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1、第二章 石灰、水泥和稳定土本章重点：讲述硅酸盐水泥熟料的矿物组成、凝结硬化机理和技术性质。本章要求：要求学生应掌握石灰消化硬化过程，质量检验评定方法；重点掌握硅酸盐水泥熟料各矿物成分特性、凝结硬化机理和技术性质的检验测定方法以及特性和应用。,何谓胶凝材料？在建筑工程中，能以自身的物理化学作用将松散材料胶结成为具有一定强度的整体结构的材料，统称为胶凝材料。,何谓稳定土？在粉碎的或原来松散的土中，掺入足量的石灰、水泥、工业废渣及其它材料后，经拌和、压实及养生后，得到的具有较高后期强度，整体性较好的材料称为稳定土。,胶凝材料的分类：,胶凝材料,有机胶凝材料,无机胶凝材料,气硬性胶凝材料,水硬性胶凝材
2、料,按化学成分分,按硬化条件分,（石灰、石膏、菱苦土、水玻璃）,（各种水泥）,（各种沥青和树脂）,气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，保持或继续提高强度。,水硬性胶凝材料不仅能在空气中硬化，而且能更好地在水中进行硬化保持并继续提高强度。,一、石灰的生产工艺概述将主要成分为碳酸钙和碳酸镁的岩石经高温煅烧（加热至900以上），逸出CO2气体，得到白色或灰白色的块状材料即为生石灰。化学反应式：,第一节 石 灰根据成品加工方法的不同，石灰可分为：（1）块状生石灰：主要成分为CaO；（2）生石灰粉：是块状生石灰磨细所得到的粉末，主要成分为CaO；（3）消石灰（熟石灰）：在生石灰中加入适量水而得到的粉状物质，
3、主要成分为Ca(OH)2；（4）石灰浆：在生石灰中加入多量水而得到的可塑性浆体物质，主要成分为Ca(OH)2。,二、石灰的消化和硬化1、石灰的消化生石灰在使用前加水消解的过程称为消化。消化后的石灰称为熟石灰。化学反应式：,石灰的硬化过程包括干燥硬化过程和碳酸化两部分1）石灰浆的干燥硬化石灰浆中的水逐渐蒸发，氢氧化钙从中结晶析出，强度也随之提高。反应式为：,2）硬化石灰浆的碳化氢氧化钙与空气中的二氧化碳作用生成碳酸钙晶体。反应式为：,2、石灰的硬化,三、石灰的技术要求和技术标准1、技术要求1）有效氧化钙和氧化镁含量石灰中活性氧化钙和氧化镁的含量是评价石灰质量的主要指标，其含量愈多，活性愈高，质量
4、也愈好。我国现行行业标准公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTJ 05794）规定，有效氧化钙含量用中和滴定法测定，氧化镁含量用络合滴定法测定。2）生石灰产浆量和未消化残渣含量石灰产浆量愈高，则表示其质量越好。未消化残渣含量愈多，石灰质量愈差，须加以限制。,3）二氧化碳含量CO2含量越高，表示未分解完全的碳酸盐含量越高，则（CaO+MgO）含量相对降低，导致石灰的胶结性能下降。4）消石灰游离水含量游离水含量影响石灰的使用质量，因此对消石灰的游离水含量需加以限制。5）细度细度与石灰的质量有密切联系，过量的筛余物影响石灰的粘结性。现行标准规定的试验方法是：称取试样50g，倒入0.9mm、0.12
5、5mm套筛内进行筛分，分别称量筛余物，按原试样计算其筛余百分率。,2、技术标准建筑石灰按现行标准建筑生石灰（JC/T 47992）、建筑生石灰粉（JC/T 48092）和建筑消石灰粉（JC/T 48192）的规定，按其氧化镁含量划分为钙质石灰和镁质石灰两类，见表2.1。钙质石灰和镁质石灰分类界限 表2.1,1）生石灰技术标准见书P33。交通土建高职高专统编教材道路建筑材料姜志青主编，人民交通出版社出版。2）生石灰粉技术标准见书P33。交通土建高职高专统编教材道路建筑材料姜志青主编，人民交通出版社出版。3）消石灰粉技术标准见书P33。交通土建高职高专统编教材道路建筑材料姜志青主编，人民交通出版社
