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1、第 二 章 无机胶凝材料Inorganic BindersorInorganic Cementitous materials本 章 主 要 内 容v石膏v石灰v水玻璃v硅酸盐水泥v掺混合材的硅酸盐水泥v其它品种水泥教 学 大 纲v石膏石膏：石膏的生产与品种。建筑石膏的凝结与硬化。建石膏的生产与品种。建筑石膏的凝结与硬化。建筑石膏的特性、质量要求与应用。筑石膏的特性、质量要求与应用。v石灰石灰：石灰的原料与生产。石灰的熟化与硬化。石灰的石灰的原料与生产。石灰的熟化与硬化。石灰的特性、质量要求与应用。特性、质量要求与应用。v水玻璃水玻璃：水玻璃的组成；水玻璃的硬化；水玻璃的性质；水玻璃的组成；水玻
2、璃的硬化；水玻璃的性质；水玻璃的应用。水玻璃的应用。v硅硅酸酸盐盐水水泥泥：硅硅酸酸盐盐水水泥泥的的生生产产过过程程与与硅硅酸酸盐盐水水泥泥熟熟料料的的矿矿物物组组成成。硅硅酸酸盐盐水水泥泥的的凝凝结结与与硬硬化化。硅硅酸酸盐盐水水泥泥的的技技术术要要求求。水水泥泥石石的的腐腐蚀蚀与与防防止止。硅硅酸酸盐盐水水泥泥的的性性质质、应用与存放。应用与存放。v掺掺混混合合材材料料的的硅硅酸酸盐盐水水泥泥：混混合合材材料料。普普通通硅硅酸酸盐盐水水泥泥。矿矿渣渣硅硅酸酸盐盐水水泥泥、火火山山灰灰硅硅酸酸盐盐水水泥泥、粉粉煤煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥的特点与应用。灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥的特点与
3、应用。v其其它它品品种种水水泥泥：快快硬硬硅硅酸酸盐盐水水泥泥、白白色色及及彩彩色色硅硅酸酸盐盐水水泥泥、膨膨胀胀水水泥泥、道道路路水水泥泥、中中低低热热水水泥泥和和抗抗硫硫酸盐水泥等的特点与应用。酸盐水泥等的特点与应用。v高铝水泥高铝水泥：高铝水泥的主要矿物成分与水化产物。高铝水泥的主要矿物成分与水化产物。高铝水泥的技术要求。高铝水泥的性质与应用。高铝水泥的技术要求。高铝水泥的性质与应用。概述v基本概念v胶凝材料的分类v学习要求基本概念：什么是胶凝材料？v定义：经过一系列物理、化学作用，能由浆体变成坚硬的固体，并能将散粒或片、块状材料胶结成整体的物质。v特征：严格意义上胶凝材料应指浆体；能在
4、常温下凝结硬化为固体；有较强的胶结能力；具有一定的使用性能。胶凝材料的种类？v按其化学组成：有机胶凝材料：沥青、树脂等。无机胶凝材料：水泥、石膏、石灰等。复合胶凝材料：牙齿水泥、酸碱水泥。v按其硬化条件：气硬性胶凝材料 石膏、石灰等；水硬性胶凝材料 各种水泥等。气硬性与水硬性胶凝材料的特点v气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，并且在空气中保持和发展其强度；关键：干燥状态下，其硬化体才有较好的性能！v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。关键：干燥或潮湿状态下，其硬化体均有很好的性能！学习要求三问？v胶凝材料凝结硬化机理及其影响因素是什么(What)？v土木工程对胶
5、凝材料有哪些性能要求(Which)？v怎样正确选择和使用胶凝材料(How)？第一节 石 膏Plasterv石膏的组成与结构 Composition and Structure of Plasterv石膏的生产 Plaster Productionv建筑石膏的凝结与硬化 Setting and Hardening of Plastterv建筑石膏的性质 Properties of Plaster and its Articlesv建筑石膏的应用 Utilization of Plaster and its ArticlesSummaryv性质石膏是气硬性胶凝材料，建筑石膏的主要成分是-半水石膏C
6、aSO40.5H2O;v生产方法建筑石膏可用天然二水石膏或化学石膏在120180 C干燥下脱水制备；v凝结硬化机理“溶解沉淀”理论，即通过半水石膏在水中不断溶解，二水石膏不断结晶，晶体不断生长、相互交错与连生构成晶体网络结构而硬化；v性能浆体需水量较大，凝结硬化快、凝结时有微膨胀、表观密度较小、孔隙率较大、强度低、耐水与抗冻性差、容易吸水和吸潮、导热系数低、隔热与吸声性好、耐火、对人体和环境无害。v应用各种板材、粉刷砂浆、雕饰等。进一步研究开发的课题v先进纤维石膏基复合材料v高强石膏及其制品v提高石膏及其制品的耐水性v外墙保温砂浆及其装饰v钢结构防火涂层石膏应用的历史v9000年前，叙利亚和土
