膠凝材料學(xué)-5課件

膠凝材料學(xué)第五章?lián)交旌喜牧系墓杷猁}水泥第一節(jié)混合材料一、混合材料的定義及分類1、定義：在生產(chǎn)水泥時，為改善水泥的性能，調(diào)節(jié)水泥的強(qiáng)度等級，而加到水泥中去的人工的和天然的礦物材料，稱為水泥的混合材料。2、種類：按性質(zhì)劃分：活性混合材料和非活性混合材料。3、活性混合材料：凡是天然的或人工礦物材料，磨成細(xì)粉，加水后本身不硬化，但在激發(fā)劑的作用下，在常溫下，不但能在空氣中，也能在水中硬化的，稱為活性混合材料?；钚曰旌喜牧嫌辛；郀t礦渣、粉煤灰、火山灰、燒頁巖、沸石等。4、非活性混合材料凡是天然的或人工礦物材料，磨成細(xì)粉，與水泥成分不起化學(xué)作用（即無化學(xué)活性）或化學(xué)作用很小，在水泥中主要起填充作用的，稱為非活性混合材料，如石灰石、石英砂、慢冷礦渣及各種工業(yè)廢渣等。2、Al2O3：含量為5%~15%，有的高達(dá)30%水淬后成為玻璃體。含量越高，礦渣的活性越大。當(dāng)氧化鈣和氧化鋁含量都高時，礦渣的活性最大。3、SiO2：一般為30%~40%氧化硅含量較高時，熔融體粘度較大，冷卻時易形成低堿高硅玻璃體，使玻璃結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)形成劑增加，降低礦渣活性。4、MgO：一般低于15%氧化鎂一般為玻璃結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)整劑，不會產(chǎn)生安定性不良的現(xiàn)象。氧化鎂可以增加熔融礦渣的流動性，有助于提高礦渣?；|(zhì)量，從而提高礦渣的活性和質(zhì)量。5、礦物組成慢冷礦渣中會析出鈣長石、硅酸二鈣、硅酸一鈣、鎂方柱石、鎂橄欖石等晶體。除了硅酸二鈣之外，其它晶體不具膠凝性，所以慢冷礦渣沒有活性。急冷過程中，液相黏度很快加大，晶核來不及形成，因此形成玻璃體結(jié)構(gòu)使急冷的?；郀t礦渣具有活性。（三）?；郀t礦渣中玻璃體的結(jié)構(gòu)1、礦渣玻璃體的形成礦渣的急冷成粒過程即由熔融態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)（一種無定型的固態(tài)）的過程。玻璃體不能排列成為穩(wěn)定的晶體形態(tài)，仍保持著原有熔體的結(jié)構(gòu)特征。玻璃體的內(nèi)能較晶體相高，它有轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定晶相的傾向。所以玻璃體處于介穩(wěn)狀態(tài)。2、礦渣玻璃體的結(jié)構(gòu)：礦渣玻璃是以網(wǎng)絡(luò)形成離子所組成的[SiO4]4-四面體為基本結(jié)構(gòu)單元，[SiO4]4-之間由“橋氧”連接成空間網(wǎng)絡(luò)，而四配位的Al3+以[AlO4]5-四面體的形式參與組成網(wǎng)絡(luò)。Ca2+、Mg2+以及六配位的Al3+等網(wǎng)絡(luò)改變離子處于網(wǎng)絡(luò)鏈條之外，但又以一定的配位狀態(tài)分布于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。（四）礦渣的結(jié)構(gòu)與其活性的關(guān)系分為三個結(jié)構(gòu)層次1、第一層次—礦渣的結(jié)構(gòu)：由玻璃相和結(jié)晶相組成。