第二章-无机结合料--长安大学国家级精品课程-道路工程材料

《道路建筑材料》第二章无机结合料主讲人：申爱琴张超长安大学公路学院主要内容石灰2.1水泥2.2粉煤灰2.3主要内容水泥、石灰：原材料丰富、成本低（就地取材）耐久性好粘结其他材料的能力强无机结合料：气硬性水硬性42.1.1原料及组成2.1.2水化及强度形成机理2.1.3技术性质及标准第一节石灰（1）石灰原材料及烧制•用于烧制石灰的原料是富含碳酸钙的一类物质，如石灰石、白云石等。•加工成一定规格的原料在石灰窑中高温加热，通过化学反应，烧制成生石灰，其中的化学反应式可表示为：•烧制过程中，由于石灰窑炉温偏差或波动，造成窑内温度过高过温度偏低，温度过高时烧成过烧石灰，而偏低则烧成欠火石灰.2.1.1原料及组成CaCO3CaO+CO2石灰石白云石贝壳•石灰产品种类有：——块状生石灰——生石灰粉——熟石灰粉•由于石灰仅能够在空气中在水的参与下凝结硬化，而不能在水中硬化，所以称石灰为气硬性胶凝材料.2.1.1石灰产品生石灰块生石灰粉消石灰粉•石灰加水，通过水化反应由生石灰转化为熟石灰，这一过程称为石灰的消化。该过程用化学式可表示为：•由于过烧石灰在日后的凝结硬化滞后带来的消极影响，消化后的石灰往往要“陈伏”一段时间，用于消除过烧石灰造成的危害，陈伏时间通常大约为15d左后.石灰的消解2.1.2石灰的水化及强度形成机理CaO+H2OCa(OH)2+△石灰的硬化•——石灰的干燥结晶硬化：随着石灰中水分的蒸发损失，石灰逐渐形成结晶体，晶体状石灰的水溶性明显降低，形成晶体硬化。•——石灰的碳酸化：石灰在水的参与下，与空气中的CO2作用，形成碳酸钙。新的产物具有显著的水不溶性，起着胶凝和硬化的作用。2.1.2石灰的水化及强度形成机理Ca(OH)2+nH2OCa(OH)·nH2OCa(OH)2+H2O+CO2CaCO3+(n-1)H2O2.1.3石灰的技术性质及其标准残渣量细度含水量有效钙镁含量二氧化碳含量物理性质化学性质石灰主要技术性质2.1.3石灰的技术性质及其标准•石灰发挥无机胶凝效果取决于石灰中的有氧化钙和有效氧化镁，这类氧化物含量越高，石灰的质量越好；•石灰中钙和镁物质并非都具有胶凝功能，只有那些游离的（独立存在的）氧化钙和氧化镁才能发挥这样的作用，所以称之为有效钙镁；•准确的有效钙镁含量可以采取化学分析的方法进行测定.2.1.3石灰的技术性质及其标准石灰水溶液石灰水溶液酚酞指示剂酸碱中和反应反应后溶液石灰有效钙镁含量检测方法采用的是酸碱滴定法，也就是利用已知浓度的盐酸（HCl）与一定数量的石灰进行反应，根据反应过程中所消耗的盐酸量(ml)，通过计算得出石灰中有效钙镁含量；含量检测原理结果计算NVC0.028100%W石灰有效含量（aO）%=式中：N——盐酸当量浓度；V——滴定终点盐酸消耗量（ml）;W——测定时所用石灰质量（g）;0.028——氧化钙毫克当量.2.1.3石灰的技术性质及其标准•石灰的技术标准是根据石灰属钙质和镁质石灰两种类型加以制定；•由于钙质石灰性能优于镁质石灰，应用时优先考虑钙质石灰。•石灰在道路工程中的主要用途是用来稳定土、砂石及工业废渣（如粉煤灰、煤矸石）等材料，铺筑道路基层和底基层，即所谓的半刚性基层.≥4＞5＞5镁质石灰＜4≤5≤5钙质石灰消石灰粉生石灰粉生石灰品种氧化镁含量(%)类别2.1.3石灰的技术性质及其标准石灰品种项目钙质石灰镁质石灰IIIIIIIIIIII生石灰有效（CaO+MgO）(%)≥858070807565残渣含量（4.75mm筛余）（%）≤71117101420消石灰粉有效（CaO+MgO）(%)≥656055605550含水率（%）≤444444细度0.90mm方孔筛筛余≤0110110.125mm方孔筛筛余≤1320-1320-道路工程用石灰技术标准第二节粉煤灰2.2.1基本概念2.2.2技术性质及技术要求2.2.3粉煤灰活性及其激发2.2.4粉煤灰在公路工程中的应用2.2.1粉煤灰组成及分类•粉煤灰是火力发电厂燃煤发电过程中排出的粉尘，根据排放方式的不同，分为干排灰和湿排灰，通过静电集灰排出的干排灰性能更好些。