3 无机胶凝材料（课件）- 《建筑材料（第2版）》同步教学（清华大学版）

3 无机胶凝材料 3.1 气硬性胶凝材料 3.2 水硬性胶凝材料-水泥 胶凝材料的定义和分类 胶凝材料的定义 凡经过一系列物理、化学作用 ,能把散状材料或块状材料黏结成整体的材料称为胶凝材料。 胶凝材料的分类 如沥青、聚合物等 胶凝材料 无机胶凝材料 有机胶凝材料 气硬性胶凝材料 水硬性胶凝材料 如：石灰、石膏、水玻璃等 通称为“水泥” 无机胶凝材料 气硬性胶凝材料 加水拌合均匀后形成的浆体，只能在空气中凝结硬化，而不能在水中硬化的胶凝材料。如石灰、石膏、水玻璃、镁质胶凝材料等。 水硬性胶凝材料 加水拌合均匀后形成的浆体，不仅能在干燥空气中凝结硬化，而且能更好地在水中硬化，保持或发展其强度。通称为“水泥”。 3.1 气硬性胶凝材料 石灰 石膏 水玻璃 镁质胶凝材料 1. 石灰的生产 CaCO3 == CaO + CO2 MgCO3== MgO + CO2 900℃ 700℃ 3.1.1 石灰 欠火石灰：温度过低，时间不足；有未分解、利用率低 过火石灰：温度过高，时间太长；活性降低，反应慢（危害） 5 石灰岩是主要由方解石矿物组成的碳酸盐岩，通常作矿物原料商品名称为石灰石。在建筑、冶金、化工、轻工、食品、石油、农业等诸多领域中，具有广泛的用途，是水泥工业的重要原料。水泥是一种应用广、用量大的现代建筑材料，在国民经济建设中具有重要地位。在《中华人民共和国矿产资源法实施细则》矿产资源分类细目(1994)中，用作水泥原料的石灰岩矿及大理岩矿，均单列矿种。 石灰岩呈灰或灰白色，性脆，硬度不大，小刀能刻动，密度一般2.6～2.7t/m3，抗压强度垂直层理方向一般60～140MPa，平行层理方向一般50～120MPa，松散系数一般1.5～1.6。矿物成分以方解石为主。方解石［CaCO3］的理论化学成分：CaO 56.04%、CO2 43.96%，属三方晶系，常呈复三方偏三角面体及菱面体结晶，集合体呈晶簇、粒状、钟乳状、鲕状或致密状，无色或白色，玻璃光泽，硬度3，密度2.6～2.8t/m3，遇稀盐酸剧烈起泡。石灰岩中常混有白云石和粘土物质等杂质，使矿石质量降低。 2. 石灰的熟化与硬化 石灰的熟化 CaO + H2O == Ca（OH）2 + 64.9kJ 熟化的方式 淋 灰——消石灰粉 化 灰—— 熟石灰膏 熟化过程的特点 放出大量的热；体积膨胀1～2.5倍。 为了消除过火石灰的危害,需将石灰浆置于消化池中2~3周使之充分消化，这就是陈伏。 3.1.1 石灰 6 石灰岩在窑内煅烧常会产生不熟化的欠火石灰和熟化过头的过火石灰． 　　生石灰中含有欠火石灰和过火石灰，欠火石灰降低石灰的利用率．过火石灰密度较大，表面常被杂质融化形成的玻璃釉状物包裹，熟化很慢．当石灰已经硬化后，其中的过火颗粒才开始熟化，体积膨胀，引起隆起和开裂．为了消除过火石灰的危害，石灰浆应在储灰坑中保存两星期以上，称为”陈伏”，”陈伏”期间，石灰表面应保有一层水分，与空气隔绝，以免碳化 2. 石灰的熟化与硬化 石灰的硬化 干燥，石灰浆体在干燥过程中,毛细孔隙失水，使得 Ca(OH)2 颗粒间的接触紧密,产生一定的强度。 碳化，Ca(OH)2 与空气中的CO2 化合生成CaCO3 晶体,促进结构致密。 体积显著收缩 3.1.1 石灰 7 石灰岩在窑内煅烧常会产生不熟化的欠火石灰和熟化过头的过火石灰． 　　生石灰中含有欠火石灰和过火石灰，欠火石灰降低石灰的利用率．过火石灰密度较大，表面常被杂质融化形成的玻璃釉状物包裹，熟化很慢．当石灰已经硬化后，其中的过火颗粒才开始熟化，体积膨胀，引起隆起和开裂．