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1、模块三 水硬性胶凝材料,水泥,创设情境，激发兴趣,请问同学们，这一袋一袋的是什么？,水硬性胶凝材料,水泥呈粉末状，与水混合后，经物理、化学反应过程能由可塑性浆体变成坚硬的石状体，并能将散粒材料胶结成整体，所以水泥是一种良好的矿物胶凝材料。水泥是建筑的基础材料，使用范围广、用量大，素有建筑业的“粮食”之称。,教师引导，学生探索,单元概述：本模块主要学习通用硅酸盐水泥的性能、保管及应用。任务：一、了解水泥的定义及分类二、掌握通用硅酸盐水泥的技术性质三、掌握水泥的选（应）用及保管,知识目标：1、能知道水泥的腐蚀种类及防止措施，能记住通用硅酸盐水泥的技术性质、代号，水泥的选用原则；2、能了解硅酸盐水泥
2、的生产过程及矿物组成，理解硅酸盐水泥凝结与硬化机理；3、能熟记硅酸盐水泥的主要技术性质、质量要求及如何合理选用。技能目标：1、能根据工程实际情况，正确合理的使用水泥2、能根据相关规范、标准抽取水泥试样，进行相关检测，并对检测数据进行处理，出具相关的检验报告。,简 介,水泥属于水硬性胶凝材料，是基本建设中最重要的材料。广泛用于工业和民用建筑、道路、桥梁、铁路、水利和国防等工程。我国的水泥产量已达6亿t，品种达百余种,大约2000年前，希腊和古罗马人在建筑工程中使用了一种石灰和火山灰的混合物，这是最早应用的水泥。1824年，英国人阿斯普丁用石灰石和粘土烧成一种水硬性的胶凝材料，硬化之后的颜色、外观
3、和当时英国用于建筑的波特兰石头相似，故称为波特兰水泥。但阿斯普丁所得产物因烧成温度低而质量不够好。今天的波特兰水泥的是1850年英国人I.C.约翰逊制造的。,任务一、了解水泥的定义及分类,一、通用硅酸盐水泥的定义通用硅酸盐水泥是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,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，均属掺混合材料的硅酸盐水泥。按所掺混合材料的品种和数量可分为普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥。,1、混合材料,混合材料,活性混合材料,非活性混合材料,混合材料,在水泥生产中加入的人工或天然的
4、矿物材料。具有：提高产量，降低成本，扩大使用范围，减少水化热，改善性能等作用(一)非活性混合材料 常温下不与CH或水泥发生水化反应。如：石灰石粉、石英砂粉、粘土、慢冷矿渣等(二)活性混合材料 常温下能与CH或水泥发生水化反应。主要有：粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料（火山灰、粉煤灰等）,粒化高炉矿渣将炼铁高炉中的熔融矿渣经水淬等方式急速冷却而形成的松软颗粒，称为粒化高炉矿渣，又称水淬高炉矿渣，其主要的化学成分是CaO、SiO2和Al2O3，占90%以上。火山灰质混合材料凡是天然的或人工的以活性氧化硅和活性三氧化二铝为主要成分，具有火山灰活性的矿物质材料，都称为火山灰质混合材料。,活性混合材料,火
5、山灰质混合材料凡是天然的或人工的以活性氧化硅和活性三氧化二铝为主要成分，具有火山灰活性的矿物质材料，都称为火山灰质混合材料。,粉煤灰 粉煤灰是发电厂燃煤锅炉排出的烟道灰，其颗粒直径一般为0.0010.05mm，呈玻璃态实心或空心的球状颗粒，表面比较致密。粉煤灰的成分主要是活性氧化硅和活性三氧化二铝。,活性混合材料的矿物成分主要是活性二氧化硅和活性三氧化二铝，它们与水泥熟料的水化产物氢氧化钙发生反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，称为二次水化反应。Ca(OH)2是易受腐蚀的成分。活性氧化硅与活性氧化铝与Ca(OH)2作用后，减少了水泥水化产物氢氧化钙的含量，相应提高了水泥石的抗腐蚀性能。,这类材料
