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1、第二章 石灰与水泥,胶凝材料,定义与分类,散粒状材料(砂、石)块状材料(砖、石块),胶凝材料,有机胶凝材料（树脂、沥青等）,无机胶凝材料,水硬性胶凝材料（水泥）,气硬性胶凝材料（石灰、石膏）,二者有何区别,定义与分类,气硬性胶凝材料与水硬性胶凝材料的区别,水硬性胶凝材料不仅可以在空气中凝结硬化，还可以在水中得到更好的凝结硬化。,气硬性胶凝材料只能在空气中凝结硬化。,第一节 石灰,石灰吟 千锤万凿出深山，烈火焚烧若等闲。粉骨碎身浑不怕，要留清白在人间。,煅烧石灰石内含CaCO3,正火石灰,欠火石灰,过火石灰,因煅烧温度过高使粘土杂质融化并包裹石灰，从而延缓石灰的熟化，导致已硬化的砂浆产生鼓泡、崩
2、裂等现象,碳酸钙没有完全分解，降低了生石灰的产量,如何解决它的危害？,一、石灰,(一)石灰的生产,水化过程中体积增大1-2.5倍，迅速放出大量热,(二)生石灰的熟化,生石灰+水,熟石灰,熟化为石灰膏：,将生石灰放入水中，注意水要过量,池中透明液体为氢氧化钙饱和溶液，下部沉淀即为熟石灰,生石灰要在水中放置两周以上，此过程即为“陈伏”。在这段时间里生石灰会完全和水反应，不会因含有过火石灰造成熟化推迟而导致墙面鼓泡的现象。,将生石灰块淋水，使石灰充分熟化，又不会过湿成团，此时得到的产品就是熟石灰粉。,熟化为熟石灰粉：,(三)石灰的硬化,晶体交错生长,干燥(空气中),CO2+H2O(空气中),石灰浆体
3、,硬化浆体,Ca(OH)2结晶析出,CaCO3结晶析出,结晶作用与碳化作用,(四)石灰的技术要求和技术标准,优等品、一等品和合格品,（五）常用建筑石灰的品种,磨细生石灰粉消 石 灰 粉石 灰 膏石 灰 乳,石灰岩,生石灰块,熟石灰粉,生石灰粉,石灰膏,石灰乳,多用来拌制灰土和三合土,使用时可以不进行陈伏,用来拌制砌筑砂浆或抹面砂浆,粉刷墙壁,（五）常用建筑石灰的品种,可塑性好和保水性好吸湿性好凝结硬化慢,Ca(OH)2粒子表面可以吸附水膜,（六）石灰的特性和应用,1.石灰的特性,生石灰可以用来做干燥剂,强度低体积收缩大耐水性差,（六）石灰的特性和应用,1.石灰的特性,2.石灰的应用,三合土用作
4、铺筑步道砖的垫层,三合土桩,灰土桩,配制石灰砂浆、石灰乳 配制石灰土、三合土 生产碳化石灰板（碳化制品）硅酸盐制品的主要原料 加固含水的软土地基,（七）石灰的储存,防水防潮，在干燥的环境中储存。,观察与讨论：,请观察图中A、B两种已经硬化的石灰砂浆产生的裂纹有何差别，并讨论其成因。,石灰砂浆A,石灰砂浆B,讨论：石灰在制备过程中，采用石灰石、白云石、白垩、贝壳等原料经煅烧后，即得到块状的生石灰，反应式如下：CaCO3 CaO(生石灰)+CO2 在煅烧过程中，若温度过低或煅烧时间不足，使得CaCO3不能完全分解，将会生成“欠火石灰”。如果煅烧时间过长或温度过高，将生成颜色较深、块体致密的“过火石
5、灰”。过火石灰水化极慢，当石灰变硬后才开始熟化，产生体积膨胀，引起已变硬石灰体的隆起鼓包和开裂。为了消除过火石灰的危害，保持石灰膏表面有水的情况下，在贮存池中放置一周以上，这一过程称为陈伏。陈伏期间，石灰浆表面应保持一层水，隔绝空气，防止Ca(OH)2与CO2发生碳化反应。,石灰砂浆A为凸出放射性裂纹，这是由于石灰浆的陈伏时间不足，致使其中部分过火石灰在石浆砂浆制作时尚未水化，导致在硬化的石灰砂浆中继续水化成Ca(OH)2，产生体积膨胀，从而形成膨胀性裂纹。,(1)内外墙粉刷层爆裂 现象：上海某新村四幢六层楼1989年911月进行内外墙粉刷，1990年4月交付甲方使用。此后陆续发现内外墙粉刷层
