建筑材料与检测教案模块二---单元一---水硬性胶凝材料.doc

《建筑材料与检测》课程教案
模块二 无机胶凝材料及其性能检测
【模块概述】

1、胶凝材料——又称胶结材料，是指能通过自身的物理和化学作用，把其他材料（散粒状、块状、粉状、纤维状1等）胶结成为具有一定强度的整体的材料。
2、按化学成分——有机胶凝材料+无机胶凝材料。
有机胶凝材料——以天然或合成高分子化合物为基本组成的一类胶凝材料（如沥青）；
无机胶凝材料——以无机化合物为只要成分的一类胶凝材料。
气硬性胶凝材料——只能在空气中凝结硬化、保持并继续发展其强度，适用于地上或相对干燥的环境中，如石灰、石膏、水玻璃等；
水硬性胶凝材料——既能在空气中，又能更好地在水中凝结硬化、保持并继续发展其强度，可广泛地用于地上、地下潮湿的环境或水中，如各种水泥。

u 学习单元

单元一 水硬性胶凝材料
一、通用硅酸盐水泥

（一） 通用硅酸盐水泥的定义及分类
1、定义——以硅酸盐水泥熟料和适量石膏及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。
2、分类——硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。

（二）通用硅酸盐水泥的生产
1、原料

原料： 石灰质（石灰石、白垩、石灰质凝灰岩）：提供CaO
黏土质（黏土、黄土、黏土质页岩）：提供SiO2、Al2O3、Fe2O3
校正原料（黄铁矿渣等）：补充上述化学成分。

2、 工艺概述：
两磨一烧——即生料的磨细、生料的煅烧和熟料的磨细。
1）适当比例原料磨细
2）高温下（1450℃）煅烧生料 熟料
3）熟料+3%左右石膏，磨细

（三）通用硅酸盐水泥的组分与材料
1、组分
1）组分
通用硅酸盐水泥的组分详见表3-2的规定。
2、材料
（1）硅酸盐水泥熟料
水泥熟料是指由磨细的原料（又称生料）在窑体中经高温煅烧所形成的煅烧产物。
表2-3 硅酸盐水泥熟料的主要矿物名称
矿物名称
化学式
简式
含量
硅酸三钙
3CaO·SiO2
C3S
36%～60%
硅酸二钙
2CaO·SiO2
C2S
15%～38%
铝酸三钙
3CaO·Ai2O3
C3A
7%～15%
铁铝酸四钙
4CaO·Ai2O3·Fe2O3
C4AF
10%～18%

（2）石膏
生产水泥时加入适量石膏，可以起到延缓水泥凝结时间的缓凝作用。
（3）活性混合材料
活性混合材料——粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料和粉煤灰等工业废料。
（4）非活性混合材料
非活性混合材料是指不具有活性或活性甚低的人工或天然的矿物质材料，如石英砂、石灰石、干粘土等。
（四）通用硅酸盐水泥的水化、凝结和硬化
一）水泥熟料的水化
1、水化特性
水泥熟料与水发生的反应称为水化。
表2-4 各种熟料矿物单独与水作用的性质
矿物组成
性质
硅酸三钙
（C3S）
硅酸二钙
（C2S）
铝酸三钙
（C3A）
铁铝酸四钙
（C4AF）
水化速度
较快
慢
快
中
水 化 热
中
低
高
中
强度
早期
高
低
较高
较高
后期
高
高
较高
较高
耐化学腐蚀
中
良
差
优
干 缩 性
中
小
大
小
2、水化产物

表2-5 硅酸盐水泥熟料的水化产物
水化产物
结构形态
性能
水化硅酸钙(CSH)（70%）
凝胶体
凝胶性强，强度高，不溶于水
水化铁酸钙(CFH)
凝胶体
呈絮凝状，凝胶性差，强度低，难溶于水
氢氧化钙(CH)（20%）
板状晶体
强度较高，溶于水
水化铝酸钙(C3AH6)
立方晶体
强度低，溶于水
水化硫铝酸钙(AFt)（7%）
针状晶体
强度高，不溶于水，能提高水泥石早期强度

3、水化热
伴随着水化反应放出的热量称为水化热。
同一种熟料矿物在不同龄期的水化热不同；四种熟料矿物在同一龄期的水化热也各不相同，其中以C2S的放热量最低。
4、活性混合材料的二次水化
水化反应的特点是“二次水化”。
二）凝结与硬化
水泥加水拌和后，水化逐渐变稠开始失去可塑性的过程称为初凝；当浆体稠度增大至完全失去可塑性并开始产生强度时称为终凝。
三）影响水泥凝结硬化的主要因素
1、水泥熟料的矿物组成
硅酸盐水泥各矿物成分的强度增长情况如图2-3所示。