6、又称填充材料，它与水泥矿物成分或水化产物不起化学反应。掺入水泥中主要起调节水泥强度等级、增加水泥产量、降低水化热等作用。常用的有磨细石英砂、石灰石粉、粘土及磨细的块状高炉矿渣与炉灰等。,非活性混合材料,为什么要掺混合材料呢？,1、改善水泥的某些性能2、调整水泥的强度3、增加水泥的品种4、扩大水泥的使用范围5、综合利用工业废料6、节约能源7、降低水泥成本,2、硅酸盐水泥熟料,凡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的产物称为硅酸盐水泥熟料。,水泥熟料的矿物组成,矿物组成主要是：（1）硅酸三钙(3CaOSiO2，简写为C3S，占37%60%)（2）硅酸二钙(2CaOSiO2，简写成C
7、2S，占15%37%)（3）铝酸三钙(3CaOAl2O3，简写成C3A，占7%15%)（4）铁铝酸四钙(4CaOAl2O3Fe2O3，简写为C4AF，占10%18%)。,二、通用硅酸盐水泥的分类,1、硅酸盐水泥,凡由硅酸盐水泥熟料、05的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(波特兰水泥)。当硅酸盐水泥中不掺混合材料时，称为型硅酸盐水泥，代号P.。当硅酸盐水泥中混合材料掺量不超过5%时，称为型硅酸盐水泥，代号P.。,硅酸盐水泥是以石灰质原料(如石灰石等)与粘土质原料(如粘土、页岩等)为主，有时加入少量铁矿粉等，按一定比例配合，磨细成生料粉(干法生产)或生料浆(湿
8、法生产)，经均化后送入回转窑或立窑中煅烧至部分熔融，得到以硅酸钙为主要成分的水泥熟料，再与适量石膏共同磨细，即可得到P型硅酸盐水泥。,硅酸盐水泥的生产,水泥生产的步骤可用四个字概括：两磨一烧。,水泥生料在窑内的煅烧过程，虽方法各异，但都要经历干燥、预热、分解、熟料烧成及冷却等几个阶段。其中，熟料烧成是水泥生产的关键。按烧成工艺，水泥生产可分为回转窑和立窑两种。,掺混合材料的硅酸盐水泥,2、普通硅酸盐水泥简称普通水泥(PO)，是由硅酸盐水泥熟料、6%20%混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。掺活性混合材料时，最大掺量不得超过20%。普通水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R等
9、4个强度等级。,3、矿渣硅酸盐水泥简称矿渣水泥（PS)，是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，矿渣水泥分为A、B型两种。其中A型粒化高炉矿渣掺量按质量百分比计为20%50%，代号P.S.A；B型矿渣掺量50%70%，代号P.S.B。4、火山灰质硅酸盐水泥 简称火山灰水泥(PP)，是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。其中火山灰质混合材料掺量按质量百分比计为20%50%。,4、火山灰质硅酸盐水泥 简称火山灰水泥(PP)，是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。其中火山灰质混合材料掺量按质量百分比计为2