为了消除过火石灰的危害，石灰浆应在储灰坑中保存两星期以上，称为”陈伏”，”陈伏”期间，石灰表面应保有一层水分，与空气隔绝，以免碳化 3. 石灰的分类与性质 按生石灰加工情况分为建筑生石灰和建筑生石灰粉。 按生石灰的化学成分为钙质生石灰和镁质生石灰。 按消石灰的化学成分分为钙质消石灰和镁质消石灰 石灰的特性 保水性、可塑性好； 凝结硬化慢、强度低； 耐水性差； 硬化后体积收缩大。 3.1.1 石灰 8 石灰岩在窑内煅烧常会产生不熟化的欠火石灰和熟化过头的过火石灰． 　　生石灰中含有欠火石灰和过火石灰，欠火石灰降低石灰的利用率．过火石灰密度较大，表面常被杂质融化形成的玻璃釉状物包裹，熟化很慢．当石灰已经硬化后，其中的过火颗粒才开始熟化，体积膨胀，引起隆起和开裂．为了消除过火石灰的危害，石灰浆应在储灰坑中保存两星期以上，称为”陈伏”，”陈伏”期间，石灰表面应保有一层水分，与空气隔绝，以免碳化 1.石膏的生产 二水石膏 CaSO4·2H2O CaSO4·0.5H2O CaSO4·0.5H2O CaSO4 Ⅲ CaSO4 Ⅱ CaSO4 Ⅰ 107～170℃ 加热、脱水 125℃ 0.13MPa 蒸压锅 170～360℃ 加热、脱水 400～750℃ 800℃ β型 建筑石膏 α型 高强石膏 可溶性石膏 不溶性石膏 高温煅烧石膏 3.1.2 石 膏 9 4. 石灰的应用 利用熟化石灰拌制砂浆； 生产硅酸盐制品：灰砂砖、加气混凝土砌块； 配制三合土、灰土、二灰稳定路用材料； 制作碳化石灰板。 3.1.1 石灰 10 石灰岩在窑内煅烧常会产生不熟化的欠火石灰和熟化过头的过火石灰． 　　生石灰中含有欠火石灰和过火石灰，欠火石灰降低石灰的利用率．过火石灰密度较大，表面常被杂质融化形成的玻璃釉状物包裹，熟化很慢．当石灰已经硬化后，其中的过火颗粒才开始熟化，体积膨胀，引起隆起和开裂．为了消除过火石灰的危害，石灰浆应在储灰坑中保存两星期以上，称为”陈伏”，”陈伏”期间，石灰表面应保有一层水分，与空气隔绝，以免碳化 2.石膏的主要品种 建筑石膏 -CaSO40.5H2O，为二水石膏在常压下经过107-170℃脱水而形成。需水量60-80%，硬化后由于多余水分蒸发，内部具有很大的孔隙率， 强度低。 高强石膏 -CaSO40.5H2O，多为二水石膏在一定压力下分解得到，晶粒较粗、结构较致密。比表面积相对要小，需水量35-45%，硬化后具有较高的密实度和强度。 3.1.2 石 膏 11 3. 建筑石膏的水化、凝结和硬化 CaSO4·0.5H2O + 1.5 H2O = CaSO4·2H2O 建筑石膏凝结，是一个溶解、反应、沉淀、结晶的过程 硬化则是二水石膏晶体之间，结晶结构网的形成过程。晶体之间互相交叉连生，形成网状结构；随着反应的继续进行，结晶结构网逐渐密实，石膏晶体逐渐硬化。 3.1.2 石 膏 4. 建筑石膏的性质 凝结硬化快，强度较低； 硬化时体积微膨胀； 孔隙率大，体积密度小； 耐水性差,抗冻性差； 防火性能良好； 具有一定的调温调湿性能。 3.1.2 石 膏 5. 石膏的应用 以石膏为主要胶凝材料制备粉刷石膏； 建筑石膏板及装饰件。 3.1.2 石 膏 水玻璃是硅溶胶与碱反应获得的可溶硅酸盐,由碱金属和二氧化硅(SiO2)组成,俗称泡花碱。黏结力强，强度较高；耐酸性、耐热性好。 配制耐酸、耐热砂浆和混凝土； 作为灌浆材料,加固地基； 作为涂刷或浸渍材料。 3.1.3 水玻璃 镁质胶凝材料又称菱苦土或氯氧镁水泥,是由菱镁矿经轻烧、粉磨制成的轻烧氧化镁与一定浓度的氯化镁溶液调和制成。快硬、轻质高强、腐蚀性低、黏结性能好、耐磨,但吸湿性大、耐水性差。 制备玻璃纤维增强氯氧镁水泥板和波镁板/瓦； 制备隔墙板、墙体保温板、砌块等装饰材料和工艺品等。 