7、耳其的安那托力亚就有古迹；v5000年前，埃及人就在敞开的火炉中煅烧石膏，然后破碎磨成粉末，再与水拌和制得用于金字塔建造中石块得粘结材料灰浆；v372-287 BC，古希腊人采用天然透明石膏（亚硒酸石膏）做神庙得窗户；v古罗马人用石膏浇注了成千上万座古希腊得雕塑。v十七世纪，法国巴黎的木质房的所有墙壁均用石膏灰浆（plaster）覆盖，以提高防火性能，因而，法国巴黎有“石膏的首都（capital of plaster）之称。v石膏灰浆又称为“Plaster of Paris”它是半水硫酸钙(CaSO4 H2O)，二水硫酸钙(CaSO42H2O)称为 gypsum 一、石膏的组成与结构v石膏的矿
8、物组成：CaSO4xH2OX为结晶水为结晶水H2Ox0，硬石膏(无水石膏)x0.5，熟石膏(半水石膏)x2，生石膏(二水石膏)v石膏胶凝材料(Gypsum binder)的组成：CaSO4 0.5H2O或或CaSO4。v石膏是晶体结构二水石膏晶体形貌半水石膏晶体形貌二、石膏的生产v原料：天然二水石膏；天然无水石膏；工业副产物磷石膏、氟石膏等。v生产工序：原料(破碎)脱水 磨细v生产(脱水)的工艺：非密闭煅烧(干燥空气中)：密闭蒸练(湿的水蒸气)：v不同工艺得到不同组成的石膏胶凝材料天然石膏矿纤维状晶体我国石膏矿分布非常广泛非密闭煅烧脱水工艺及其产品CaSO42H2O 120180C可溶无水石膏
9、-半水石膏 200360C 400500 C难溶无水石膏 500750C不溶无水石膏随着煅烧温度升高：二水石膏转变为-型半水石膏-型转变可溶性无水石膏可溶性转变为难溶性无水石膏难溶性转变为不溶性无水石膏 密闭蒸练工艺及其产品：125180C水蒸气-型半水石膏CaSO42H2O200360C可溶无水石膏400800C不溶无水石膏1不溶无水石膏CaSO4()8001180C地板石膏CaSO4与CaO生产工艺与产品的组成CaSO42H2O 120180C干燥空气125180C水蒸气-CaSO4 0.5H2O-CaSO4 0.5H2O-CaSO4()可溶-CaSO4()可溶200360C 200360
10、C 400800C400800CCaSO4()不溶 8001180CCaSO4()不溶CaO非密闭煅烧工艺及其产品组成密闭蒸炼工艺及其产品组成石膏生产流程图熟石膏高强石膏原料入口产 品废气排放三、建筑石膏的凝结硬化v凝结硬化过程中的水化反应：凝结硬化过程中的水化反应：CaSO4 0.5H2O 1.5H2O CaSO42H2OQ 即：石膏的水化反应是由二水石膏制备半水石膏的逆反应即：石膏的水化反应是由二水石膏制备半水石膏的逆反应v凝结硬化机理凝结硬化机理“溶解沉淀理论溶解沉淀理论”l 溶解溶解l 沉淀沉淀l 硬化硬化 半水石膏的溶解度(8.16g/L)大于二水石膏(2.05g/L)，因此，前者在
11、水中不断溶解，生成Ca2+、SO42-离子的饱和溶液半水石膏的饱和溶液，对于二水石膏是过饱和溶液，后者不断结晶沉淀。二水石膏晶体不断生长、连生、交错，构成晶体颗粒堆聚的结晶结构网凝结硬化的物理化学过程 石膏浆体 半水石膏颗粒 二水石膏晶体石膏胶体石膏硬化体水孔隙水化初期：二水石膏晶体较少随着水化反应进行二水石膏晶体量石膏硬化体中晶体堆积体 半水石膏在空气中，也会吸收空气中的水分子水化成二水石膏晶体。石膏颗粒表面分子首先水化颗粒表面二水石膏晶体不断增多半水石膏全部水化成二水石膏 所以，石膏胶凝材料运输、储存中，必须防潮、防水，以免失效！石膏凝结硬化的影响因素v石膏的组成v石膏浆体的用水量v外加剂
12、v细度凝结硬化速度的排序：可溶性无水石膏半水石膏难溶性无水石膏不溶性无水石膏 用水量越大，石膏晶体颗粒越大；凝结硬化所需时间增加 一些无机盐(如硫酸钾)可以促进凝结硬化，而一些有机酸(如柠檬酸)可以延缓凝结硬化细度越细，凝结硬化越快。加水量50的硬化石膏的晶体较粗加水量24的硬化石膏的晶体较细 硫酸钾可以促进石膏浆体的凝结硬化(曲线a)，而柠檬酸可以使石膏浆体缓凝(曲线b)时间(s)四、建筑石膏的性质v建筑石膏的技术要求(GB977688)：密度：密度：2.502.70;强度：抗折强度、抗压强度强度：抗折强度、抗压强度;细度：细度：0.2mm方孔筛筛余方孔筛筛余;凝结时间：初凝、终凝时间凝结时