10、0%50%。,5、粉煤灰硅酸盐水泥 简称粉煤灰水泥(PF)，是由硅酸盐水泥熟料、粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。其中粉煤灰掺量按质量百分比计为20%40%。矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R等6个强度等级。,6、复合硅酸盐水泥（P.C）简称复合水泥，是由硅酸盐水泥熟料、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。复合水泥的细度、凝结时间和体积安定性要求与普通水泥相同，按规定龄期的抗压强度和抗折强度分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R等6个强度等级。,三、水泥的包装及标
11、志,水泥是粉状材料，分为袋装和散装两种。袋装水泥每袋净含量50Kg，且不得少于标志质量的99。,水泥包装袋上印刷字体的颜色及代号,任务二、掌握通用硅酸盐水泥的技术性质,（一）通用硅酸盐水泥的凝结硬化 硅酸盐水泥加水后，其水泥熟料矿物与水作用生成一系列新的化合物，并放出一定的热量称为水化。生成的新的化合物称为水化产物，主要有水化硅酸钙、水化铁酸钙凝胶体，氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。四种熟料矿物单独与水作用表现出的特性各有不同，主要表现在对水泥强度、凝结时硬化速度和水化热的影响上。,任务二、掌握通用硅酸盐水泥的技术性质（一）通用硅酸盐水泥的凝结硬化 硅酸盐水泥熟料的矿物组成及化学成分,
12、1、硅酸盐水泥的水化,表3-2 各种熟料矿物成分的水化特性,各组分比例不同，水泥技术性质发生相应变化，可根据工程需要，改变组分可制备不同性能的水泥。,矿物水化特性一、硅酸三钙（高的达60%）1.水化较快，水化反应主要在28d内进行，约经一年后水化过程基本完成。2.早期强度高，强度的绝对值和强度的增进率大，居四种矿物之首，28d强度达一年强度的70%80%；3.水化热较高；抗水性较差。,二、硅酸二钙1.水化反应慢，28d水化20%，凝结硬化慢；2.早期强度低，28d后强度较快增长，一年后赶超A矿。3.水化热小；抗水性好；三、铝酸三钙 1、水化快，凝结快；2、早强较高，但绝对值不高。3d发挥出大部
13、分强度，以 后不增长，甚至倒缩。3、水化热高，干缩变形大，脆性大，耐磨性差，抗硫酸盐性能差。,三、铝酸三钙 1、水化快，凝结快；2、早强较高，但绝对值不高。3d发挥出大部分强度，以 后不增长，甚至倒缩。3、水化热高，干缩变形大，脆性大，耐磨性差，抗硫酸盐性能差。,四、铁铝酸四钙1、水化速度：早期介于C3A、C3S间，后期的发展不如C3S；2、早期强度似C3A，后期能增长，似C2S3、水化热较C3A低，抗冲击性能和抗硫酸盐性能较好。,28d内绝对强度：C3SC4AFC3AC2S水 化 速 度：C3A C4AF C3SC2S水 化 热：C3A C3S C4AF C2S,四种矿物性能比较,2、硅酸盐
14、水泥的凝结、硬化,（1）水泥的凝结硬化过程水泥加水拌和后，成为可塑性浆体，随后，水泥浆逐渐变稠而失去塑性，但尚不具有强度的过程，称为水泥的凝结。凝结过后，水泥浆产生明显的强度并逐渐发展成为坚硬的固体，这一过程称为水泥的硬化。,机理：1、初始反应期：水泥+水水化产物，由于水化产物溶解度小，且其生成速度大于扩散速度，迅速形成水化产物的饱和溶液，在水泥颗粒的表面或周围析出2、潜伏期：水化不断进行，使包裹在水泥颗粒表面的水化物增多，形成以C-S-H为主的渗透膜层，阻碍了水化，使水化速度减慢，进入潜伏期,3、凝结期：由于水进入渗透膜层和水化物向外扩散的速度不同，而形成了渗透压力，当渗透压力达到一定程度，