結(jié)構(gòu)特征參數(shù)：玻晶比=玻璃相含量/結(jié)晶相含量該值越大，礦渣的水硬性越高。2、第二層次—玻璃相的結(jié)構(gòu)：CaO含量差異很大特征參數(shù)：網(wǎng)絡(luò)調(diào)整劑含量/網(wǎng)絡(luò)形成劑含量。隨著該比值的提高，礦渣玻璃相的水硬性增加。（五）礦渣質(zhì)量的評定1、質(zhì)量系數(shù)：K=(CaO+MgO+Al2O3)/(SiO2+MnO+TiO2)質(zhì)量系數(shù)反映了?；郀t礦渣的結(jié)構(gòu)本質(zhì)，該值越大，網(wǎng)絡(luò)調(diào)整劑含量較高，所以礦渣活性較高。K不得小于1.2。2、強(qiáng)度指標(biāo)：R=100f/[f0(100-M)]f：礦渣硅酸鹽水泥的28d抗壓強(qiáng)度f0：不摻礦渣的硅酸鹽水泥的28d抗壓強(qiáng)度M：礦渣摻入百分?jǐn)?shù)R=1，礦渣無活性，R>1，認(rèn)為有活性。R值越大，礦渣的活性越高。二、火山灰質(zhì)混合材料（一）定義：凡天然的或人工的以氧化硅、氧化鋁為主要成分的礦物質(zhì)原料磨成細(xì)粉，單獨(dú)加水不硬化，但與石灰混合后，再加水拌合后，不僅能在空氣中硬化，而且能在水中繼續(xù)硬化的，稱為火山灰質(zhì)混合材料。（二）種類：按其成因分為兩類1、天然火山灰質(zhì)混合材料：（1）火山灰：火山噴發(fā)出的細(xì)粒碎屑疏松沉淀物。（2）凝灰?guī)r：由火山灰沉淀形成的致密巖石。（3）浮石：火山噴出的巖漿在冷卻凝固過程中排出大量氣體，強(qiáng)烈起泡，成為多孔海綿狀玻璃質(zhì)的巖石，質(zhì)量輕能浮于水面。（4）硅藻土：由極微細(xì)的硅藻外殼聚集沉淀而成，外觀呈松軟多孔粉狀。2、人工火山灰質(zhì)混合材料（1）燒頁巖：頁巖或油巖經(jīng)煅燒或自燃而成。（2）燒粘土：粘土或粘土質(zhì)頁巖經(jīng)煅燒而成。（3）燒煤矸石：采煤時排出的低含碳量頁巖，經(jīng)煅燒或自燃后的產(chǎn)物。（4）煤渣：煤炭燃燒后的殘渣?；钚耘c原煤中粘土質(zhì)礦物的成分，煤的燃燒方式、溫度，煤渣中含碳量等有關(guān)。（5）硅灰：煉硅或硅鐵合金時排出的煙道灰。主要成分為無定形狀的SiO2，占90%以上。顆粒極細(xì)，平均粒徑為0.1m，活性非常高。（三）火山灰質(zhì)混合材料的活性評定分為化學(xué)方法和強(qiáng)度試驗法兩種1、化學(xué)方法：火山灰性試驗實質(zhì)是測定火山灰質(zhì)混合材料從氫氧化鈣溶液中吸收石灰的速率。在40±2℃條件下，將與火山灰水泥共存的液相中呈現(xiàn)的Ca(OH)2量和在同樣堿度介質(zhì)中達(dá)到飽和的Ca(OH)2量相比較來評定。

畫出在40±2℃時，Ca(OH)2在游離堿度（OH-）從1~100mmol/L的溶液中的溶解度曲線。曲線上方的Ca(OH)2濃度是過飽和的，曲線下方的Ca(OH)2濃度是不飽和的。具有火山灰活性的材料，其組成中有活性Al2O3和活性SiO2，能與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2作用，所以，與火山灰共存的Ca(OH)2溶液的濃度往往是不飽和的，處于曲線的下方。根據(jù)試驗結(jié)果點(diǎn)的位置，判斷材料是否具有火山灰性。這種方法可以說明材料是否具有火山灰性，但要表明材料的火山灰性大小，還須根據(jù)強(qiáng)度試驗的結(jié)果。