晶状态，其键合力弱。在激发剂的作用下，这两种基团具有较高活性（潜在活性的基团称为活性SiO2、Al2O3）,粒化高炉矿渣,)活性影响因素,（3）混合材料的种类,各类天然石膏或以CaSO4为主要成分的化工副产品，如氟石膏、磷石膏等,注意：只有在一定的碱性环境中，硫酸盐激发剂才能充分激发矿渣的活性石膏与CAH进一步反应生成AFt,石灰、硅酸盐水泥熟料（Ca(OH)2）,粒化高炉矿渣,)活性的激发,（3）混合材料的种类,硫酸盐激发剂,碱性激发剂,指具有火山灰性的天然或人工的矿物质材料。,指材料磨成细粉后，单独加水拌和不具有水硬性，但常温下与少量石灰等一起遇水后，能形

49、成水硬性化合物的性质,火山灰性,火山灰质混合材中含有较多的活性SiO2、Al2O3，它们能分别与CH反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，因而具有水硬性。,火山灰质混合材料,（3）混合材料的种类,火山灰质混合材的品种：天然：火山灰、凝灰岩、浮石、沸石岩、硅藻土/石人工：煅烧煤矸石、烧页岩、烧粘土、煤渣、硅质渣,GB/T2847用于水泥中的火山灰质混合材料规定：SO3含量3%；胶砂28d抗压强度比62%；火山灰性试验合格；对于人工火山灰质混合材，其烧失量10%,火山灰质混合材料,（3）混合材料的种类,指从火电厂煤粉炉烟道气体中收集的粉末。按煤的品种不同，分为F类和C类（CaO%10%）,其主要化学成分

50、为Al2O3、SiO2，并含有一定量CaO。其水硬性原理与火山灰质混合材相似。,粉煤灰,（3）混合材料的种类,2.滚珠效应(或称形态效应),SiO2、Al2O3含量愈高，含碳量愈低，细度愈细，质量愈好。技术要求：GB/T1596-2005用于水泥和混凝土中的粉煤灰,1.二次水化反应或火山灰反应，火山灰效应,在水泥中起调节水泥强度等级、节约水泥熟料的作用，又称填充性混合材料。,主要有：石英岩、石灰岩、砂岩等磨成的细粉；粘土、黄土；不合技术要求的粒化高炉矿渣、火山灰、粉煤灰等,品质要求：足够的细度、不含（或含极少）对水泥有害的杂质。,非活性混合材料,（3）混合材料的种类,1)硅酸盐水泥,二、通用硅