15、膜层破裂，水化继续，如此反复进行。水，可塑性，表现为凝结4、硬化期：晶体共生交错，凝胶填充孔隙，产生强度,(a)分散在水中未水化的水泥颗粒(b)在水泥颗粒表面形成水化物膜层(c)膜层长大并互相连接（凝结）(d)水化物进一步发展，填充毛细孔(硬化)1水泥颗粒 2水分 3凝胶 4晶体 5水泥颗粒的未水化内核 6毛细孔,水泥凝结硬化过程示意,硬化后的水泥石包含：凝胶体、结晶体、未水化的水泥内核、水和孔隙。,（2）影响凝结硬化的因素 1）水泥熟料的矿物成分：C3S、C3A多的水泥凝结硬化和强度发展较快。2）水泥细度：水泥颗粒越细，颗粒表面与水接触的面积就越大，水化反应也越快凝结硬化快。3）拌和用水量：
16、拌合水量多，水化后形成的胶体较稀，水泥的凝结硬化就慢。,4）养护时间：时间愈长，硬化愈彻底。5）温度和湿度：温湿度愈适宜，硬化愈 好。6）石膏掺量：应适量。过少，起不到缓凝作用；过多，会引起体积安定性不良。（二）、通用硅酸盐水泥的技术性质化学指标 从不溶物、烧失量、三氧化硫、氧化镁和氯离子几方面表示，其中氯离子是新增指标,（二）、通用硅酸盐水泥的技术性质,化学指标 从不溶物、烧失量、三氧化硫、氧化镁和氯离子几方面表示，其中氯离子是新增指标.,通用硅酸盐水泥化学指标,标准稠度,凝结时间,体积安定性,强度,细度,细度是指水泥的粗细程度，水泥颗粒粒径一般在0.0070.2mm范围内。测定方法：筛析法
17、（80m的方孔筛）和比表面积法（单位质量的粉末所具有的总表面积）硅酸盐、普通硅酸盐水泥（GB1751999）规定：硅酸盐水泥比表面积应300/kg。筛余量10%。细度不合格的水泥为不合格水泥。,水化热,硅酸盐水泥的技术性质,碱含量,标准稠度,凝结时间,体积安定性,强度,指水泥加水拌和达到技术标准规定的稠度时称标准稠度。此时的加水量为标准稠度需水量。规定标准稠度的意义：为了使水泥凝结时间、体积安定性等性能的测定具有准确的可比性。按GB规定，用标准稠度仪测定水泥净浆是否达到标准稠度。,水化热,细度,硅酸盐水泥的技术性质,碱含量,标准稠度测定仪,国标规定：当维卡仪试杆沉入水泥净浆并距离底板（5-7m
18、m）时，此时的稠度即为水泥净浆标准稠度。将水泥拌制成标准稠度的水泥净浆，此时所需的加水量即为水泥的标准稠度用水量。通用硅酸盐水泥的标准稠度用水量一般为21-28.,标准稠度,凝结时间,体积安定性,强度,细度,初凝：从加水拌和到标稠，到标稠净浆开始失去可塑性所需的时间。终凝：从加水拌和至标稠水泥净浆完全失去可塑性，并产生强度所需的时间。GB规定：初凝45min，终凝390min。初凝不合格者为废品水泥，终凝不合格者为不合格品水泥。,水化热,硅酸盐水泥的技术性质,碱含量,当初凝针沉至距底板（3-5mm）时，为水泥达到初凝状态；当终凝针沉入0.5mm时，为水泥达到终凝状态。,标准稠度,凝结时间,体积
19、安定性,强度,细度,指水泥浆在硬化过程中，体积变化的均匀性能。引起安定性不良的原因：熟料中f-CaO，f-MgO过多或过烧。石膏过量。测定方法：沸煮法（饼法、雷氏法）、压蒸法等。GB规定:f-MgO5%，SO33.5%；体积安定性不合格为废品水泥，禁止使用。,水化热,硅酸盐水泥的技术性质,碱含量,体积安定性安定性不合格为废品水泥体积安定性不良会使水泥制品、混凝土构件产生膨胀性裂缝，降低建筑物质量，甚至引起严重工程事故。水泥安定性不良的原因：（1）游离氧化钙过量（2）游离氧化镁过量（3）石膏过量,游离氧化钙,氧化镁含量超标造成的破坏,检测方法：（1）游离氧化钙过量 沸煮法（饼法和雷氏法，有争议时