6、发生爆裂。至5月份阴雨天，爆裂点迅速增多，破坏范围上万平方米。爆裂源为微黄色粉粒或粉料。该内外墙粉刷用的“水灰”，系宝山某厂自办的“三产”性质的部门供应，该部门由个人承包。经了解，粉刷过程已发现有“水灰”中有一些粗颗粒。对爆裂采集的微黄色爆裂物作X射线衍射分析，证实除含石英、长石、CaO、Ca(OH)2、CaCO3外，还含有较多的MgO、Mg(OH)2以及少量白云石。,原因分析：该“水灰“含有相当数量的粗颗粒，相当部分为CaO与MgO，这些未充分消解的CaO和MgO在潮湿的环境下缓慢水化，分别生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，固相体积膨胀约2倍，从而产生爆裂破坏。还需说明的是，MgO的水化速
7、度更慢，更易造成危害。使用劣质建材，就是给工程埋下定时炸弹，危害人民利益。,(2)石灰的选用,概况：某工地急需配制石灰砂浆。当时有消石灰粉、生石灰粉及生石灰材料可供选用。因生石灰价格相对较便宜，便选用，并马上加水配制石灰膏，再配制石灰砂浆。使用数日后，石灰砂浆出现众多凸出的膨胀性裂缝，请分析原因。,原因分析：该石灰的陈伏时间不够。数日后部分过火石灰在已硬化的石灰砂浆中熟化，体积膨胀，以致产生膨胀性裂纹。,采取措施：因工程时间紧，若无现成合格的石灰膏，可选用消石灰粉或生石灰粉。消石灰粉在磨细过程中，把过火石灰磨成细粉，克服了过火石灰在熟化时造成的体积安定性不良的危害。故可不必陈伏可直接使用，且生
8、石灰熟化时放出的热可大大加快砂浆的凝结硬化，加水量亦较少，硬化后的砂浆强度亦较高。,第二节 硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥,水泥是能与水发生物理化学作用，使其由可塑性浆体硬化成坚硬的人造石材的一种粉末状水硬性胶凝材料。它是重要的建筑材料。被称为“建筑业的粮食”,水泥的分类,按性能和用途分,水 泥,通用水泥,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,石灰石硅酸盐水泥,如砌筑水泥、油井水泥、道路水泥、大坝水泥等,如白色硅酸盐水泥、快凝快硬硅酸盐水泥等,一、硅酸盐水泥的定义与分类,硅酸盐水泥熟料05%石灰石或粒化高炉矿渣适量石膏
9、,磨细,硅酸盐水泥,定义,型硅酸盐水泥,代号P.I，不掺混合材料II型硅酸盐水泥,代号P.II，掺加不超过质量5的混合材料。,1.硅酸盐水泥的生产 硅酸盐水泥的生产工艺概括起来就是“两磨一烧”如图1-1所示,图1-1 水泥生产工艺流程示意图,二、硅酸盐水泥的生产及矿物组成,2、熟料的矿物组成及其特性,熟料的矿物组成：,水泥熟料矿物,硅酸二钙,铁铝酸四钙,游离氧化钙和氧化镁,铝酸三钙,硅酸三钙,碱类及杂质,2CaOSiO2，C2S,4CaOAl2O3Fe2O3，C4AF,fCaO和fMgO,3CaOAl2O3，C3A,3CaOSiO2，C3S,化学式及简写,主要矿物组成的技术特性：水化程度：释热
10、量：,几种矿物的水化速率 C3AC3SC4AFC2S,几种矿物强度发展特征,强度,硅酸盐水泥熟料矿物组成的反应特性,观察与讨论,熟料矿物组成对早期强度及水化热的影响：以下是A、B两种硅酸盐水泥熟料矿物组成百分比含量，请分析A、B两种硅酸盐水泥的早期强度及水化热的差别。,讨论：硅酸盐水泥熟料矿物各具特性。C3S在最初四个星期内强度发展迅速，它实际上决定着硅酸盐水泥四个星期以内的强度；C3S的水化热较多，其含量也最多，故它放出的热量最多；但其耐腐蚀性较差。C2S的硬化速度慢，在大约4个星期后才发挥其强度作用，约一年左右达到C3S四个星期的发挥程度；而其水化热少；耐腐蚀性好。C3A硬化速度最快，但强
11、度低，其对硅酸盐水泥在13 d或稍长的时间内的强度起到一定作用；C3A的水化热多；耐腐蚀性最差。C4AF的硬化速度也较快，但强度低，其对硅酸盐水泥的强度贡献小；其水化热和耐腐蚀性均属中等。A水泥的C3S及C3A含量高，而C3S及C3A的早期强度及水化热都较高，故A硅酸盐水泥的早期强度与水化热高于B水泥。,一、挡墙开裂与水泥的选用：现象：某大体积的混凝土工程，浇注两周后拆模，发现挡墙有多道贯穿型的纵向裂缝。水泥熟料矿物组成如下：C3S 61C2S14C3A14C4AF11,原因分析：由于该工程所使用的水泥C3A和C3S含量高，导致该水泥的水化热高，且在浇注混凝土中，混凝土的整体温度高，以后混凝土