6、出版。,四、石灰的应用和储存1、石灰的应用（1）石灰砂浆。石灰砂浆主要用于地面以上部分的砌筑工程，并可用于抹面等装饰工程。（2）加固软土地基。（3）石灰和粘土按一定比例拌和制成石灰土，用于道路工程的垫层。（4）在道路工程中广泛用于路面基层；在桥梁工程中广泛用于污工砌体。2、石灰的储存（1）储存于干燥仓库内，采取严格防水措施。（2）将其消解成石灰浆，使表面隔绝空气，以防碳化。,第二节 水 泥 水泥是一种水硬性胶凝材料，也是建筑工程中用量最大的建筑材料之一。道路和桥梁工程中通常应用的水泥有：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等六大通用水泥
7、。目前在道路建筑工程中以硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥为主。,一、硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料，05%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。不掺加混合材料的称I型硅酸盐水泥，代号PI；掺加石灰石或粒化高炉矿渣混合材料（不超过水泥质量的5%）称II型硅酸盐水泥，代号PII。,（一）硅酸盐水泥生产工艺概述1、硅酸盐水泥生产原料生产硅酸盐水泥的原料，主要是石灰质原料和粘土质原料。,2、硅酸盐水泥生产工艺概述硅酸盐水泥生产流程见示意图2.1。,（二）硅酸盐水泥的化学成分和矿物组成1、硅酸盐水泥的矿物组成硅酸盐水泥的主要化学成分是氧化钙、氧化硅、氧化铝和氧化
8、铁。硅酸盐水泥熟料中的主要矿物化学组成是硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4AF）。2、水泥熟料主要矿物组成的性质1）硅酸三钙是硅酸盐水泥中最主要的矿物组成成分，其含量通常在50%左右。硅酸三钙水化速度较快，水化热高，早期强度高，28d强度可达一年强度的70%80%。2）硅酸二钙在硅酸盐水泥中的含量约为10%40%，亦为主要矿物组成成分。遇水反应较慢，水化热很低，早期强度较低而后期强度高。3）铝酸三钙在硅酸盐水泥中含量通常在15%以下。遇水反应较快，水化热较高。4）铁铝酸四钙在硅酸盐水泥中含量通常为5%15%。遇水反应较快，水化热较高，强度较低，耐化学侵
9、蚀性好，干缩性小。,硅酸盐水泥熟料矿物组成与特性 表2.3,3、水泥熟料主要矿物组成的性质比较,硅酸盐水泥熟料矿物组成的主要特性见表2.3。,（三）硅酸盐水泥的凝结和硬化,1、水泥的水化作用,2、硅酸盐水泥的凝结和硬化,（1）初始反应期；（2）诱导期；（3）凝结期；（4）硬化期,硅酸盐水泥的凝结和硬化过程见示意图,（四）硅酸盐水泥的技术性质和技术标准1、技术性质按照我国现行国家标准硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥（GB1751999）规定，硅酸盐水泥的技术性质包括下列项目。1）化学性质（1）氧化镁含量我国现行标准硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥（GB1751999）规定，水泥中氧化镁含量不宜超过5.0%。
10、（2）三氧化硫含量我国现行标准硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥（GB1751999）规定，水泥中三氧化硫含量不得超过3.5%。（3）烧失量我国现行标准硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥（GB1751999）规定，I型硅酸盐水泥的烧失量不得大于3.0%；II型硅酸盐水泥的烧失量不得大于3.5%；普通硅酸盐水泥的烧失量不得大于5.0%。（4）不溶物我国现行标准硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥（GB1751999）规定，I型硅酸盐水泥的不溶物不得超过0.75%；II型硅酸盐水泥的不溶物不得超过1.5%。,2）物理性质（1）细度 水泥细度是指水泥颗粒粗细的程度。细度愈细，水泥与水起反应的面积愈大，水化愈充分，水化速度愈快