静电法干排灰火力发电厂湿排灰2.2.1粉煤灰组成及分类•粉煤灰化学组成除未燃尽的碳之外，其主要成分是SiO2、Al2O3，以及一定量的Fe203，以及少量CaO、MgO和SO3等，其中SiO2、Al2O3和Fe203总量通常超过80%；•粉煤灰矿物组成70%以上属玻璃体，是粉煤灰活性物质的主要来源。•粉煤灰的形态粉煤灰颗粒存在一些空心球体，是粉煤灰中一些性能比较活跃的部分。粉煤灰粒径通常约为1～100μm，通常在20μm以下，具有极高的比表面积，约为300～500m2/kg.2.2.1粉煤灰组成及分类•依据不同角度，如粉煤灰的主要性质、其中的氧化物含量及不同氧化物之间比例等，可将粉煤灰划分为不同类型；•以烧失量和细度为指标，是目前我国划分不同类型粉煤灰的主要依据.类型细度（%）（45μm方孔筛）烧失量（%）I级灰＜12＜5II级灰＜20＜8III级灰＜45＜15密度烧失量含水率需水量比2.2.2粉煤灰技术性质及要求粉煤灰技术性质粒度粉煤灰细度越高，其可利用的机会越大。通常根据不同排放方式，其粒度会有一些差异，但基本状态是，0.074~2mm颗粒约占35~40%，其余为小于0.074mm的颗粒；粉煤灰的相对密度大约在1.9~2.6之间，比相同成分的矿物要轻一些。密度的大小与其玻璃体含量和空心球体数量多少相关，玻璃体含量高，空心球体比例低，则粉煤灰的密度就高。粉煤灰密度越大，则其质量相对越好；击实特性由于粉煤灰持水性较大，所以粉煤灰击实过程中接近最大干密度时，含水量会有一个较明显的变化。粉煤灰最大干密度比一般的土明显偏小，这与粉煤灰自身颗粒特点密切相关。所以用粉煤灰填筑路基等构造物自重有较大的减轻由于粉煤灰颗粒间的粘聚性很低，自身的抗压强度很低，但当采用一定的加固稳定措施后，其形成的抗压强度比土要高许多，这是粉煤灰能在土木工程大量应用的一个主要原因.抗压强度对于湿排灰，其含水率会有很大的变化，应用时要加以控制。如道路工程控制粉煤灰含水率不应超过35%.粉煤灰和水的混合物达到某一流动度的情况下所需的用水量，粉煤灰的需水量越小，相应的工程利用价值就越高.在大约950℃上下，粉煤灰会产生一定数量的质量损失，称之为烧失量，该量取决于粉煤灰中未燃尽的碳的数量多少。所以烧失量越高，表明粉煤灰中有害成分碳的数量越高，工程实际应用时需要对该量加以限制.2.2.2粉煤灰技术性质及要求技术要求——不同应用领域采用不同标准•用于水泥混凝土粉煤灰，根据各指标的高低不同，将粉煤灰分成三个等级，I级灰的质量最好。主要技术标准包括：0.045mm筛余量、需水量比、烧失量、含水率、SO3和游离CaO含量，以及安定性等；•粉煤灰用于道路基层，技术要求包括：SiO2、Al2O3和Fe2O3含量不低于70%、烧失量不大于20%、比表面积大于2500cm2/g.2.2.3粉煤灰活性及其激发•活性定义：粉煤灰活性是指在碱性条件下，粉煤灰可以与水发生化学反应，生成水硬性胶凝物质的性质；•影响粉煤灰的活性因素影响粉煤灰活性因素众多，外因有粉煤灰排放时的热历史、粉煤灰存放条件等；内因有粉煤灰中有效氧化物含量，更重要的是粉煤灰中玻璃体结构特点。通常粉煤灰玻璃体大多以一种稳定的多聚体结构存在，其活性程度不高，需要在一定条件下才能得以释放，显示其活性效果.•活性评价方法目前还没有一种能够全面评价粉煤灰活性方法，大多是从一个侧面说明其活性。其中包括：石灰吸收法、水泥强度比较法等.2.2.3粉煤灰活性及其激发•粉煤灰活性反应粉煤灰活性是指在碱性条件下，粉煤灰可以发生一系列化学反应，包括离子交换反应、碳酸化反应以及火山灰反应等。其中作用效果最显著的是粉煤灰中氧化硅和氧化铝与石灰的火山灰反应，其化学反应式可表示为：生成的产物是水硬性胶凝物质，相应显微图如下：SiO2+xCa(OH)2+(n-x)H2O=xCaO〃SiO2〃nH2OAl2O3+xCa(OH)2+(n-x)H2O=xCaO〃Al2O3〃nH2O2.2.3粉煤灰活性及其激发•影响粉煤灰的活性因素影响粉煤灰活性因素众多，外因有粉煤灰排放时的热历史、粉煤灰存放条件等；内因有粉煤灰中有效氧化物含量，更重要的是粉煤灰中玻璃体结构特点；•活性评价方法目前还没有一种权威性被广泛认可的评价粉煤灰活性方法，大多是从一个侧面说明其活性。