12、温度随环境温度下降，混凝土产生冷缩，造成混凝土贯穿型的纵向裂缝。,防治措施：首先，对大体积的混凝土工程宜选用低水化热，即C3A和C3S的含量较低的水泥。其次，水泥用量及水灰比也需适当控制。,三、硅酸盐水泥的水化与凝结硬化,水化反应,熟料矿物,C3S,C2S,C3A,C4AF,H2O,+,C-S-H 凝胶(水化硅酸钙),C-A-H 晶体(水化铝酸钙),CH 晶体(氢氧化钙),C-F-H 凝胶(水化铁酸钙),+,C-A-H 晶体(水化铝酸钙),+,+,H2O,H2O,+,凝结:水泥加水拌和形成具有一定流动性和可塑性的浆体，经过自身的物理化学变化逐渐变稠失去可塑性（而未具有强度）的过程。硬化:失去可
13、塑性的浆体随着时间的增长产生明显的强度，并逐渐发展成为坚硬的水泥石的过程。,水泥水化示意图1,硬化后的水泥石是由胶体粒子、晶体粒子、凝胶孔、毛细孔及未水化的水泥颗粒所组成。其结构如图所示。,A未水化水泥颗粒B胶体粒子C晶体粒子D毛细孔（毛细孔水）E凝胶孔,反应是需水的。水泥应用时必须提供足够水分。反应是放热的。水泥应用时必须注意温度应力。温度越高，反应越快。水泥应用时必须注意季节的影响。反应自水泥颗粒表面开始，由表及里。反应需要时间，水泥应足够细。,水化反应的基本特点,凝结硬化的影响因素,水泥矿物组成细度：细度细，硬化快，但干燥收缩大石膏：适量温度：温度高，硬化快湿度：湿度高，硬化快养护时间：
14、养护是温度、湿度的保证水灰比：提供水化用水，决定颗粒间距,硅酸盐水泥的技术要求,细度标准稠度用水量凝结时间体积安定性强度水化热碱,（一）硅酸盐水泥的细度,定义,细度指水泥颗粒的粗细程度。,同时规定凡细度不符合规定者为不合格品。,讨论与分析,缺点:,水泥越细,优点：,硅酸盐水泥的比表面积应大于300m2/kg。,GB规定,与水发生水化反应的速度越快，水泥石的早期强度越高。,总表面积越大，,硬化收缩越大；易受潮而降低活性；成本越高。,返回,（二）硅酸盐水泥的凝结时间,定义,讨论与分析,GB规定,定义,水泥的凝结时间分初凝时间和终凝时间。,水泥全部加入水中,开始失去可塑性,完全失去可塑性,初凝,终凝
15、,（二）硅酸盐水泥的凝结时间,水泥的初凝和终凝时间对工程有重要意义。例如：混凝土的施工。,讨论与分析,结论1：水泥的初凝时间不能过短，否则在施工前即已失去流动性和可塑性而无法施工。,结论2：水泥的终凝时间不能过长，否则将延长施工进度和模板周转期。,（二）硅酸盐水泥的凝结时间,结论1：水泥的初凝时间不能过短，否则在施工前即已失去流动性和可塑性而无法施工。,初凝时间不得早于45min,结论2：水泥的终凝时间不能过长，否则将延长施工进度和模板周转期。,终凝时间不得迟于6.5h。,同时规定:初凝时间不符合规定者为废品，终凝时间不符合规定者为不合格品。,GB规定,（二）硅酸盐水泥的凝结时间,凝结时间动画
16、,返回,（三）硅酸盐水泥的标准稠度用水量,讨论与分析,定义,定义,不同的水泥品种，标准稠度用水量各不相同，一般在24%33%之间。,例：A水泥的标准稠度用水量为27%，B水泥的标准稠度用水量为30%。,（三）硅酸盐水泥的标准稠度用水量,定义,水泥的体积安定性指水泥硬化后体积变化是否均匀的性质。,水泥硬化后体积发生不均匀膨胀，导致水泥石开裂、翘曲等现象。,否则，为良好。,不良：,良好：,注意：安定性不良的水泥为废品水泥，严禁在工程中使用。,(四)硅酸盐水泥的体积安定性,讨论与分析,引起安定性不良的原因有哪些,熟料中含有过多的游离MgO;,熟料中含有过多的游离CaO;,石膏掺量过多。,GB规定,用