11、。水泥细度有两种表示方法，即：筛析法 以80m方孔筛上的筛余量百分率表示。我国现行行业标准公路工程水泥及水泥混凝土试验规程（JTG E302005）规定，采用负压筛法测定为准。比表面积法 我国现行标准硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥（GB 1751999）规定，采用勃氏透气法测定。（2）水泥净浆标准稠度 我国行业标准公路工程水泥及水泥混凝土试验规程（JTG E30 T05052005）规定，水泥净浆标准稠度的标准测定方法为试杆筛法。（3）凝结时间 水泥的凝结时间对水泥混凝土的施工有重要意义。初凝时间太短，将影响混凝土拌和料的运输和浇灌；终凝时间过长，则影响混凝土工程的施工进度。我国现行标准硅酸盐水泥
12、、普通硅酸盐水泥（GB 1751999）规定，硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于6.5h；普通硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于10h。,（4）体积安定性水泥体积安定性是反映水泥浆在凝结、硬化过程中，体积膨胀变形的均匀程度。水泥体积安定性不良，影响工程质量。按我国现行行业标准公路工程水泥及水泥混凝土试验规程（JTG E302005）规定，检验水泥体积安定性的标准为雷氏法，目前以试饼法代用。（5）强度强度是水泥技术要求中最基本的指标，也是水泥的重要技术性质之一。按我国现行行业标准公路工程水泥及水泥混凝土试验规程（JTG E302005）规定，用水泥胶砂强度
13、法作为水泥强度的标准检验方法。水泥的强度等级，在规定各龄期的抗压强度和抗折强度均符合某一强度等级的最低强度值要求时，以28d抗压强度值（MPa）作为强度等级。,硅酸盐水泥的强度指标,2、技术标准硅酸盐水泥的技术标准，按我国现行标准硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥（GB 1751999）的有关规定列表。,硅酸盐水泥的技术标准,（六）普通硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料，6%15%混合材料，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥，代号P0。,普通硅酸盐水泥的技术指标,普通硅酸盐水泥各龄期强度指标,二、掺混合材料的硅酸盐水泥为了改善硅酸盐水泥的某些性能，同时达到增加产量和降低成本的目的，在硅酸盐
14、水泥熟料中掺加适量的各种混合材料与石膏共同磨细的水硬性胶凝材料，称为掺混合材料的硅酸盐水泥。（一）混合材料1、活性混合材料掺入的材料能与水泥中的矿物成分起化学反应，生成具有胶凝能力的水化产物，且既能在水中又能在空气中硬化的称为活性混合材料。常用的活性混合材料有粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料和粉煤灰。2、非活性混合材料掺入水泥中不具有或只具有微弱的化学活性，在水泥水化中基本上不参加化学反应，仅起提高产量、调节水泥强度等级、节约水泥熟料的作用，称为非活性混合材料，又称为填充性混合材料。,（二）矿渣硅酸盐水泥1、矿渣硅酸盐水泥的定义凡由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称
15、为矿渣硅酸盐水泥，代号PS。2、矿渣硅酸盐水泥的水化和硬化矿渣硅酸盐水泥加水后，首先是熟料矿物水化，生成水化物；其次Ca(OH)2起着碱性激发剂的作用，与矿渣中的活性SiO2和活性Al2O3作用形成具有胶凝性能的水化硅酸钙和水化铝酸钙等水化产物。矿渣硅酸盐水泥中加入的石膏，一方面可调节水泥熟料的凝结时间，另一方面也是矿渣的硫酸盐激发剂，与水化铝酸钙结合，生成水化硫铝酸钙。掺量适当可加速矿渣的水化，掺量过多，会降低水泥的质量。3、矿渣硅酸盐水泥的性能和应用1）抗软水及硫酸盐腐蚀的能力较强；适用于要求耐淡水腐蚀和耐硫酸盐侵蚀的水工或海港工程。2）水化热低；适宜大体积工程。3）早期强度低，后期强度高