3.1.3 镁质胶凝材料 按主要水硬性物质分 3.2.1 水泥的分类 水泥种类 主要水硬性物质 硅酸盐水泥 硅酸钙 铝酸盐水泥 铝酸钙 硫铝酸盐水泥 无水硫铝酸钙、硅酸二钙 铁铝酸盐水泥 铁相、无水硫铝酸钙、硅酸二钙 氟铝酸盐水泥 氟铝酸钙、硅酸二钙 按性能和用途分 水 泥 常用水泥 （通用硅酸盐水泥） 专用水泥 特性水泥 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥 如砌筑水泥、大坝水泥等 如白色硅酸盐水泥、快凝快硬硅酸盐水泥等 3.2.1 水泥的分类 18 一、矿渣 　　slag 　　(一)又称浸出渣。铀矿石(或精矿)在酸浸出或碱浸出过程中未被酸或碱浸出的那部分矿物。由于浸出过程的选择性，大部分脉石矿物残留在矿渣中。也有部分已被酸浸出到溶液中的杂质离子(如Fe3+)，由于浸出液酸度的降低，又水解沉淀而复入渣中。为了防止浸出到溶液中的铀的水解，浸出液需保持一定的过剩酸。 　　(二)高炉炼铁熔融的矿渣在骤冷时，来不及结晶而形成的玻璃态物质。呈细粒状。熔融的矿渣直接流入水池中冷却的又叫水淬矿渣，俗称水渣。矿渣经磨细后，是水泥的活性混合材料。含SiO2多的矿渣为酸性矿渣，含Al2O3和CaO多的为碱性矿渣。碱性矿渣的活性比酸性矿渣高。矿渣由于具有一定的自身水硬性，不宜长期存放。 通用硅酸盐水泥 硅酸盐水泥，以硅酸钙为主的水泥熟料,掺适量石膏和0~5%的石灰石或粒化高炉矿渣磨细制成的， 分P·Ⅰ、 P·Ⅱ。 普通硅酸盐水泥，石膏+熟料为[80%,95%)，混合材料为(5%,20%]的水泥，简称普通水泥，代号 P·O 矿渣硅酸盐水泥，简称矿渣水泥。 P·S·A，石膏+熟料[50%,80%)、矿渣(20%,50%]；P·S·B，石膏+熟料[30%,50%)、矿渣(50%,70%]。 火山灰质硅酸盐水泥，石膏+熟料[60%,80%)，火山灰混合材料(20%,40%]，简称火山灰水泥,代号 P·P。 粉煤灰硅酸盐水泥， 石膏+熟料[60%,80%)，粉煤灰(20%,40%]，简称粉煤灰水泥，代号 P·F。 复合硅酸盐水泥，石膏+熟料[50%,80%)，混合材料(20%,50%]，简称复合水泥，代号 P·C。 3.2.1 水泥的分类 1.生产工艺流程 2.主要熟料组成 硅酸三钙(3CaO·SiO2)， C3S，50%左右，最主要的矿物成分。 硅酸二钙(2CaO·SiO2)，C2S，10%~40%。 铝酸三钙(3CaO·Al2O3)， C3A，通常在15%以下。 铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3)， C4AF，5%~15%。 3.2.2 硅酸盐水泥的基本知识 3.主要矿物特性 4.硅酸盐水泥的主要特性及用途 凝结硬化快,早期及后期强度高； 抗冻性好 耐腐蚀性差 水化热高 耐热性差 抗碳化性好 耐磨性好 3.2.2 硅酸盐水泥的基本知识 矿物化学式 水化速度 水化放热量 强度 3CaO ·SiO2 快 大 高 2CaO ·SiO2 慢 小 早期低、后期高 3CaO ·Al2O3 最快 最大 最低 4CaO ·Al2O3 ·Fe2O3 快,仅次于C3A 中 中 1.水化反应 C2S+nH →C-S-H+(2-x)CH C3A+12H+CH →C4AH13 4CaO·Al2O3·13H2O+3(CaSO4· 2H2O) +14H2O → 3CaO·Al2 O3· 3CaSO4· 32H2O+Ca(OH) 2 C4AF+4CH+22H →2C4 (A,F) H13 3.2.3 硅酸盐水泥的水化、凝结和硬化 C3S+nH →C-S-H+(3-x)CH 2.