13、间：初凝、终凝时间;v石膏硬化体及制品的特性：表观密度较小：表观密度较小：1.0孔隙率较大孔隙率较大强度较低强度较低耐水性和抗冻性较差耐水性和抗冻性较差防火性较好防火性较好隔热性和吸声性良好隔热性和吸声性良好装饰性装饰性 学会分析、思考和回答问题！1.石膏硬化体的表观密度小，孔隙率大，Why？答：答：半水石膏需加水半水石膏需加水6080，才能使，才能使浆浆体达到成型所需可体达到成型所需可塑性；而半水石膏全部水化成二水石膏只需塑性；而半水石膏全部水化成二水石膏只需18.6的水量；的水量；即，有即，有4060多的水不能参与反多的水不能参与反应应，硬化后多余水分的，硬化后多余水分的挥挥发发留下大量孔
14、隙。留下大量孔隙。2、孔隙率较大在应用上，有哪些优点和缺点Which？答：答：优优点点保温隔保温隔热热性、吸声隔声性好；性、吸声隔声性好；质轻质轻。可作。可作为墙为墙板、板、天花板、天花板、墙墙面粉刷砂面粉刷砂浆浆等。等。缺点缺点强强度低、吸水率度低、吸水率较较大、耐水性差。不能用作大、耐水性差。不能用作结结构构材料，不宜用于潮湿材料，不宜用于潮湿环环境等。境等。3.为什么石膏制品的耐水性差Why？答：答：石膏晶体是石膏晶体是亲亲水性很水性很强强的离子晶体，而且晶体内有明的离子晶体，而且晶体内有明显显的解理面，的解理面，层间层间和晶体和晶体颗颗粒粒间间是是较较弱的弱的氢键结氢键结合，因此，合，
15、因此，水分子水分子进进入，降低了晶体入，降低了晶体层间层间和和颗颗粒粒间间的相互作用力，的相互作用力，导导致致强强度下降；其度下降；其软软化系数只有化系数只有0.300.45；另一方面，二水石膏在水中的溶解度另一方面，二水石膏在水中的溶解度较较大，石膏制品大，石膏制品长长期在水中的期在水中的强强度将更低度将更低。学会分析、思考和回答问题！4、如何改善石膏制品的耐水性 How?答：答：降低孔隙率，改善孔隙降低孔隙率，改善孔隙结结构，构，对对毛毛细缝细缝隙隙进进行憎水行憎水处处理，以减小吸水率；理，以减小吸水率；掺掺加其它加其它矿矿物或有机物，以降低晶体水化物的溶解度，物或有机物，以降低晶体水化物
16、的溶解度，阻止水分子阻止水分子对对晶体晶体颗颗粒粒间间的削弱作用。的削弱作用。二水石膏晶体解理面5、为什么石膏制品的防火性好Why?答：答：石膏制品的孔隙率大，隔石膏制品的孔隙率大，隔热热性性较较好；二水石膏晶体含好；二水石膏晶体含有两个有两个结结晶水分子，在受晶水分子，在受热热后，二水石膏晶体脱去水分子，后，二水石膏晶体脱去水分子，并蒸并蒸发发吸收和吸收和带带走走热热量；硫酸量；硫酸钙钙分子的分解温度很高，因分子的分解温度很高，因此，在高温下，主要此，在高温下，主要发发生脱水和生脱水和烧结烧结。学会分析、思考和回答问题！6、进一步思考的问题:v警察在勘察犯罪野外警察在勘察犯罪野外现场时现场时
17、，用石膏翻版罪犯足印，其原，用石膏翻版罪犯足印，其原理是什么？理是什么？v试验证试验证明石膏板有明石膏板有调节调节室内湿度的功能，室内湿度的功能，为为什么？什么？v如何在土木工程建如何在土木工程建设设中正确地使用或中正确地使用或选选用石膏，用石膏，为为什么？什么？调湿作用红线条表示室内湿度变化蓝线条表示室外湿度变化五、建筑石膏的应用v建筑石膏是一种很好的绿色建材！v应用中扬长避短，正确应用！v建筑上的主要应用有：建筑石膏制品：各种板材：墙板、天花板等艺术装饰品粉刷石膏：墙面粉刷雕饰各种墙板德国一所教堂的外墙面雕饰室内墙面和天花板的雕饰纸面石膏板的生产工艺流程纸面石膏板生产线第二节 石 灰lim
18、ev建筑石灰的组成与品种建筑石灰的组成与品种v建筑石灰的制备建筑石灰的制备v石灰的硬化石灰的硬化v石灰的性质石灰的性质v石灰的应用石灰的应用一、石灰的组成与品种v气硬性石灰 粘土杂质含量8%的石灰石热分解物及其水化物：生石灰粉：CaO；熟(消)石灰粉：Ca(OH)2；石灰膏(浆)：Ca(OH)2、H2O；v水硬性石灰 粘土杂质含量8%的石灰石热分解物：CaO、活性Si2O、Al2O3等二、石灰的制备v原料：原料：以以CaCO3为主要成分的天然岩石，如：石灰石、为主要成分的天然岩石，如：石灰石、白垩等。白垩等。v石灰的制备：石灰的制备：石灰石的热分解反应：石灰石的热分解反应：CaCO3 CaOC
19、O2制备工艺：制备工艺：岩石岩石 破碎破碎 煅烧煅烧 粉磨粉磨(消解消解)制备工艺与产品石灰石10001200C磨细生石灰粉生石灰水喷淋熟石灰粉(水)化灰池石灰浆浓缩石灰膏陈伏煅烧温度较低，时间较短时，欠火石灰煅烧温度较高，时间较长时，过火石灰减轻或消除过火石灰的危害石灰浆体 氢氧化钙晶体 碳酸钙晶体石灰凝胶体石灰碳化体水孔隙水分损失碳化三、石灰的硬化v结晶作用结晶作用生石灰或熟石灰水成为生石灰或熟石灰水成为Ca(OH)2浆体；浆体；浆体中游离水的不断损失，导致浆体中游离水的不断损失，导致Ca(OH)2结晶；结晶；晶粒长大、交错堆聚成晶粒结构网晶粒长大、交错堆聚成晶粒结构网硬化。硬化。v碳化作
