建筑材料PPT 31

1796，“罗马水泥”1824，波特兰水泥1871年，美国宾西尼亚发明世界上第一台回转窑，使水泥生产大规模化。土木工程材料的主体材料，200余种。我国在产量上居世界第一已有十几年，品种也有上百种。应用与发展按其组成成分分类，可分为硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫酸盐系水泥和硫铝酸盐系水泥等。按其性能及用途可分为三类：通用水泥：用于一般土木建筑工程的水泥；专用水泥：专门用途的水泥，如道路水泥；特性水泥：某种性能比价突出的水泥，如快硬硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥。品种虽然很多，但在讨论性质和应用时，硅酸盐水泥是最基本的。分类硅酸盐水泥的熟料矿物组成凝结硬化过程技术性质硅酸盐水泥的腐蚀掺混合料硅酸盐水泥的性质特点根据工程要求合理地选用水泥第一节硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料、0-5%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（国外统称为波特兰水泥）。硅酸盐水泥分为两种类型：①不掺加混合材料的称为I型硅酸盐水泥，代号P.I。②在硅酸盐水泥粉磨时掺加不超过水泥质量5%石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称为II型硅酸盐水泥，代号P.II。一、定义石灰质原料（CaO）有石灰石、贝壳、石灰质凝灰岩。原材料粘土质原料（SiO2Al2O3Fe2O3）有粘土、黄土、页岩铁质校正原料(黄铁矿渣)或硅质校正原料（砂岩）三大步骤：水泥生料的制备；水泥熟料的烧成；水泥成品的磨制。二、硅酸盐水泥的生产原理和矿物组成1.生产工艺生料制备方法：①干法生产。将原料同时烘干并粉磨，或先烘干经粉磨成生料粉后喂入干法窑内煅烧成熟料的方法。②湿法生产。将原料加水粉磨成生料浆后，喂入湿法窑煅烧成熟料的方法。湿法的优点是易使生料混合均匀，产品质量提高。工作环境好，但需燃料较多。由于能源是我国的一大问题，因此干法生产是发展方向。石灰石粘土铁粉等或铁矿石矿粉生料按比例混合、磨细煅烧(1450℃)石膏熟料磨细水泥最关键的是煅烧水泥生产流程动画.swf生产工艺：两磨一烧3CaO·SiO2（C3S）37～60%3CaO·SiO2（C2S）15～37%3CaO·Al2O3(C3A)7～15%4CaO·Al2O3·Fe2O3(C4AF)10～18%f-CaOf-MgO水泥安定性不良SO3K2O+NaO砼碱骨料反应2.矿物组成在水泥熟料中，CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3这四种氧化物，不是以单独的氧物形式存在，而是经过高温煅烧后，两种或两种以上的氧化物反应生成的多种矿物集合体。各种矿物熟料强度增长曲线C3S:水化速率较快，水化热较大，水化产物主要在早期产生，早期强度高，且能得到不断增长。通常决定水泥强度等级高低的最主要矿物。C2S:水化速率最慢，水化热最小，水化产物和水化热主要表现在后期。C3A：水化速率极快，水化热最集中，对水泥早期（3天以内）的强度影响最大，硬化时表现的体积减缩最大，实际强度不高。C4AF：水化速率较快，水化热中等，抗压强度较低，但抗折强度相对较高。四种主要矿物成分的水化、凝结与硬化特性性能指标熟料矿物C3SC2SC3AC4AF水化速率快慢最快快28d水化热多少最多中收缩中中大小强度早期高低低低后期高高低低抗硫酸盐腐蚀性中最好差好在水泥中的相对含量改变时，水泥的技术性质也随之改变。思考：现有甲、乙两厂生产的硅酸盐水泥熟料，其矿物成分如下表所示，试估计和比较这两厂所生产的硅酸盐水泥的性能有何差异？生产厂熟料矿物成分（%）C3SC2SC3AC4AF甲56171215乙4235716三、硅酸盐水泥的水化、凝结与硬化凝结：水泥加水拌和后，成为可塑的浆体，逐渐变稠，失去塑性，但尚不具有强度的过程。分为初凝和终凝。硬化：随后产生明显的强度，并逐渐发展而成为坚硬的人造石。