第二章石灰水泥稳定土02

道路建筑材料第二章石灰、水泥和稳定土第二章石灰、水泥和稳定土概述定义：能够通过自身的物理化学作用，从浆体变成坚硬的固体，并能把散粒或块块材料胶结成为一个整体的材料，称为胶凝材料混凝土＋水胶凝材料分类1、按化学成分①有机胶凝材料：如沥青类、橡胶类等；②无机胶凝材料：如石灰、石膏、水泥等。2、无机胶凝材料按硬化条件①气硬性胶凝材料：只能在大气中硬化，并且只能在大气中保持一定的强度。如石灰、石膏。②水硬性胶凝材料：既能用在大气中，又能用在水中的胶凝材料。典型的代表是水泥。第一节石灰石灰又称白灰公元前8世纪古希腊人已用于建筑中国在公元前7世纪开始使用石灰《石灰吟》明•于谦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。长城：中华历史与文明的象征第一节石灰石灰又称白灰根据成品加工方法的不同，分为：（1）块状生石灰（2）生石灰粉（3）消石灰粉（4）石灰浆一、石灰的生产工艺概述天然碳酸岩类岩石——（石灰石、白云石）经高温煅烧，其主要成分CaCO3分解为以CaO为主要成分的生石灰，其化学反应可表示如下：29003COCaOCaCOC大于生石灰（堆积密度为800~1000kg/m3)一般为白色或略带灰色块灰，块灰碾碎磨细即为生石灰粉。一、石灰的生产工艺概述生石灰烧制过程中，往往由于石灰石原料的尺寸过大或窑中温度不均匀等原因，生石灰中残留有未烧透的的内核，这种石灰称为“欠火石灰”。颜色呈深灰色。一、石灰的生产工艺概述第二种情况是由于烧制的温度过高或时间过长，使得石灰表面出现裂缝或玻璃状的外壳，体积收缩明显，颜色呈灰黑色，这种石灰称为“过火石灰”。过火石灰表面常被粘土杂质融化形成的玻璃釉状物包覆，熟化很慢。当石灰已经硬化后，过火石灰才开始熟化，并产生体积膨涨，引起隆起鼓包和开裂。1.石灰的熟化和“陈伏”（1）工地上使用石灰时，通常将生石灰加水，使之消解为消（熟）石灰—氢氧化钙，这个过程称为石灰的“消化”，又称“熟化”：molKJOHCaOHCaO/9.64)(22二.石灰的消化和硬化（2）陈伏为了消除过火石灰的危害，生石灰熟化形成的石灰浆应在储灰坑中放置两周以上，这一过程称为石灰的“陈伏”。“陈伏”期间，石灰浆表面应保有一层水分，与空气隔绝，以免碳化。（3）不同的熟石灰加水量不同，将会得到不同的熟石灰熟石灰粉：加水适量，消化不结团石灰膏：加水量较多，熟石灰呈半固态。石灰乳：加水量更多一些，熟石灰呈流态。将生石灰磨细成生石灰粉，则可不必预先熟化、陈状，可直接使用，可节约场地，改善施工环境，但成本高，存期不能过长2.石灰的硬化（１）结晶作用：游离水分蒸发，氢氧化钙逐渐从饱和溶液中结晶。OHnCaCOOnHCOOHCa23222)1()(碳化OnHOHCaOnHOHCa2222)()(晶化（２）碳化作用：氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙结晶，释出水分并被蒸发：三、石灰的技术要求和技术标准（一）技术要求1）有效CaO和MgO的含量2）生石灰产浆量和未消化残渣含量3）二氧化碳（CO2）含量即未分解的CaCO3的含量4）消石灰粉游离水含量游离水可使石灰碳化，从而影响质量5）细度用0.9mm及0.125mm的筛进行筛分试验，测定筛余量（二）石灰的技术标准见教材中表2-1、2-2、2-3、2-4四、石灰的应用及储存（一）石灰的特点1、可塑性好2、强度低28d的强度只有0.2—0.5Mpa3、耐水性差因Ca(OH)2易溶于水4、体积收缩大水分挥发，体积收缩，故石灰一般不宜单独使用，必须掺入骨料（如砂）或纤维材料等，起到抗收缩开裂的作用四、石灰的应用及储存（二）石灰的应用1、制作石灰乳作用室内粉刷涂料2、配制砂浆3、配制灰土或三合土：是良好的建筑物基础和道路垫层4、石灰稳定土，石灰粉煤灰稳定土5、加固软土地基问题？既然石灰不耐水，为什么由它配制的灰土或三合土却可以用于基础的垫层、道路的基层等潮湿部位？