20、用碳化作用Ca(OH)2与空气中的与空气中的CO2气体反应，在表面形成气体反应，在表面形成CaCO3膜层。膜层。提高耐久性。提高耐久性。四、石灰的性质v建筑石灰的技术要求：建筑石灰的技术要求：CaO的含量的含量 CO2的含量的含量(欠火石灰欠火石灰)细度细度 体积安定性体积安定性(过火石灰过火石灰)v建筑石灰的特性：建筑石灰的特性：表观密度较小表观密度较小 浆体的可塑性好浆体的可塑性好 硬化后的强度较低硬化后的强度较低 耐水性差耐水性差 浆体硬化中容易开裂浆体硬化中容易开裂v过火石灰的危害过火石灰的危害 与水反应很慢，石灰硬化后再与水反应发生体积膨胀与水反应很慢，石灰硬化后再与水反应发生体积膨
21、胀而引起开裂而引起开裂。问 题？1.过火石灰有什么危害？应如何消除？过火石灰有什么危害？应如何消除？答：答：过过火石灰密度火石灰密度较较大，且大，且颗颗粒表面有玻璃釉状物包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裹，水化消解很慢，在正常石灰水化硬化后再吸湿水化，水化，产产生体生体积积膨膨胀胀，影响体，影响体积稳积稳定性。可采用延定性。可采用延长长石灰的熟化和石灰的熟化和陈陈伏期，或伏期，或过滤过滤掉。掉。2.2.石灰硬化过程中，为什么容易开裂？使用时应石灰硬化过程中，为什么容易开裂？使用时应如何避免？如何避免？答：答：石灰石灰浆浆体的硬化是靠水分的大量体的硬化是靠水分的
22、大量挥发挥发，体，体积显积显著收著收缩缩，因而容易，因而容易导导致开裂。在使用致开裂。在使用时时，避免，避免单单独使用，独使用，可可掺掺加一些砂子、麻刀加一些砂子、麻刀丝丝或或纸纸筋等。筋等。五、石灰的应用v配制建筑砂浆和石灰乳配制建筑砂浆和石灰乳v配制无熟料水泥配制无熟料水泥 石灰火山灰活性材料石灰火山灰活性材料v配制三合土配制三合土 石灰粘土砂水石灰粘土砂水v作为其它建材制品的原料作为其它建材制品的原料 如：硅酸盐制品、灰砂制品、碳化板等。如：硅酸盐制品、灰砂制品、碳化板等。v软土地基加固软土地基加固第三节 水玻璃v水玻璃的组成水玻璃的组成v水玻璃的制备水玻璃的制备v水玻璃的硬化水玻璃的硬
23、化v水玻璃的性质水玻璃的性质v水玻璃的应用水玻璃的应用v什么是水玻璃？什么是水玻璃？碱金属硅酸盐的水溶液：碱金属硅酸盐的水溶液：R2O nSiO2+H2O 其中其中R=Na、Kv什么是水玻璃的模数？什么是水玻璃的模数？n:氧化硅氧化硅SiO2与碱金属氧化物与碱金属氧化物R2O的摩尔比。的摩尔比。v模数对水玻璃性能的影响模数对水玻璃性能的影响 模数越大，粘度与粘结力越大，耐水性越好。模数越大，粘度与粘结力越大，耐水性越好。v水玻璃的制备方法：水玻璃的制备方法：湿法：湿法：R2OnSiO2+H2O 水玻璃水玻璃 干法：干法：R2OnSiO2 R2O nSiO2 R2O nSiO2+H2O 水玻璃水
24、玻璃v水玻璃硬化过程水玻璃硬化过程 水玻璃与空气中的水玻璃与空气中的CO2反应，生成无定型的硅酸凝胶，反应，生成无定型的硅酸凝胶，随着水分挥发干燥，硅酸凝胶转变成随着水分挥发干燥，硅酸凝胶转变成SiO2而硬化。而硬化。v水玻璃的促硬剂：氟硅酸钠水玻璃的促硬剂：氟硅酸钠 其原理是氟硅酸钠加速水玻璃中硅酸凝胶的析出和其原理是氟硅酸钠加速水玻璃中硅酸凝胶的析出和SiO2的形成。的形成。v水玻璃的特性水玻璃的特性 良好的胶结能力良好的胶结能力 耐热性好、不燃烧耐热性好、不燃烧 较好的耐酸性能较好的耐酸性能 耐水性和耐碱性差耐水性和耐碱性差水玻璃硬化过程水玻璃硬化过程水玻璃溶液水玻璃溶液 硅酸凝胶硅酸凝
25、胶 二氧化硅玻璃体二氧化硅玻璃体RSiO4-4RRSiO4-4RRRRRH4SiO4H4SiO4H4SiO4H4SiO4RCO3SiO2SiO2SiO2SiO2R2CO3酸 化脱水交联v水玻璃在建筑上应用水玻璃在建筑上应用u 配制耐酸混凝土与砂浆配制耐酸混凝土与砂浆u 配制耐热混凝土与砂浆配制耐热混凝土与砂浆u 配制快凝防水剂配制快凝防水剂u 加固地基基础加固地基基础问 题？1.为什么水玻璃能配制耐酸混凝土和砂浆？答：答：水玻璃溶液的凝水玻璃溶液的凝结结硬化是在酸作用下，使硅酸根硬化是在酸作用下，使硅酸根离子逐步离子逐步缩缩聚交聚交联联成二氧化硅玻璃体，因此，酸性成二氧化硅玻璃体，因此，酸性条