16、；不适宜用在温度太低，养生条件差的工程。4）耐热性较强；适用于受热（200以下）的混凝土工程。5）干缩性较大，养护不当则易产生裂缝。,（三）火山灰质硅酸盐水泥1、火山灰质硅酸盐水泥的定义凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为火山灰质硅酸盐水泥，代号PP。2、火山灰质硅酸盐水泥的水化和硬化水泥加水后，首先是熟料矿物水化，水化生成的Ca(OH)2再与火山灰质混合材料中的活性SiO2和活性Al2O3等产生二次反应，生成以水化硅酸钙为主的一系列水化产物。随着混合材料、硬化环境和水泥熟料的不同而发生硬化过程。3、火山灰质硅酸盐水泥的性能和应用1）火山灰水泥凝结硬化缓慢
17、，早期强度低，后期强度高；不宜用于有早强要求及低温工程中。2）火山灰水泥具有良好的抗渗性、耐水性及一定的抗腐蚀能力；宜用于抗渗性要求较高的工程。3）火山灰水泥保水性差，在干燥环境中将由于失水而使水化反应停止，强度不再增长，且由于水化硅酸钙凝胶的干燥将产生收缩和内应力，使水泥石产生很多细小的裂缝；不宜用于干燥环境中的地上工程。4）火山灰水泥具有较低的水化热，适用于大体积工程。,（四）粉煤灰硅酸盐水泥 1、粉煤灰硅酸盐水泥的定义 凡由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为粉煤灰硅酸盐水泥，代号PF。2、粉煤灰硅酸盐水泥的水化和硬化 粉煤灰硅酸盐水泥的水化和硬化过程与矿渣水泥相
18、似，不同之处是粉煤灰的活性组分主要是玻璃体，比较稳定，结构紧密，不易水化。3、粉煤灰硅酸盐水泥的性能和应用 1）粉煤灰水泥的凝结硬化慢，早期强度低，后期强度高甚至可以赶上或明显超过硅酸盐水泥；宜用于承受荷载较迟的工程。2）粉煤灰内比表面积较小，吸附水的能力较小，因而这种水泥干缩小，抗裂性较强。3）粉煤灰水泥泌水较快，易引起失水裂缝，故应在硬化早期加强养护，并采取一定的工艺措施。粉煤灰水泥除同样能用于工业与民用建筑外，还非常适用于大体积水工混凝土以及水中结构、海港工程等。,（五）复合硅酸盐水泥 凡由硅酸盐水泥熟料，两种或两种以上规定的混合材料，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为复合硅酸盐水泥，
19、代号PC。,复合硅酸盐水泥各龄期强度,三、其它品种水泥（一）道路硅酸盐水泥以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分和较多量的铁铝酸钙的硅酸盐水泥熟料，称为道路硅酸盐水泥熟料。道路水泥是一种强度高、特别是抗折强度高，耐磨性好，干缩性小，抗冲击性好，抗冻性和抗硫酸性比较好的专用水泥。适用于道路路面、机场跑道道面，城市广场等工程。（二）快硬硅酸盐水泥凡以硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细制成，以3d抗压强度表示强度等级的水硬性胶凝材料，称为快硬硅酸盐水泥。快硬硅酸盐水泥具有早期强度增进率高的特点，其3d抗压强度可达到强度等级，后期强度仍有一定增长。适用于紧急抢修工程、冬季施工工程和制造预应力钢
20、筋混凝土或混凝土预制构件，不宜用于大体积工程。,（三）铝酸硅酸盐水泥（矾土水泥）以铝酸钙为主的铝酸盐水泥熟料，磨细制成的水硬性胶凝材料，称为铝酸盐水泥，代号CA。铝酸盐水泥的特点是早期强度增长快，强度高。主要用于紧急抢修和早期强度要求高的工程和冬季施工的工程，也适用于处于海水或其它侵蚀介质作用的重要工程，以及制作耐热混凝土、制造膨胀水泥等。（四）膨胀水泥膨胀水泥是硬化过程中不产生收缩、而具有一定膨胀性能的水泥。在道桥工程中，膨胀水泥常用于水泥混凝土路面、机场道面或桥梁修补混凝土，还可在越江隧道或山区隧道用于配制防水混凝土、自应力混凝土以及堵漏工程、修补工程等。,（五）抗硫酸盐硅酸盐水泥以适当成