2、強(qiáng)度法：測定摻30%火山灰質(zhì)混合材料水泥的抗壓強(qiáng)度與硅酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度比值。要求不得低于62%。3、綜合評定：當(dāng)火山灰試驗點(diǎn)落在Ca(OH)2飽和溶液的下方，且28d強(qiáng)度比大于62%，即為活性混合材料。否則為非活性混合材料。若還有石膏，則會與生成的水化鋁酸鈣繼續(xù)反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣（AFt、AFm）。石灰和石膏稱為激發(fā)劑，可以促進(jìn)潛在活性得以發(fā)揮。堿性激發(fā)劑：石灰或硅酸鹽水泥熟料硫酸鹽激發(fā)劑：石膏或以硫酸鈣為主要成分的工業(yè)副產(chǎn)品。它的激發(fā)作用需要在有堿性激發(fā)劑的基礎(chǔ)上才能充分發(fā)揮。第三節(jié)摻混合材料的硅酸鹽水泥一、定義通用硅酸鹽水泥：GB175-2007(2008-6-1實施）（commonportlandcement)：以硅酸鹽水泥熟料和適量石膏，及規(guī)定的混合材料制成的水硬性膠凝材料。按照混合材料的品種和摻量分為：硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復(fù)合硅酸鹽水泥品種代號熟料+石膏礦渣火山灰粉煤灰普通水泥P.O80且95>5且20礦渣水泥P.S.A50且80>20且50P.S.B30且50>50且70火山灰水泥P.P60且80>20且40粉煤灰水泥P.F60且80>20且40復(fù)合水泥P.C50且80>20且50隨后熟料礦物水化生成的Ca(OH)2成為堿性激發(fā)劑，與活性混合材料中的活性Al2O3和活性SiO2發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。水泥中所含的石膏則作為硫酸鹽激發(fā)劑，生成水化硫鋁酸鈣。水泥熟料礦物水化后的產(chǎn)物又與活性氧化物進(jìn)行反應(yīng)，生成新的水化產(chǎn)物的反應(yīng)，稱為二次反應(yīng)或二次水化反應(yīng)。2、水化反應(yīng)的特征及意義（1）將硅酸鹽水泥和摻混合材料硅酸鹽水泥水化生成C-S-H的反應(yīng)進(jìn)行對比：

快硅酸鹽水泥：CS+H→C-S-H+CH摻混合材料的硅酸鹽水泥：

慢 活性材料+CH+H→C-S-H（2）反應(yīng)特征及意義：第一：反應(yīng)速度緩慢，因此放熱速度和強(qiáng)度發(fā)展也較慢。第二：反應(yīng)消耗CH而不是生成CH，這對于酸性環(huán)境中水泥石的耐久性有重要意義。第三：活性產(chǎn)物可以有效地填充毛細(xì)孔，改善系統(tǒng)的強(qiáng)度和抗?jié)B性。2、早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度增長快。早期強(qiáng)度低，后期增長快。隨著火山灰含量的增加，強(qiáng)度下降。適宜蒸汽養(yǎng)護(hù)等濕熱處理方式礦渣水泥與普通水泥強(qiáng)度增長情況的比較1—普通水泥2—礦渣水泥3—粒化高爐礦渣不同摻量礦渣和硅酸鹽水泥比較摻混合材料硅酸鹽水泥中熟料礦物較少，而活性混合材料中的活性氧化硅、活性氧化鋁與氫氧化鈣、石膏的作用在常溫下進(jìn)行緩慢，故它們的凝結(jié)硬化稍慢，早期（3d、7d）強(qiáng)度較低。