26、件只会使水玻璃中硅酸根离子的交条件只会使水玻璃中硅酸根离子的交联联度提高，更度提高，更加密加密实实和耐水。和耐水。2.为什么水玻璃模数n越大，粘结力越强，耐水性越好？答：答：n是是SiO2/R2O的摩的摩尔尔比，比，n越大，表明越大，表明SiO2含量越含量越大，硬化后的玻璃体中大，硬化后的玻璃体中SiO2的交的交联联密度越大，所以，密度越大，所以，粘粘结结力越力越强强，耐水性越好。，耐水性越好。教 学 要 求v基本概念基本概念：胶凝材料及其分类；胶凝材料及其分类；石膏、石灰、水玻璃、硅酸盐水泥的组成；石膏、石灰、水玻璃、硅酸盐水泥的组成；v基本知识基本知识：重点掌握建筑石膏的特性与石膏的水化、
27、凝结、硬化过重点掌握建筑石膏的特性与石膏的水化、凝结、硬化过程，石膏的技术性质与应用，石膏的制备工艺和条件对石程，石膏的技术性质与应用，石膏的制备工艺和条件对石膏组成与性能的影响；膏组成与性能的影响；石灰的技术性质与应用，过火石灰、欠火石灰的危害及石灰的技术性质与应用，过火石灰、欠火石灰的危害及消除方法；石灰熟化与硬化，两种熟化和使用形式，干燥消除方法；石灰熟化与硬化，两种熟化和使用形式，干燥硬化与碳化的机理。硬化与碳化的机理。水玻璃的浓度，模数对水玻璃性质的影响，水玻璃硬化水玻璃的浓度，模数对水玻璃性质的影响，水玻璃硬化的原因。的原因。v基本知识基本知识：硅酸盐水泥的组成、技术性质、应用及储
28、运知识；硅酸盐水泥的组成、技术性质、应用及储运知识；水泥浆体在侵蚀性介质下的腐蚀及其防止的措施；水泥水泥浆体在侵蚀性介质下的腐蚀及其防止的措施；水泥石的结构；活性混合材的组成、性质及作用。普通硅酸石的结构；活性混合材的组成、性质及作用。普通硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和高铝水盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和高铝水泥等其它水泥的组成、性能的特点及应用。泥等其它水泥的组成、性能的特点及应用。v基础理论基础理论：硅酸盐水泥的水化反应及其产物，凝结硬化过程及硅酸盐水泥的水化反应及其产物，凝结硬化过程及其影响因素；水泥组成对其性能的影响。其影响因素；水泥组成对其性能的影响。v基
29、本技能基本技能：水泥主要技术性质的测试，各种水泥的正确选用。水泥主要技术性质的测试，各种水泥的正确选用。第 四 节 硅 酸 盐 水 泥Portland Cement概 述 v什么是水泥(cement)？水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。v水泥的种类有哪些？水泥中的主要矿物硅酸盐系水泥铝酸盐系水泥硫铝酸盐系水泥磷酸盐系水泥硫铝酸钙硅酸钙铝酸钙磷酸钙,镁 根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。概 述 v什么是水泥(cement)？水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。v水泥的种类有哪些？水泥的特性膨胀水泥快 硬 水 泥低 热
30、 水 泥抗腐蚀水泥 根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。硬化时膨胀硬化速度快水化热低耐腐蚀性好 根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。概 述 v什么是水泥(cement)？水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。v水泥的种类有哪些？硅酸盐系水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥掺混合材硅酸盐水泥特性硅酸盐水泥 根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。v硅酸盐系水泥品种硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥；掺混合材的硅
31、酸盐水泥特性硅酸盐水泥v硅酸盐水泥有P和P两类，后者含有混合材。水泥在土木工程中的重要作用v水泥是当今产量与用量最大的土木工程材料！v水泥及其砂浆、混凝土与纤维水泥等水泥基材料普遍用于各种土木工程和钢筋混凝土结构！v水泥的性能和正确选用对土木工程的功能与质量至关重要！硅酸盐水泥的历史v埃及时代 煅烧石膏金字塔v希腊与罗马人 发明了煅烧石灰石快硬石灰砖石结构砂浆v希腊与罗马人 黏土获泥土、石灰与砂胶凝材料v罗马人 用火山灰、石灰与砂水硬性胶凝材料混凝土、砌块v中世纪，该项技术失传，到11世纪建材低到最低点v14世纪后期，石灰技术和火山灰利用再次升起v17591759年,英国人John Smeat