加适量的水充分拌合后，经碾压或夯实，在潮湿环境中石灰与粘土表面的活性氧化硅或氧化铝反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙或水化铝酸钙，所以灰土或三合土的强度和耐水性会随使用时间的延长而逐渐提高，适于在潮湿环境中使用。再者，由于石灰的可塑性好，与粘土等拌合后经压实或夯实，使灰土或三合土的密实度大大提高，降低了孔隙率，使水的侵入大为减少。因此灰土或三合土可以用于基础的垫层、道路的基层等潮湿部位。四、石灰的应用及储存（三）石灰的储存1、防潮，不同易燃物品混存、混运2、如需要较长时间贮存生石灰，则应将其消化后存放，并使表面隔绝空气，以防碳化。第二节水泥1、1824年Aspdin发明硅酸盐水泥，1850年和1928年先后出现了钢筋混凝土和预应力混凝土，目前混凝土是用量最大，使用最广泛的土木工程材料。2、水泥品种硅酸盐类水泥六大类：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥。六大通用水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥复合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混凝土＋水一、硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥定义：凡由硅酸盐水泥熟料、0—5%的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。即国外的波特兰水泥（Portlandcement）分为不掺混合材料PI和掺不超过5%混合材料PII(一)硅酸盐水泥生产工艺概述1、生产原料石灰质原料提供CaO粘土质原料提供SiO2Al2O3Fe2O3等校正材料一般为铁矿，用来补充原材料中铁质的不足。2、生产工艺①按比例配生料并磨细②窑中煅烧至1450°C，形成熟料。③加入石膏磨细制成水泥。即“两磨一烧”。硅酸盐水泥生产工艺流程示意图生产水泥的原材料生料磨细水泥煅烧水泥磨细成品水泥（二）硅酸盐水泥的化学成分与矿物组成原料煅烧后矿物组成石灰质CaO3CaOSiO2C3S粘土质SiO22CaOSiO2C2SAl2O33CaOAl2O3C3AFe2O34CaOAl2O3Fe2O3C4AF1、硅酸盐的矿物组成2、水泥熟料主要矿物组成的性质C3S是主要成分，含量50%左右，水化速度快，水化热高，且早期强度高，水化物对水泥早期强度和后期强度起主要作用。C2S含量10—40%，水化速度慢，水化热低，早期强度低，后期强度高，耐化学侵蚀性和干缩性较好。C3A含量在15%以下，水化速度最快，水化热最高，耐化学侵蚀性差，干缩性大。C4AF含量5—15%，水化速度较快，水化热较高，强度低，但对于抗折强度起重要作用，耐化学侵蚀性好，干缩性小。水泥熟料主要成分与强度的关系3、水泥熟料主要成分特性比较反应速度C3AC3SC4AFC2S释热量C3AC3SC4AFC2S强度C3SC2SC3AC4AF耐侵蚀性C4AFC2SC3SC3A干缩性C3AC3SC4AFC2S由大到小（或由强到弱）排列（三）硅酸盐水泥的凝结和硬化概念凝结：水泥加水后成为可塑的水泥浆体，由于水泥的水化作用，水泥逐渐变稠失去流动性和可塑性和未具强度的过程，称为水泥的凝结。硬化：水泥凝结后产生强度，逐渐发展成为坚硬大道石的过程称为水泥的“硬化”1.硅酸盐水泥的水化经过上述水化反应后，水泥浆中不断增加的水化产物主要有：水化硅酸钙(50%)、氢氧化钙(25%)、水化铝酸钙、水化铁酸钙及水化硫铝酸钙等新生矿物。2、硅酸盐水泥的凝结和硬化可分为四个阶段1）初始反应期C3S水化，释放出Ca(OH)2，C3A亦水化，并与CaSO42H2O起反应，此阶段具有1%的水泥产生水化2、硅酸盐水泥的凝结和硬化2）诱导期水泥颗粒表面覆盖CSH为主的渗透胶，水化反应慢，水泥颗粒仍然分散，保持塑性。