17、沸煮法检验必须合格；,熟料中MgO含量5%；,熟料中SO3含量3.5%；,(四)硅酸盐水泥的体积安定性,GB规定,强度是水泥力学性质的一项重要指标，是确定水泥强度等级的依据。,(五)硅酸盐水泥的强度等级,注：R型为早强型，主要是3d强度较高。,（六）硅酸盐水泥的水化热,定义,水泥与水发生水化反应所放出的热量称为水化热。,对工程的影响,高水化热的水泥在大体积混凝土工程中是非常不利的，在大体积混凝土中应选择低热水泥。在混凝土冬期施工时，水化热有利于水泥的凝结、硬化和防止混凝土受冻。,密度、堆积密度和各成分含量,注：表中百分数均为质量百分数。,小结：,国家标准GB 175-2007通用硅酸盐水泥规定
18、：凡氧化镁、四氧化硫、初凝时间、安定性中任一项不符合本标准规定时，均为废品。凡细度、终凝时间中的任一项不符合本标准规定或混合材料掺加量超过最大限量和强度低于商品强度等级的指标时为不合格品。水泥包装标志中水泥品种、强度等级、生产者名称和出厂编号不全的也属于不合格品。,2.5 水泥石的腐蚀与防止,腐蚀类型,软水腐蚀不含或仅含少量钙、镁可溶性盐的水。水泥石长期与软水(流动或有压力的水)接触,CH会被溶出,导致水泥 石碱度降低，导致其它水化物分解溶失，使水泥石结构破坏。硫酸盐腐蚀海水、污水中含有钠、钾等硫酸盐 Na2SO4+Ca(OH)2 CaSO42H2O+NaOH CaSO42H2O+C-A-H
19、AFt(高硫型水化硫铝酸钙,又名水泥杆菌)硫酸盐浓度高时,CaSO42H2O 直接在孔隙中结晶,体积膨胀。镁盐腐蚀海水、污水中含有大量镁盐,如硫酸镁和氯化镁 MgSO4+Ca(OH)2 CaSO42H2O+Mg(OH)2 松软无胶结力 MgCl2+Ca(OH)2 CaCl2+Mg(OH)2 CaCl2易溶于水,CaSO42H2O引起硫酸盐腐蚀 故硫酸镁对水泥石有双重腐蚀 酸的腐蚀,水泥杆菌,硫酸盐腐蚀,水泥石腐蚀的原因,基本原因 水泥石(水化物)中存在CH晶体和C-A-H晶体 腐蚀原因 水泥石本身不密实 外在因素 介质、温度、流速、压力等。水泥石的腐蚀是一个极为复杂的物理化学过程，水泥石的腐蚀
20、很少仅是单一的侵蚀作用，而是几种侵蚀同时存在，互相影响，共同作用。合理选择水泥品种 提高耐腐蚀的措施 提高水泥石的密实度 做保护层石料、玻璃、陶瓷、沥青等,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。适用范围：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。不适用范围：大体积混凝土结构；受化学及海水侵蚀的工程。,1、普通硅酸盐水泥（代号PO）,定义硅酸盐水泥熟料620的混合材料适量石膏注：掺活性混合材时，最大掺量不得超过20%，其中允许用不超过水泥质量5%的窑灰或不超过水泥质量8%的非活性混合材料来代替.,技术性质要求相同点：与硅酸盐水泥
21、相近，因为混合材料的掺量少，其矿物组成仍在硅酸盐水泥的范围之内。MgO含量、SO3含量、安定性的技术要求相同。不同点凝结时间：初凝不小于45min;终凝不大于600min,强度等级：普通硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R两个强度等级。各龄期的强度不低于下表的规定。,主要特性（1）早期强度略低，后期强度高。（2）水化热略低。（3）耐磨性，抗冻性，抗碳化性略有降低。（4）抗侵蚀、抗腐蚀能力稍好。（5）耐热性能稍好。应用普通硅酸盐水泥的应用范围和硅酸盐水泥相同。,第三节 掺混合材料的水泥,定义：凡在硅酸盐水泥熟料中，掺入一定量的混合材料和适量石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料，均