水化凝结硬化进程 水化初期 ，水化反应快，单位时间内生成的水化产物多，但水化产物总量不多，,包有水化物膜层的水泥颗粒之间是分离的， 水泥浆具有可塑性。随着时间的推移 ，水化产物增多，膜层增厚，颗粒间的空隙逐渐减小。 随着水化反应的进行，颗 粒间的接触增多，结晶体和凝胶体互相贯穿形成的网络结构不断加强，结构逐渐致密，泥浆体完全失去可塑性，开始硬化，具有一定的强度 。 硬化期后，水化反应仍然继续进行，但逐渐减慢 ，结构更加致密 ,强度相应提高，成为硬化的水泥石 。若温度 、湿度适宜 ,水泥水化可以持续几年 ，甚至数十年，水泥石的强度仍然可以缓慢增长。 3.水泥石的结构 水泥石主要由凝胶体、晶体、孔隙、水、空气和未水化的水泥颗粒等组成，存在固相、液相和气相。因此硬化后的水泥石是一种多相多孔体系。 3.2.3 硅酸盐水泥的水化、凝结和硬化 3.影响水泥凝结硬化的因素 水泥的熟料矿物组成 石膏掺量 水泥的细度 养护时间(龄期)。 温度、湿度。 3.2.3 硅酸盐水泥的水化、凝结和硬化 1.化学指标 3.2.4 通用硅酸盐水泥的技术要求 技术性质 质 量 标 准 不溶物 PⅠ型：不溶物不得超过0.75％；PⅡ型：不溶物不得超过1.50％ 烧失量 PⅠ型：烧失量不得大于3.0％；PⅡ型：烧失量不得大于3.5％。PO不得大于5.0％ 氧化镁 P、PO水泥中氧化镁含量不宜超过5.0％。如果水泥经压蒸法检验安定性合格，则水泥中氧化镁含量可放宽至6.0％.PSA、PF、PP、PC不宜超过6.0％ 三氧化硫 PS不得超过4.0%；其他不得超过3.5％ 碱含量 水泥中碱含量按Na2O＋0.658K2O计算值来表示。若使用活性集料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中碱含量不得大于0.60％或由供需双方商定 氯离子 不得超过0.06％ 2.物理力学指标 细度 硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的细度以比表面积表示 ,要求比表面积大于 300m2/kg。 其他通用硅酸盐水泥的细度以筛余 表示 ,80μm方孔筛筛余不大于 10%或 45μm方孔筛筛余不大于 30% 。 凝结时间 硅酸盐水泥初凝时间不得早于 45min，终凝时间不得迟于 390min，其他通用硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min,终凝时间不得迟于 600min 安定性 安定性不良的原因：熟料中含有过量的游离氧化钙（f－CaO），或含有过量的游离氧化镁（f－MgO）；生产水泥时掺入的石膏过量。 国家标准要求安定性合格 3.2.4 通用硅酸盐水泥的技术要求 2.物理力学指标 强度 水泥和标准砂按1：3混合，水灰比为0.5，制成（40×40×160）mm的标准试件，标准条件养护，测定3d、28d的抗折强度和抗压强度。 3.2.4 通用硅酸盐水泥的技术要求 品种 强度等级 抗压强度 抗折强度 3d 28d 3d 28d 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 42.5 ≥17.0 ≥42.5 ≥3.5 ≥6.5 42.5R ≥22.0 ≥4.0 52.5 ≥23.0 ≥52.5 ≥4.0 ≥7.0 52.5R ≥27.0 ≥5.0 硅酸盐水泥 62.5 ≥28.0 ≥62.5 ≥5.0 ≥8. 