2、硅酸盐水泥的凝结和硬化3）凝结期渗透膜破裂，水泥进一步水化，生成大量CSH，水泥颗粒间接触点增多，趋近密实，逐渐失去可塑性2、硅酸盐水泥的凝结和硬化4）硬化期水泥继续水化，且C4AF亦开始水化，孔隙进一步被充填，逐渐产生强度3、影响水泥凝结、硬化的主要因素1）水灰比对水泥凝结、硬化的影响2）石膏对水泥凝结、硬化的影响3）温度、湿度对水泥凝结、硬化的影响4）水泥的龄期与强度的关系早期增长快，后期增长慢3—7d强度发展快4周后显著减慢（四）硅酸盐水泥的技术性质和技术标准1、技术性质1）化学性质（1）氧化镁含量（2）三氧化硫含量（3）烧失量（4）不溶物（5）氯离子（6）碱含量（1）氧化镁含量指水泥中游离的MgO含量，其水化反应速度慢，体积膨胀，引起水泥体积不安定。规定≤5.0%（2）三氧化硫含量主要是由于加入的石膏产生的，过多时，引起体积膨胀，不安定，导致结构物破坏。（3）烧失量③烧失量由于受潮或煅烧不佳引起的，要求PI≤3.0%,PII≤3.5%PO≤5.0%（4）不溶物④不溶物用盐酸溶解后的不溶残渣，经碳酸钠处理后再用盐酸中和，灼烧后不溶物占试样总质量的比例。规定PI0.75%,PII1.50%（5）氯离子掺加了混合材料和外加剂可能导致含量过高导致钢筋锈蚀的重要因素。(6)碱含量水泥中含有较多的强碱物Na2O或K2O时，容易发生不良反应对结构造成危害。因而国家标准规定，水泥中的含碱量不得大于0.6%。2）物理性质（１）细度水泥颗粒的粗细程度对水泥的使用有重要影响。水泥颗粒粒径一般在7～200μm范围内。国家标准GB175-2007规定，水泥的细度可用比表面积或0.08mm方孔筛的筛余量（未通过部分占试样总量的百分率）来表示。其筛余量不得超过规定的限值。比表面积是指单位质量的水泥粉末所具有的表面积的总和（cm2/g或m2/kg）。一般常为317～350m2/kg。负压筛（２）标准稠度用水量稠度是水泥浆达到一定流动度时的需水量。国家标准规定检验水泥的凝结时间和体积安定性时需用“标准稠度”的水泥净浆。“标准稠度”是人为规定的稠度，其用水量采用水泥标准稠度测定仪测定。硅酸盐水泥的标准稠度用水量一般在２１％～２８％之间。试杆法：定义：指试杆沉入水泥浆距底6mm±1mm，为标准稠度；仪器：标准维卡仪、圆模、试杆等（3）凝结时间水泥从加水开始到失去其流动性，即从液体状态发展到较致密的固体状态的过程称为水泥的凝结过程。这个过程所需要的时间称为凝结时间。凝结时间定义：水泥从加水到失去可塑性所需的时间其测定方法为维卡仪法，且只有标准方法，没有代用方法：初凝时间长试针沉入距底板：4mm±1mm终凝时间短试针沉入试样表面：0.5mm（４）体积安定性水泥浆体硬化后体积变化的均匀性称为水泥的体积安定性。即水泥硬化浆体能保持一定形状，不开裂，不变形，不溃散的性质。体积安定性不良的水泥应用于工程中可能导致严重后果。（４）体积安定性导致水泥安定性不良的主要原因一般是由于熟料中的游离氧化钙、游离氧化镁或掺入石膏过多等原因造成的。游离氧化钙是一种最为常见，影响也是最严重的因素。熟料中所含游离氧化钙或氧化镁都是过烧的，结构致密，水化很慢。加之被熟料中其它成分所包裹，使得其在水泥已经硬化后才进行熟化，生成六方板状的Ca（OH）2晶体，这时体积膨胀９７％以上，从而导致不均匀体积膨胀，使水泥石开裂。（４）体积安定性当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，残余石膏与未水化的铝酸三钙继续反应生成钙矾石，体积增大约1.5倍，从而导致水泥石开裂。体积安定性凝结、硬化后，体积变化均匀性检验方法：煮沸法（代用法）、雷氏夹法（标准法）（5）强度强度是评价硅酸盐水泥质量的又一个重要指标。水泥的强度是按照GB/T17961-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO）法》的标准方法制作的水泥胶砂试件，在20±1°C温度的水中，养护到规定龄期时检测的强度值。（5）强度标准试件尺寸为4cm×4cm×16cm，胶砂中水泥与标准砂之比为1：3（W/C=0.5），标准试验龄期分别为３d和28d．分别检验其抗压强度和抗折强度。按照测定结果，