21、分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主的特定矿物组成的熟料，称为道路硅酸盐水泥熟料。加入适量石膏磨细制成的具有一定抗硫酸盐侵蚀性能的水硬性胶凝材料，称为抗硫酸盐硅酸盐水泥。抗硫酸盐水泥除具有抗硫酸盐侵蚀的特点外，而且水化热低。适用于一般受硫酸盐侵蚀的海港、水利、地下、隧道、引水、道路和桥涵基础等工程。（六）中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥(大坝水泥)以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏磨细制成的具有中等水化热的水硬性胶凝材料，称为中热硅酸盐水泥。以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入矿渣和适量石膏磨细制成的具有低水化热的水硬性胶凝材料，称为低热矿渣硅酸盐水泥。中热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥主要适
22、用于要求水化热较低的大坝和大体积混凝土工程。,第三节 稳定土材料（简述）一、概述 稳定土是在粉碎的或原来松散的土（包括各种粗、中、细粒土）中，掺入足够量的石灰、水泥、工业废渣、沥青及其它材料后，经半和、压实及养生后，得到的具有较高后期强度，整体性和水稳定性均较好的一种材料。这种材料不适宜作为路面的面层，常用作路面的基层和底基层。它包括石灰稳定土、水泥稳定土、石灰稳定工业废渣和综合稳定土。,二、稳定土材料的组成（一）稳定土的基本材料土 按照土中单个颗粒的粒径大小和组成，将土分为粗粒土、中粒土和细粒土。粗粒土是指颗粒的最大粒径小于37.5mm，且其中小于31.5mm的颗粒含量不少于90%。中粒土是
23、指颗粒的最大粒径小于26.5mm，且其中小于19mm的颗粒含量不少于90%。细粒土是指颗粒的最大粒径小于9.5mm，且其中小于2.36mm的颗粒含量不少于90%。一般规定土的液限不大于40%，塑性指数不大于20%。级配良好的土用无机结合料稳定时，既可节约无机结合料用量，又可取得满意的效果。级配良好的卵石砂粘土稳定效果最佳。,（二）稳定土的外掺材料 1、石灰：石灰的最佳剂量，对粘性土和粉性土为干土质量的8%16%，对砂性土为干土质量的10%18%。2、水泥：各种类型的水泥都可用于稳定土。3、粉煤灰：石灰粉煤灰可用来稳定各种粒料和土（二灰土）。,四、稳定类材料组成设计稳定类材料组成设计，根据对某种
24、材料规定的技术要求，选择合适的原材料，掺配用料，确定结合料的种类和数量及混合料的最佳含水量。（一）设计标准我国公路路面基层施工技术规范（JTJ 0342000）规定：对石灰粉煤灰集料（或土）混合料进行组成设计时，采用无侧限抗压强度为设计标准。（二）材料组成设计步骤1、原材料试验对于粗粒土和中粒土应做筛分或压碎值试验，对于稳定剂主要测定石灰的钙、镁含量和水泥的胶砂强度及凝结时间。各种无机结合料稳定土的强度标准（按7d龄期）初步建议值见表2.11。,无机结合料稳定类材料的抗压强度 表2.11,石灰剂量推荐范围 表2.12,水泥剂量推荐范围 表2.13,2、拟定混合料配合,（1）选定石灰或水泥的剂量
25、，按规范见表2.12、表2.13。,最少的试件数量 表2.14,对于石灰粉煤灰稳定土，采用石灰粉煤灰土做基层或底基层时，石灰与粉煤灰的比例常用1214；石灰粉煤灰与细粒土的比例可以是30701090；采用石灰粉煤灰集料作基层时，石灰与粉煤灰的比例常用1214；石灰粉煤灰与级配集料的比例应是20801585。（2）通过击实试验确定混合料的最佳含水量和最大干密度。（3）按最佳含水量和计算得的干密度制备试件进行强度试验，试件数应符合表2.14中的规定。,3、试件的强度试验 试件在规定温度下保温养生6d，浸水1d后，进行无侧限抗压强度试验，计算试验结果的平均值和偏差系数。4、选定石灰或水泥剂量 根据试验结果和强度标准，选定合适的水泥或石灰剂量。平均抗压强度R应符合下式的要求。,工地实际采用的石灰或水泥剂量应按室内确定的剂量多0.5%1.0%，二灰土的剂量应多2.0%3.0%。,