32、on将石灰与火山灰混合胶凝材料；v法国的Lesage 和Vicat，英国的Frost 和Parke，煅烧石灰与粘土混合物水泥v1824年，英国的砖瓦匠Joseph Aspdin发明了现代生产硅酸盐水泥的专利技术v1871年，美国宾夕法尼亚，发明世界上第一台回转窑，使水泥生产大规模化 主 要 内 容v什么是硅酸盐水泥？v硅酸盐水泥是怎样制造？v硅酸盐水泥的组成？v水泥浆如何转变成坚硬固体？v水泥应满足哪些技术性质？v如何正确使用水泥？u重点论述了硅酸盐系水泥的矿物组成、凝结硬化机理和重点论述了硅酸盐系水泥的矿物组成、凝结硬化机理和基本性质及其检测方法，以及硅酸盐水泥的应用。基本性质及其检测方法，
33、以及硅酸盐水泥的应用。凡由硅酸盐水泥熟料、05石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥(即国外通称的Portland Cement).学 习 目 的v学习硅酸盐水泥的矿物组成，及其与其他水泥的差别；水泥的生产过程及其对性质的影响。v掌握水泥凝结硬化机理和凝结硬化过程的影响因素；应用这些基本理论，说明水泥和混凝土的性质，指导合理选择与使用水泥，改善水泥基材料的性能。v熟悉水泥各种性质的含义和工程意义；水泥性质的影响因素及其规律；水泥性质的检验方法和评定标准。一、硅酸盐水泥是怎样制造的？v原原 料：料：硅质：粘土，硅质：粘土，(SiO2、Al2O3)，占占1/3 钙质
34、：石灰石、白垩等，钙质：石灰石、白垩等，(CaO)，占占2/3调节原料：铁矿与砂调节原料：铁矿与砂，调节与补充，调节与补充Fe2O3 与与SiO2v制造工艺：制造工艺：原料经原料经粉磨粉磨混合后得到混合后得到水泥生料水泥生料生料经窑内生料经窑内煅烧煅烧得到得到水泥熟料水泥熟料水泥熟料石膏水泥熟料石膏(或再混合材）一起经或再混合材）一起经粉磨粉磨混合混合后得到后得到水泥水泥v自动化生产过程自动化生产过程“两磨一烧”水泥生料可以是：u 与水混合成浆体湿法工艺u 加少量水制成料球半干法工艺u 加稍多水制成湿球半湿法工艺u 干粉混合物干法工艺硅质(粘土)钙 质(石灰石)1450调节原料石膏石膏石膏石膏
35、水水 泥泥生生 料料熟熟 料料混合材混合材水泥制造的“两磨一烧”工艺流程粉粉 磨磨煅煅 烧烧粉粉 磨磨 原料采掘原料采掘原料磨细原料磨细原料混合原料混合反应物产物反应物产物中间产物中间产物预热器回转窑产产 物物熟料冷却熟料冷却熟料储存熟料储存硅酸盐水泥熟料制造工艺流程水泥制造厂全貌水泥的制造工艺全貌水泥生料煅烧回转窑回转窑尾14501500C二、硅酸盐水泥的组成v硅酸盐水泥是由下列物质混合组成的水泥硅酸盐水泥熟料 Clinkers石膏(CaSO42H2O)Gypsum混合材(矿渣或石灰石粉末)Mineral Additivesv各物质的作用熟料：主要胶凝物质，能水化硬化；石膏：调节水泥的凝结时
36、间；混合材：调节水泥的强度等级；必要组分矿物名称 英文名称 缩写分子式矿 物 式硅酸三钙AliteC3SCa3SiO53CaOSiO2硅酸二钙BeliteC2SCa2SiO42CaOSiO2铝酸三钙AluminateC3ACa3Al2O63CaOAl2O3铁铝酸四钙FerriteC4AFCa2(Al,Fe)2O54CaOAl2O3Fe2O3含 量(mass%)376015377151018v化学组成：化学组成：主要成分：主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)，Al2O3(=A)，Fe2O3(=F)少量杂质：少量杂质：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。等。v矿物组成：矿物组成：硅
37、酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：硅酸盐水泥熟料的组成水泥熟料化学组成与矿物组成的确定方法v水泥熟料中化学成分及其含量直接通过化学分析方法确定：GB/T 1761996 水泥化学分析方法(eqv ISO 680：1990)v水泥熟料的4种矿物的含量不能直接通过分析方法确定，而是采用Bogue方程计算获得：Bogue方程:(C3S)=4.07(C)7.60(S)6.72(A)1.43(F)2.85()(C2S)=2.87(S)0.754(C3S)(C3A)=2.65(A)1.69(F)(C4AF)=3.04(F)式中：括号表示该物相的质量百分数，=SO3水泥颗粒宏观形