图2-3 四种熟料矿物龄期-强度曲线 图2-4 A线-70%的C3S+10%的C2S；B线-30%的C3S+50%的C2S

2、水泥细度
细度_水泥颗粒的粗细程度。越细，平均粒径越小，比表面积越大，水化越迅速、越充分，凝结硬化速度越快，早期强度越高。一般地，颗粒小于40μm时具有较高的活性，而大于100μm时，活性较小。
3、拌和用水量
水泥水化的理论需水量一般约占水泥质量的15%～25%，实际加水量占水泥质量的40%～70% 。
4、石膏的掺量
延缓水泥水化进程。掺量过少，缓凝效果不明显；掺量过大，生成大量的体积膨胀的钙矾石晶体，导致水泥安定性不良。
5、混合材料掺量
混合材料的掺量越多，水泥水化反应速度越慢，早期强度越低。
6、养护条件
条件——温度+湿度。湿度大，利于水化硬化，利于强度增长；湿度小干燥的环境，不能充分水化，硬化也将停止，严重时会发生水泥石裂缝。
7、养护龄期
龄期是指从水泥加水拌和时起所经历的养护时间。
（五） 通用硅酸盐水泥的技术要求和技术标准
一）技术要求
1、物理性质
（1）细度
水泥细度影响水化反应的活性。水泥颗粒越细，水化反应越快越完全，早期强度越高。
（2）凝结时间
①标准稠度用水量
标准稠度——标准维卡仪的试杆在水泥净浆中下落，距离玻璃底板（6±1）㎜时的净浆稠度。标准稠度用水量——达到标准稠度时，所需的拌和水质量占水泥质量的百分比称为标准稠度用水量。
②初凝时间和终凝时间
凝结时间分为初凝时间和终凝时间。
初凝时间是由水泥全部加入水中至水泥浆呈现初凝状态所经历的时间；
终凝时间是由水泥全部加入水中至水泥浆呈现终凝状态所经历的时间。
初凝状态——维卡仪的标准试针沉入标准稠度的水泥净浆中至距玻璃底板3㎜～5㎜时的状态；
终凝状态——维卡仪的标准试针沉入标准稠度净浆制成的水泥试体不大于0.5㎜，即终凝试针上的环形附件开始不能在试体上留下痕迹时的状态。
凝结时间可用于合格性检验，用于指导混凝土施工。
国标（GB175—2007）规定：硅酸盐水泥初凝时间不小于45min，终凝时间不大于390min。其他五种通用硅酸盐水泥初凝时间不小于45min，终凝时间不大于600min。凝结时间不合格的水泥为不合格品水泥。
测定凝结时间的工程意义——混凝土施工中，要求水泥初凝时间不能过短，以保证有足够的时间在水泥初凝之前完成混凝土的搅拌、运输、浇捣和砌筑等各施工工序；但终凝时间又不宜过长，以便混凝土在浇捣完毕后，尽快硬化，产生强度，以利于下一道施工工序的进行。
（3）体积安定性
体积安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性和稳定性。引起安定性不良的因素包括过量游离的CaO、过量游离的MgO和过量的石膏。
安定性不良的水泥为不合格品水泥。
用沸煮法只能检验出游离CaO引起的安定性不良；游离MgO产生的危害与游离CaO相似，但由于其过烧程度更为严重，因此水化反应速度更慢，必须用压蒸法才能检验出来；石膏产生的体积安定性不良则需长时间在温水中浸泡才能发现。
（4）密度与堆积密度
硅酸盐水泥的密度通常在3.0～3.2g/㎝3之间，水泥的松散堆积密度在900～1300㎏/m3之间；紧密堆积状态下的密度在1400～1700㎏/m3之间。
2、化学性质
（1）MgO和 SO3含量
MgO不得超过5%（若水泥经压蒸法快速检验合格，游离MgO含量可放宽到6%），石膏水泥重量的3%～5%，保证SO3不超过3.5%。
（2）烧失量
成品水泥再次煅烧时质量损失的百分率。
（3）不溶物
煅烧过程中存留的残渣。
3、力学性质
硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥的强度，以水泥胶砂强度的方法确定。即以1：3的水泥和标准砂，按0.5的水灰比，用标准方法制作成40mm×40mm×160mm的标准试件。在标准养护条件下（20℃±1℃的水中或20℃±1℃、大于90%的相对湿度）达规定的龄期（3d、28d），分别测定其3d和28d的抗压和抗折强度，按国标（GB/175—2007）规定的各龄期的抗压强度和抗折强度划分水泥强度等级。
（六）水泥石的腐蚀和防护
一）腐蚀的类型
1、软水腐蚀（溶析性腐蚀）
不含或含有较少量的碳酸氢钙和碳酸氢镁的水称为软水。生活中常见的雨水、雪水、蒸馏水、工厂冷凝水等都是软水。水泥石的软水腐蚀又称溶析性腐蚀。
2、酸类腐蚀
（1）碳酸腐蚀

（2）其它酸的腐蚀
以盐酸、硫酸与水泥石中的氢氧化钙作用为例，其反应式如下：

3、盐类的腐蚀
（1）硫酸盐的腐蚀
（2）镁盐的腐蚀
4、强碱的侵蚀
（二）腐蚀的原因
氢氧化钙和水化铝酸钙等水化产物；水泥石本身结构的不密实性。
三)防腐措施
1、合理选择水泥品种
2、提高水泥石
3、敷设耐蚀保护层
（七）通用硅酸盐水泥的特点及工程应用
一）硅酸盐水泥和普通水泥
1、凝结硬化快，早期和后期强度均高。
2、水化热大、抗冻性好。
3、碱度高、抗碳化能力强。
4、耐腐蚀性差。
5、耐热性较差。
6、湿热养护效果差
二）粉煤灰、火山灰、矿渣、复合硅酸盐水泥
1、共性及应用
（1）早期强度低，后期强度高。
（2）水化热低，抗冻性差。
（3）抵抗软水、海水和硫酸盐腐蚀能力较强，
2、特性及应用
⑴矿渣水泥
①耐热性较强。
② 泌水性和干缩性大，抗渗性差。
⑵火山灰水泥
① 抗渗性好，耐水性强。颗粒细、泌水小，对湿热反应敏感。
②干燥环境中收缩大，易产生裂缝。
⑶ 粉煤灰水泥
① 干缩性小，抗裂性好。
② 泌水快，易失水产生裂缝。
⑷复合水泥

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