概念理解注意水泥水化是产生凝结硬化的前提，而凝结硬化则是水泥水化的结果。水泥的凝结硬化是人为划分的，实际上是一个连续、复杂的物理化学变化过程。（一）水化1.C3S2(3CaO·SiO2)+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2C-S-H凝胶六方晶体2.C2S2(2CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2产物同上，数量不同特征：（1）四种主要矿物同时进行水化反应；（2）均是释放热反应。3.C3A3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O立方晶体CH浓度饱和3CaO·Al2O3+Ca(OH)2+6H2O→4CaO·Al2O3·13H2O六方片状晶体3CaO·Al2O3·6H2O+3（CaS04·2H2O）+19H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O钙矾石（Aft)针状晶体石膏耗尽时，铝酸三钙还会与钙矾石反应生成单硫型水化硫铝酸钙（3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O）若不掺石膏或石膏掺量不足时，水泥会发生瞬凝现象。这是由于铝酸三钙在溶液中电离出三价离子（Al3+），它与硅酸钙凝胶的电荷相反，促使胶体凝聚。加入石膏后，石膏与水化铝酸钙作用生成钙矾石（AFt），钙矾石难溶于水，沉淀在水泥颗粒表面上形成保护膜，降低了溶液中的浓度，并阻碍了铝酸三钙的水化，延缓了水泥的凝结。但是石膏对水泥凝结时间的影响并不与掺量成正比，其影响是突变的。当掺量超过一定的范围时，又重新出现快凝现象。同时，还会在后期引起水泥石的膨胀而开裂破坏。？解释：水泥发生瞬凝的原因和石膏起缓凝的机理。4.C4AF4CaO.AlO3.Fe2O3+7H2O→3CaO.Al2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.H2OC-F-H凝胶胶体晶体水化硅酸钙凝胶（C-S-H凝胶）50%水化铁酸钙（C-F-H凝胶）Ca(OH)2六方晶体25%水化铝酸三钙立方晶体水化铝酸四钙六方片状晶体钙钒石针状晶体水化产物小节高碱性水化物C-S-H凝胶体形貌C-S-H凝胶体和C4AH13晶体钙矾石形貌氢氧化钙形貌（二）凝结与硬化水泥凝结硬化的几个划分阶段凝结硬化阶段一般的放热反应速度一般的持续时间主要的物理化学变化初始反应期潜伏期凝结期硬化期168J／8·h4．2J／8·h在6h内逐渐增加到21J／g·h在24h内逐渐降低到4.2J／g·h5--10min1h6h6h至若干年初始溶解和水化凝胶体膜层围绕水泥颗粒成长·膜层增厚，水泥颗粒进一步水化凝胶体填充毛细孔注：初始反应期和潜伏期也可合称为诱导期。“结晶理论”、“胶体理论”、“溶解-胶化-结晶”、“凝结-结晶”根据水化反应速度和水泥浆体结构的变化特征1、初始反应期加水拌和后，水泥颗粒分散于水中，形成水泥浆。水泥颗粒表面的C3A迅速水化，在石膏条件下形成钙矾石，并放热。各种水化物沉淀析出，来不及扩散，在水泥颗粒周围析出胶体和晶体，形成水化物膜层。约5～10分钟。2、潜伏期继续水化，水化物膜增厚。膜层减缓水化，水化反应和放热速度减慢，进入潜伏期。这段时间，水泥颗粒仍然是分散的，水泥浆的流动性基本保持不变。约30～60分钟。水泥的凝结硬化过程3、凝结期水分向膜层内渗透的速度，大于膜层内水化物向外扩散的速度，渗透压最终导致膜破裂，水化反应加速，潜伏期结束。由于水化物的增多和凝胶体膜层的增厚，被膜层包裹的水泥颗粒逐渐接近，以致在接触点互相粘结，形成网状结构，水泥浆体变稠，开始失去塑性为初凝，约1～3小时。继续水化，最后形成凝聚—结晶结构，水泥完全失去塑性，同时又是强度开始发展的起点，此时为终凝。一般为3～6小时。4、硬化期水泥颗粒之间的空隙逐渐缩小为毛细孔，水化产物进一步填充毛细孔，毛细孔越来越少，使水泥浆体结构更加紧密，水泥强度不断提高。特点：完全丧失塑性，具有强度及固体性质。