其中包括：石灰吸收法、水泥强度比较法、指标综合法等.2.2.3粉煤灰活性及其激发•提高粉煤灰活性也就是提高粉煤灰参与化学反应能力的方法可以是物理方法，也可以是化学方法。这些方法的核心：——一是充分发挥出粉煤灰已有的活性潜力，比如加大粉煤灰的细度，通过磨细过程，粉碎粗大多孔的玻璃体，解除玻璃体颗粒的粘连，使粉煤灰颗粒表面可溶物数量增加，提高参与反应能力；——二是通过化学方法，改变粉煤灰玻璃体结构，使阻碍粉煤灰活性的高聚合度发生解聚，降至成为聚合度较低的低聚合度玻璃体结构，因而从根本上改变粉煤灰原有性能；•激发粉煤灰活性最简单的化学方法是与石灰拌合使用，但石灰效果有限。更加有效的手段是采用化学外加剂，常用外加剂碳酸钠、无水硫酸钠.7d龄期改性效果对比01234抗压强度（MPa）无外掺剂组1%碳酸钠组2%硫酸钠组灞桥粉煤灰开封粉煤灰新乡粉煤灰2.2.3粉煤灰活性及其激发下图为利用碱性外加剂碳酸钠、无水硫酸钠.激发粉煤灰活性的例子。012345678抗压强度（MPa）无外掺剂组1%碳酸钠组2%硫酸钠组灞桥粉煤灰开封粉煤灰新乡粉煤灰28d龄期改性效果对比2.2.4粉煤灰在公路工程中的应用•用于水泥混凝土配合比设计，作为混凝土组成材料之一。通常大流动性或大体积混凝土、高性能路面混凝土等都必须通过掺入一定量粉煤灰来实现；•采用石灰、水泥或综合方式对粉煤灰进行稳定加固，作为路面基层或底基层材料使用。道路基层或底基层中应用粉煤灰是提高道路性能和减轻粉煤灰环境负担的一个非常有效的技术方法。通常粉煤灰以石灰粉煤灰土或石灰粉煤灰碎石形式作为路面基层材料，其中粉煤灰最大掺量可达整个基层材料的50~60%；•用于填筑路堤，大大降低道路结构自重，提高路基稳定性.课堂讨论•石灰久臵会带来什么问题？•除了气硬性和水硬性的差异之外，石灰和水泥相比在胶凝过程中还有何本质上的区别？•粉煤灰是否属于所谓（无机）胶凝材料？272.3.1水泥定义及分类2.3.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分2.3.3硅酸盐水泥的水化及凝结硬化2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与技术标准2.3.5硅酸盐水泥的腐蚀与防止2.3.6其他水泥第三节水泥2.3.1水泥定义及分类水泥是重要的建筑材料之一，发展历史悠久1824年，英国人Aspdin发明了波特兰水泥，并获得专利权，在水泥发展史上具有里程碑意义自此胶凝材料进入了一个崭新的发展时代广泛用于公路工程及其构造物主要用于砂、石材料的胶结或混凝土的生产现代交通对水泥提出了更高的要求定义：硅酸盐熟料、适量石膏及少量混合材共同磨细得到的一种水硬性胶凝材料不仅能在空气中硬化，还能更好地在水中硬化，保持并继续增长其强度分类：按性能和用途不同，可分为：通用水泥（大量用于一般土木工程）专用水泥（专门用途）特种水泥（性能突出）2.3.1水泥定义及分类分类：按矿物组成，可分为：硅酸盐水泥铝酸盐水泥硫酸盐水泥按技术特性，可分为：快硬水泥低热水泥膨胀水泥耐高温水泥2.3.1水泥定义及分类通用水泥分类：按混合材种类及数量进行分类矿渣硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥火山灰酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥通用水泥复合硅酸盐水泥2.3.1水泥定义及分类快硬性水泥水化热水泥耐高温型水泥低碱水泥抗硫酸盐水泥膨胀水泥特种水泥分类2.3.1水泥定义及分类特种水泥道路水泥大坝水泥砌筑水泥专用水泥专用水泥分类2.3.1水泥定义及分类1.硅酸盐水泥（P.I、P.II）I型，不掺混合材；II型，掺加不超过5％的混合材2.普通硅