38、貌水泥颗粒的结构水泥熟料颗粒细观形貌水泥熟料矿物微观结构 硅酸盐水泥的品种及矿物含量C3S 48 65 31 42C2S 24 11 40 34C3A 13 8 12 2C4AF 9 9 12 15 特点：普通 早强 低热 抗硫酸盐 A B C D CaO 66 67 64 64 SiO2 21 21 22 23 Al2O3 7 5 7 4 Fe2O3 3 3 4 5 f-CaO 1 1 1 1 SO3 2 2 2 2三、水泥浆如何转变成坚硬固体？水泥浆通过水泥熟料矿物的水化反应、浆体的凝结硬化过程变成坚硬固体v凝结水泥与水混合形成可塑浆体，随着时间推移、可塑性下降，但还不具备强度，此过程即为
39、“凝结”；v硬化随后浆体失去可塑性，强度逐渐增长，形成坚硬固体，这个过程即为“硬化”。水泥浆体转变成坚硬固体的过程是一个复杂的物理化学变化过程。为什么水泥能由浆体变成固体？v水泥与水能发生化学反应水泥与水能发生化学反应水化反应；水化反应；v水化反应将结合占水泥质量水化反应将结合占水泥质量30左右的拌左右的拌和水；和水；v水化反应的产物水化反应的产物水化物能相互凝聚成三水化物能相互凝聚成三向网络结构；向网络结构；v水化反应产物有很大的表面能，而且相互间水化反应产物有很大的表面能，而且相互间有很强的次价键力。有很强的次价键力。需学习与掌握的内容：需学习与掌握的内容：v化学过程水泥熟料矿物的水化反应
40、v石膏的作用v物理过程水泥浆的凝结硬化v硬化水泥浆的组成与结构 v水泥浆凝结硬化的影响因素1.水泥熟料矿物的水化反应v特征：水泥熟料颗粒中的四种主要矿物同时进行水化反应；其水化反应均是放热反应；水化反应是固液异相反应。v反应速度序列：半水石膏CaSO40.5H2O和游离氧化钙f-CaO的水化铝酸三钙C3A的水化铁铝酸四钙C4AF的水化硅酸三钙C3S的水化硅酸二钙-C2S的水化 来自水泥粉磨过程中二水石膏的脱水分解：CaSO42H2O CaSO40.5H2O+1.5H2O硅酸钙C3S与-C2S的水化v硅酸钙水化生成水化硅酸钙C3S2H3C-S-H凝胶和Ca(OH)2羟钙石，并放出热：硅酸三钙：2
41、C3S +6H C3S2H3 +3CH +120cal/g 硅酸二钙：2C2S +4H C3S2H3 +CH +62cal/g (C-S-H)+羟钙石v特征：形成相同的水化物组成不确定的C-S-H凝胶，组成为：CaxH6-2xSi2O7.zCa(OH)2 nH2O (x,z与温度、水灰比等有关)其中钙硅比(C/S)：CaO/SiO2=(xz)/2 C3S反应速度比C2S快，其放热量比C2S大。v水化机理溶液中反应固相颗粒表面的局部反应。水水化化度度水化时间（天）水化时间（天）溶液中的反应v机理：溶解机理：溶解 扩散扩散 沉淀沉淀离子在水中的扩散C3S表面离子水化弱化晶体中的化学键，增加pH值水
42、化产物成核CSH析出、凝聚、脱水离开水相，形成凝胶，CH结晶生长表面局部反应v机理：颗粒表面水化物层的形成与扩散 水化物层在固液界面上形成，并不断增厚颗粒表面离子的水化和水解C-S-H的成核Ca(OH)2的成核和生长CSH凝胶体结构水化硅酸钙的形成重新排列和凝聚后的凝胶体结构硅酸钙矿物颗粒的电镜照片硅酸钙矿物颗粒的电镜照片硅酸钙矿物水化后的电镜照片硅酸钙矿物水化后的电镜照片硅酸钙矿物水化物的特征硅酸钙的水化产物C-S-H与Ca(OH)铝酸三钙C3A的水化v铝酸钙C3A的水化行为在水泥水化早期特别重要v纯C3A与水反应迅速，生产水化铝酸钙：C3A +18H2O C2AH8+C4AH13 C3AH
43、6 (不稳定的中间产物)(稳定产物)这一反应导致水泥浆闪凝或假凝，必须避免！v避免闪凝的有效途径加入石膏CaSO42H2O 这就是硅酸盐水泥生产中，必须加入石膏与水泥熟料一起粉磨的根本原因！这一发明是硅酸盐水泥发展史上的一个里程碑。铝酸三钙C3A在石膏存在下的水化反应vC3A与石膏反应首先形成三硫型硫铝酸钙钙矾石晶体，并放出大量热：C3A+3CH2+26H C3A3C3H32+300 cal/g (1)(钙钒石)v反应后期，石膏量不足时，水化生成单硫型硫铝酸钙水化物：C3A+C3A3C3H32+4H C3AC3H12 (2)v石膏消耗完后，C3A直接水化形成C3AH6：C3A +18H2O C
44、3AH6 (3)石膏缓凝机理：v 钙钒石的形成反应(1)速度比纯C3A的反应(3)慢；v 在水泥颗粒表面析出钙矾石晶体构成阻碍层，延缓了水泥颗粒的水化，避免闪凝或假凝。铁铝酸四钙C4AF的水化v铁铝酸四钙C4AF与水发生类似于C3A的水化反应，也形成类似的产物钙钒石和单硫型水化物：C4AF+7H C3AFH6 CFH C4AF +3CH2 +26H C3(A,F)3C3H32 C4AF +CH2 +20H C3(A,F)C3H16vC4AF水化物的组成是可变，是铝酸盐与铁酸盐的固溶体，并由铁相凝胶产生。vC4AF的水化反应对整个水泥的行为影响较小。Summaryv硅酸钙的水化2C3S+6H C