0 62.5R ≥32.0 ≥5.5 矿渣硅酸盐水泥① 火山灰硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥 32.5 ≥10.0 ≥32.5 ≥2.5 ≥5.5 32.5R ≥15.0 ≥3.5 42.5 ≥15.0 ≥42.5 ≥3.5 ≥6.5 42.5R ≥19.0 ≥4.0 52.5 ≥21.0 ≥52.5 ≥4.0 ≥7.0 52.5R ≥23.0 ≥4.5 腐蚀种类 软水腐蚀 酸侵蚀 酸侵蚀 硫酸盐侵蚀 镁盐侵蚀 强碱侵蚀 腐蚀的基本原因与防止 原因：水泥石中 的 Ca(OH) 2、C3AH6 等 ; 水泥石本身不密实 防止措施：合理选择水泥品种；提高密实度；加保护层 3.2.5 硅酸盐水泥的抗侵蚀性 二次反应 掺混合材料的硅酸盐水泥共性 凝结硬化慢 ,早期强度低 ,后期强度发展高 对温度敏感 耐腐蚀性好 水化热少 抗冻性差 抗碳化性较差 3.2.6 掺混合材料的硅酸盐水泥 掺混合材料的硅酸盐水泥特性 矿渣硅酸盐水泥，后期强度高 ，耐热性好，但抗渗性较差 火山灰质硅酸盐水泥，抗渗性好，但干缩较大， 耐磨性差 粉煤灰硅酸盐水泥，混凝土和易性好但易产生粉煤灰浮浆 ,干缩小，但早期强度低 复合硅酸盐水泥，两种或以上混合材，取长补短 3.2.6 掺混合材料的硅酸盐水泥 3.2.7 通用硅酸盐水泥的选用 硅酸盐水泥 普通水泥 矿渣水泥 火山灰水泥 粉煤灰水泥 特性 早期强度高;水化热较大;抗冻性较好;耐蚀性差;干缩较小 与 硅酸盐水 泥基本相同 早期强度较低,后期强度增长较快;水化热较低;耐热性好;耐蚀性较强;抗冻性差;干缩性较大;泌水较多 早期强度较低 ,后期强度增长较快 ;水化热较低;耐蚀性 较 强 ;抗 渗性好 ;抗冻性差;干缩性大 早期强度较低 ,后期强度增长较快 ;水化热 较 低 ;耐蚀性较强 ;干缩性较小;抗裂性较高;抗冻性差 适用 一 般 土 建 工程中 钢 筋 混 凝土及 预 应 力 钢筋混凝土结构;受反 复 冰 冻作用的结构;配制高强混凝土 与 硅酸盐水 泥基本相同 高 温 车 间和 有 耐热、耐火要求的混凝土结构;大体积混凝土结构;蒸汽养护的构件;有抗硫酸盐侵蚀要求的工程 地下、水 中大体积混凝土结构和有抗渗要求的混凝土结构;蒸汽养护的构件;有抗硫酸盐侵蚀要求 的 工程 地上、地下及水 中 大体积混凝土结构 ;蒸汽养护 的构件;抗裂 性要求较高 的构件 ;有抗硫酸盐侵蚀要求的工程 不适用 大 体 积 混 凝土结构;受化学及海水侵蚀的工程 与 硅酸盐水 泥基本相同 早期强度要求高的工程;有抗冻要求的混凝土工程 处在干燥环境中的混凝土工程;其他同矿渣水泥 有抗碳化要求的 工 程;其他同矿渣水泥 1. 快硬水泥 硫铝酸盐水泥 凝结硬化快 ,早期强度高 ,后期强度发展缓慢 ,但不倒缩 ；收缩小 ,抗冻和抗渗性能良好；抗硫酸盐性能很强；液相碱度小 。 铝酸盐水泥 高的早期强度； 水化热大；耐热可达1300 ℃ ；不宜蒸汽护养 、高温季节施工、湿温环境 ；抗硫酸盐性能很强；与硅酸盐水泥或石灰混用时出现快凝或闪凝 ；抗碱性极差 。 3.2.8 特性水泥 2. 抗硫酸盐硅酸盐水泥 3.白色硅酸盐水泥 Fe2O3 含量低于 0.5%，其他着色元素也有严格限制 4.膨胀水泥 能在水泥凝结之后的早期硬化阶段产生体积膨胀水泥 3.2.8 特性水泥 矿物组成 水泥类型 抗硫酸盐硅酸盐水泥/% 普通硅酸盐水泥/% C3S 40~50 36~60 C3S+C2S 77~80 75~82 C3A 2~4 7~15 C4AF 15~18 10~18 特点 C2S和 C4AF含量较高,水化热低,早期强度小,抗硫酸盐侵蚀 C3S和C3A 含量较高 ,水化热高,耐硫酸盐侵蚀差 $$