22、属掺混合材料的硅酸盐水泥。,混合材料及其分类,混合材料 为了改善水泥性能、提高水泥的产量，在生产时掺入的天然或人工矿物质材料。活性混合材料粒化高炉矿渣；粉煤灰；火山灰质混合材料非活性混合材料,2、矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥,定义技术性质要求（与普通水泥相比）相同点凝结时间、安定性的技术要求相同。,熟料,适量石膏,20%70%粒化高炉矿渣,20%40%粉煤灰,20%40%火山灰质混合材料,矿渣水泥（PS）,粉煤灰水泥（PF）,火山灰水泥（PP）,磨细,磨细,磨细,不同点：三氧化硫含量：矿渣水泥不超过4.0；火山灰质水泥、粉煤灰水泥不得超过3.5。强度等级：强度等级划分为32.5，32.5R
23、，42.5，42.5R，52.5，52.5R共六个等级。各龄期的强度要求见下表。密度：水泥的密度为28003100kg/m3。,主要特性（与硅酸盐水泥、普通水泥相比）三种水泥的共同特性凝结硬化较慢，早强强度较低，后期强度增长较快；水化热较低，放热速度慢；抗硫酸盐腐蚀和抗水性较好；蒸汽养护适应性好；抗冻性、耐磨性及抗碳化性能较差。,三种水泥各自特性矿渣水泥的抗渗性较差，但耐热性好，可用于温度不高于200的混凝土工程中。火山灰水泥的抗渗性好，但干缩较大，不适用于长期处于干燥环境中的混凝土工程。粉煤灰水泥早起强度低，干缩小，抗裂性好，水化热低。,矿渣水泥适用范围：高温车间和有耐热耐火要求的混凝土结构
24、；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。不适用范围：早期强度要求高的工程；有抗冻要求的混凝土工程,火山灰水泥适用范围：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；有杭硫酸盐侵蚀要求的工程。不适用范围：处在干燥环境中的混凝土工程；其他同矿渣水泥,粉煤灰水泥适用范围：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。不适用范围：有抗碳化要求的工程；其他同矿渣水泥,*3、复合硅酸盐水泥（PC）,硅酸盐水泥熟料,两种或两种以上的规定混合料,适量石膏,水硬性胶凝材料,磨细,*3、复合硅酸盐水泥（PC）与硅酸盐水
25、泥相比，由于掺入了两种或两种以上的混合材料，复合水泥的水化热较低；早期强度较高，其强度要求与其他掺混合材料水泥的强度要求相同。,第四节 其他品种水泥,水泥按用途和性能分类,适当改变熟料中矿物成分的含量,加入一定量的混合材料,4.1 道路硅酸盐水泥,1.定义凡由道路硅酸盐水泥熟料（得到以硅酸钙为主要成分和较多量的铁铝酸四钙的硅酸盐水泥熟料），010%活性混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。2.特点具有较高的抗折和抗压强度、较高的耐磨和抗冻性、较小的收缩性。3.应用公路路面、机场跑道等工程，要求较高的工厂地面及停车场等工程。,机场跑道,收缩裂纹,4.2 快硬硅酸盐水泥,（1）定义凡以硅酸钙
26、为主要成分的水泥熟料，加入适量石膏，经磨细制成的具有早期强度增进率较快的水硬性胶凝材料，称快硬硅酸盐水泥，简称快硬水泥。措施：提高熟料中C3A和 C3S的含量，适当增加石膏的掺量，并提高水泥的粉磨细度。（2）特性 凝结硬化快，早期强度增进率快。强度与标号：快硬水泥以3d抗压强度确定。其标号：32.5、37.5、42.5（3）应用 配制早强混凝土 适用于紧急抢修工程、低温施工工程、制作砼预制构件。*易受潮变质，在运输和储存时，必须注意防潮，存放期一般不超过一个月。,1.特点水泥硬化过程中不但不发生收缩，而且有不同程度的膨胀的水泥。2.分类自应力值 2MPa的称为膨胀水泥，自应力值 2MPa的称为自应力水泥；或自由膨胀率 3%的称为膨胀水泥,自由膨胀率 3%的称为自应力水泥。3.应用补偿收缩砼、抗渗砼、接缝或管道接头、结构加固与修补、砼压力管等。,4.3 膨胀水泥和自应力水泥,低配筋微膨胀混凝土,