45、3S2H3 +3CH +120cal/g2C2S+4H C3S2H3 +CH +62cal/g C-S-H +羟钙石羟钙石v铝酸钙的水化C3A +18H2O C2AH8+C4AH13C3A+3CH2+26H C3A3C3H32 +300 cal/g （钙钒石）（钙钒石）C3A+C3A3C3H32+4H C3AC3H12v铁铝酸钙的水化C4AF+13H C4(A,F)H13 C4AF+3CH2+26H C3(A,F)3C3H32 C4AF+CH2+26H C3(A,F)C3H12水泥的水化过程：v当水泥颗粒分散在水中，石膏和熟料矿物溶解进入溶液中，液相被各种离子饱和；v几分钟内，Ca2、SO4、
46、Al3、OH离子间反应，形成钙钒石；v几小时后，Ca(OH)2晶体和硅酸钙水化物C-S-H开始填充原来由水占据、并溶解熟料矿物的空间；v几天后，因石膏量不足，钙钒石开始分解，单硫型硫铝酸钙水化物开始形成。v此后，水化物不断形成，不断填充孔隙或空隙。石膏的作用v避免水泥浆的闪凝和假凝现象。v调节水泥的凝结时间。v导致钙钒石和单硫型硫铝酸钙水化物的形成。水 泥水 溶 解沉 淀水泥浆的凝结硬化过程扩 散2.水泥浆的凝结硬化物理过程单一水泥颗粒在大量水中的水化过程模型新拌1小时后数小时后几天后几周后拌合水未水化的核水化物CSHCa(OH)2晶体水泥颗粒水泥颗粒水水水泥颗粒分散在水中形成水泥浆体硅酸盐水
47、泥水化物理过程模型水泥水化物膜层水泥水化物膜层水泥颗粒的水化从表面开始，在表面形成水化物膜层诱导期水化物膜层随水化时间向内不断增厚，进入潜伏期。水化物膜层随水化时间向内不断增厚，水泥颗粒粒径缩小在渗透压的作用下，膜层破裂、扩展，占据原来被水占据的空间，进入凝结期。凝结期：水化物不断填充被水占据的空间，成为连续相，拌和水不断减少，并被水化物分割成非连续相。随着水泥颗粒的不断水化，水化物不断填充毛细孔和水所占据的空间，固体相成为连续相，并具有一定强度。进入硬化期。v先在固液界面发生，水化物围绕每颗水泥颗粒未水化的内核区域沉积；v早期水化物在颗粒上形成表面膜层，阻碍了进一步反应进入潜伏期；v因渗透压
48、或Ca(OH)2的结晶或二者，水化物膜层破裂，导致水化继续迅速进行进入水化的加速期；v随着水化的不断进行，水占据的空间越来越少，水化物越来越多，水化物颗粒逐渐接近，构成较疏松的空间网状结构，水泥浆失去流动性，可塑性降低凝结；v由于水泥内核的继续水化，水化物不断填充结构网中的毛细孔隙，使之越来越致密，空隙越来越少，水化物颗粒间作用增强，导致浆体完全失去可塑性，并产生强度硬化。水泥浆凝结硬化的物理过程证据一：熟料矿物水化物量随时间的增长 随着水泥的水化，水化产物量不断增加，水化物固相所占据的空间越来越多，而原来由水占据的空间越来越少，固体连续相逐渐形成。证据二：水泥浆凝结硬化过程的放热曲线熟料矿物
49、和水泥的水化放热量水泥熟料矿物的水化反应是放热过程初初始始放放热热峰峰放热主峰放热主峰放热速度放热速度逐渐减慢逐渐减慢实测的水泥水化放热全曲线放热速放热速度很低度很低水泥水化度与放热量呈线性关系水泥水化度与放热量呈线性关系水水化化放放热热量量（J/g)水化度硅酸盐水泥水化时的放热曲线水水化化放放热热速速度度溶解：溶解：钙钒石钙钒石形成形成诱导期：诱导期：Ca2浓度增加浓度增加C-S-H和和CH快速形成快速形成初凝初凝终凝终凝单硫型硫铝单硫型硫铝酸钙形成酸钙形成扩散控制反应扩散控制反应水泥浆水化放热过程v水泥熟料矿物的水化是放热反应，水泥熟料矿物的水化是放热反应，C3S和和C3A放放热最大，最快
50、；而热最大，最快；而C2S放热最小，最慢。放热最小，最慢。v水泥水化放热有明显的四个阶段：水泥水化放热有明显的四个阶段：1.初始放热初始放热水泥与水一接触，立即放热，放热速度水泥与水一接触，立即放热，放热速度dQ/dt 很快，表明反应激烈。很快，表明反应激烈。2.放热停滞期放热停滞期 放热很慢，接近停滞，表明反应停顿。放热很慢，接近停滞，表明反应停顿。3.放热加速期放热加速期 放热速度逐渐加快，达到放热峰值，表明放热速度逐渐加快，达到放热峰值，表明反应逐渐加快。反应逐渐加快。4.放热减速期放热减速期 放热达到峰值后，放热速度逐渐减慢，表放热达到峰值后，放热速度逐渐减慢，表明反应逐渐减速。明反应