3～7天内强度增长最快，28天内强度增长较快，超过28天后强度将继续发展，但非常缓慢。在适宜的温度和湿度条件下，水泥强度可以继续增长（6h至若干年）。1、初始放热水泥与水以接触，立即放热，放热速度很快，表明反应激烈。2、放热停滞期放热很慢，接近停滞，表面反应停顿。3、放热加速期放热速度逐渐加快，达到放热峰值，表明反应逐渐加快。4、放热减速期放热达到峰值后，放热速度逐渐减慢，表明反应逐渐减速。水泥浆水化放热过程dQdt水泥凝结硬化过程示意图（三）水泥石的结构水泥凝胶体（凝胶和晶体）未水化的水泥内核水（凝胶水和毛细水）孔隙（毛细孔和凝胶孔）随着水泥的水化，水化物体积要大于原来的未水化水泥体积，即固相体积增大。胶孔的孔隙率基本上是个常数，约占凝胶体本身体积的28%，不随水灰比和水化程度的变化而变化。随着水化进行，毛细孔体积不断减小。水灰比是影响水泥石结构性质的重要因素。水灰比大时，水化生成的凝胶体不足以堵塞毛细孔。W/C=0.4,孔隙率为20.3%，毛细孔2.2%；W/C=0.7，孔隙率为50.3%，毛细孔31%。实测：2.06理论：2.2β：固相体积膨胀率2.06VVβ水泥水化物补充：水泥水化后固相体积增大，但总体积缩小。即水泥加上水的体积并不完全等于水泥石的体积，而是略有减小。（四）影响水泥水化和凝结硬化的主要因素1.熟料矿物组成:是影响水泥凝结硬化的主要内因，C3A凝结硬化速度最快，C2S凝结硬化速度最慢。2.用水量：为了保证水泥浆体的塑性和流动性，加入的水量要大于水化所需要的理论用水量。多余的水分蒸发后，在硬化的水泥石内形成毛细孔。W/C越大，水泥浆越稀，硬化后水泥石中毛细孔越多，水泥石的强度下降；同时由于毛细孔的增多，水泥石的抗渗性和抗冻性也急剧下降。3.细度:水泥颗粒越细，与水接触越充分，水化反应速度越快，水化热越大，早期强度高；但需水量大，毛细孔多，干缩增大，反而会影响后期强度。同时水泥太细，易与空气中的水分和二氧化碳反应，使水泥不易久存，而且磨制过细的水泥能耗大，成本高。4.养护的温度和湿度：①提高温度可使水泥反应加快，强度增长加快；②当温度低于5℃时，水化硬化大大减慢；当温度低于0℃时，水化反应基本停止，当水结冰时，还会破坏水泥石结构，因此冬季施工时要采取一定的保温措施；③温度太高，反应速度太快所形成的结构不致密，会导致后期强度下降（当温度达到70℃以上时，28d的强度下降10%～20%);④通常水泥的养护温度在5～20℃时，有利于水泥强度的增长。⑤湿度是保证水泥水化的一个必备条件。5.养护龄期：随着龄期的增加，毛细孔隙减少，密实度和强度增加，水泥在3～14d内的强度增加较快，28d后强度增长趋于缓慢。6.水泥外加剂：添加＜5%的少量外加剂，可明显改善水泥的某些性能。如速凝剂、缓凝剂等。四、硅酸盐水泥的主要技术性质（一）细度定义:水泥颗粒的粗细程度。评定方法：筛分析法、比表面积法＊80µm方孔筛，筛余率≯10%＊比表面积＞300m2/kg一般认为：粒径小于40µm水泥颗粒才具有活性；粒径大于90µm水泥颗粒几乎为惰性。负压筛（二）凝结时间初凝：从水泥加水拌合起到水泥浆开始失去塑性所需的时间≥45分（一般1～3小时）终凝：从水泥加水拌合起到水泥浆完全失去塑性，并开始产生强度（但还没有强度）的时间硅酸盐水泥≤6小时30min；（一般4～6h）普通水泥≤10小时(一般5～7小时)。初凝时间太短，没有足够的时间进行搅拌、运输、浇筑、振捣、成型或砌筑；当浇筑完毕，则要求混凝土尽快凝结硬化，以利于下一道工序的进行。为此，终凝时间又不宜过迟。凝结时间测定仪思考：现有四种白色粉末，已知其为建筑石膏、生石灰粉、白色石灰石粉和白色硅酸盐水泥，请加以鉴别（化学分析除外）。（三）体积安定性定义：水泥凝结硬化时，体积变化的均匀性。原因：f-CaO、f-MgO和石膏过量解释：①游离CaO和MgO属过烧，水化速度很慢，在已硬化的水泥石中继续与水反应，体积膨胀，引起不均匀的体积变化造成水泥石龟裂、弯曲、甚至崩溃等现象。②若水泥生产中石膏过量，水泥硬化后，石膏还会继续与水化铝酸钙起反应，生成水化硫铝酸钙（钙矾石），体积增大1.5倍，同样引起水泥石开裂。测试方法:雷氏法、试饼法；有争议时以雷氏法为准。试饼法是观察水泥净浆试饼煮沸后的外形变化