20、以雷氏法为准）（2）游离氧化镁过量 压蒸法（3）石膏过量 长期在常温的水中才能发现 因氧化镁和石膏的危害作用不便于快速检验，因此常在水泥生产中严格加以控制。沸煮安定性合格，水泥熟料中游离氧化镁含量不得超过5.0，如压蒸安定性合格可放宽到6.0%，水泥中三氧化硫含量不得超过3.5。,标准稠度,凝结时间,体积安定性,强度,细度,测定：GB规定，用水泥胶砂强度测定。试件标准尺寸：4040160mm；配比按 水泥:中国ISO标准砂:水=1:3:0.5，标养28d后，测其强度。使用水泥胶砂试件测强原因：水泥净浆体积收缩，易产生裂缝，不利于强度的测定。实际中均用砂浆，而很少用水泥净浆。可测多方面的强度。,
21、水化热,硅酸盐水泥的技术性质,碱含量,硅酸盐水泥各龄期的强度要求(GB1751999),硅酸盐水泥强度等级,普通型：42.5 52.5 62.5早强型：42.5R 52.5R 62.5R注：“R”表示早强型,P、P,注意：水泥标号与强度等级的区别！同一种水泥，ISO法检验的强度与GB法检验的强度相比较，平均约降低了一个强度等级。例：某水泥用老标准（即GB法）检验，其标号为425号。若用新标准（即ISO法）检验，其强度等级应为32.5级。,标准稠度,凝结时间,体积安定性,强度,细度,指水泥水化过程中放出的热量。一般1-3d龄期内水化放热量为总放热量的50%；7d为75%；6个月为83-91%。水
22、化热过大对大体积砼结构不利。措施：可采用低热水泥等。,水化热,硅酸盐水泥的技术性质,碱含量,标准稠度,凝结时间,体积安定性,强度,细度,碱含量：指水泥中Na2O+0.658K2O的计算值。要求：不得超过0.06%。危害：含量过高，会与混凝土中骨料的活性成分起反应，生成碱硅酸凝胶，其体积膨胀，造成混凝土破坏。即碱骨料反应 措施：使用低碱水泥、避免使用活性骨料等。,碱含量,硅酸盐水泥的技术性质,水化热,水泥品质判定规则,取消废品水泥判定；当化学指标、凝结时间、安定性和强度符合要求时，判定为合格水泥；当上述项目中任何一项不符合标准时，判定为不合格水泥；不合格品判定中取消细度和混合材料掺加量的规定内容
23、.,1、水泥石腐蚀的类型,2、水泥石腐蚀的原因,3、水泥石腐蚀的防止,硅酸盐水泥的腐蚀与防止,软水腐蚀,1、水泥石腐蚀的类型,亦称“溶析”，即溶出性侵蚀。雨水、雪水、蒸馏水、工厂冷凝水及含重碳酸盐甚少的河水与湖水等都属于软水Ca(OH)2+Ca(HCO3)2=2CaCO3+2H2O 溶析 自动填实,盐类腐蚀,酸类腐蚀,强碱腐蚀,1、硫酸盐的腐蚀4CaOAl2O3 12H2O+3CaSO4+20H2O=3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O+Ca(OH)2 水泥杆菌2、镁盐的腐蚀MgSO4+Ca(OH)2+2H2O=CaSO4 2H2O+Mg(OH)2MgCl2+Ca(OH)2=CaCl
24、2+Mg(OH)2,1、碳酸腐蚀Ca(OH)2+CO2+H2O=CaCO3+2H2OCaCO3+CO2+H2O=CaH(CO3)22、一般酸的腐蚀2HCl+Ca(OH)2=CaCl2+2H2OH2SO4+Ca(OH)2=CaSO42H2O,3CaOAl2O3+6NaOH=3NaO Al2O3+3Ca(OH)22NaOH+CO2=Na2CO3+H2O,2、水泥石腐蚀的原因,水泥石内含有易腐蚀的成分：氢氧化钙、水化铝酸钙。,水泥石本身不密实,外界有腐蚀的介质存在,3、水泥石腐蚀的防止,根据所处环境，合理选择水泥品种。提高水泥石的密实度。加做保护层，加不透水的沥青层等。对具有特殊要求的抗侵蚀混凝土，采用浸渍混凝土。,特点：高强、早强；抗冻性好；耐磨性好；水化热大；抗腐蚀性差。应用：用于高强、预应力砼工程；要求快凝、早强，反复冻融的工程。不适于水中或有腐蚀性介质存在的工程及大体积砼工程。存放：应按出厂日期、品种、等级分放；应防潮，过期应降级使用或重新检验。,任务三、硅酸盐水泥的特点、应用与存放,