但在硬化后期（28d以后），由于水化硅酸鈣凝膠數(shù)量增多，使水泥石強(qiáng)度不斷增長，最后甚至超過同強(qiáng)度等級的普通硅酸鹽水泥的強(qiáng)度。3、具有較高的抗侵蝕能力，抗碳化能力差。氫氧化鈣含量氫氧化鈣含量（以CaO計）水化初期，隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，熟料礦物不斷水化，使水泥漿體中氫氧化鈣含量增加。又因為，其中熟料礦物含量減少，所以在相同時間時，氫氧化鈣的含量較少。此后，隨著活性反應(yīng)的進(jìn)行，氫氧化鈣的含量開始下降。最終使其水泥石中氫氧化鈣含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硅酸鹽水泥石中的，所以具有較好高的抗侵蝕性能。隨著礦渣含量的增加，礦渣水泥漿體中氫氧化鈣含量下降。（二）特性1、礦渣水泥（1）耐熱性好：適宜配制耐熱混凝土。（2）抗?jié)B性、抗凍性及抗干濕交替作用的能力差。因為礦渣有尖銳棱角，其標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量較大，而其保水性較差，泌水性大，易形成毛細(xì)管道或粗大孔隙，降低混凝土的密實性和均勻性，同時干縮性較大，易形成裂縫。不適用于受凍或干濕交替的建筑部位。2、火山灰水泥（1）抗裂性、抗凍性差火山灰質(zhì)混合材料是多孔性物質(zhì)，內(nèi)比表面積大，需水量大，造成水泥石中有較多的游離水分，這些水分在干燥環(huán)境中蒸發(fā)而引起水泥石的收縮，因此在干熱條件下會產(chǎn)生起粉現(xiàn)象；同時在水泥石中產(chǎn)生連通的毛細(xì)孔，降低抗凍性。不適用于干燥環(huán)境。（2）抗?jié)B性好。在潮濕環(huán)境下，火山灰質(zhì)混合材料會吸收石灰而產(chǎn)生膨脹膠化作用，使水泥石結(jié)構(gòu)致密，火山灰水泥在潮濕條件下有較高的密實度和抗?jié)B性。適用于水中、地下及潮濕環(huán)境中?；鹕交覔搅繛?0%、20%和30%時水泥水化28d、90d和1年時的孔徑分布?；鹕交覔搅繛?0%和30%時，水化1年后沒有發(fā)現(xiàn)大于100nm的孔。這些水泥的抗?jié)B性較好。3、粉煤灰水泥（1）需水量少，泌水性小，和易性好。粉煤灰水泥這一優(yōu)點(diǎn)主要得益于粉煤灰的顆粒形態(tài)效應(yīng)。粉煤灰中含有大量致密的球形玻璃體顆粒，比表面積小，對水的吸附能力小，所以需水量少，而且微珠顆粒具有良好的保水能力，減少泌水現(xiàn)象的效果尤其明顯。（2）干縮性小，抗裂性好。粉煤灰水泥的需水量少，因而干縮性小。水泥的抗裂性能與其干縮性能、抗拉強(qiáng)度密切相關(guān)。干縮越小，抗拉強(qiáng)度越高，產(chǎn)生裂縫的機(jī)會越少，抗裂性能越好。（3）抗凍性差。因為粉煤灰的玻璃體結(jié)構(gòu)致密，相比而言，粉煤灰的活性比礦渣、火山灰的活性稍差。在性能上與硅酸鹽水泥相比名稱凝結(jié)速度強(qiáng)度水化熱耐腐蝕性抗凍性P.快高多差好P.O較快較高較多較差較好P.S慢早期低，后期增長快少好差摻混合材料水泥性能比較名稱前五種性能耐熱性抗干縮性抗?jié)B性P.S同P.S好差，易產(chǎn)生裂縫差P.P差差，干熱條件下易起粉好P.F差好，抗裂性好差第四節(jié)通用硅酸鹽水泥的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1、凝結(jié)時間

加水拌和可塑漿體具有流動性初凝稠硬漿體流動性消失終凝硬化漿體強(qiáng)度增長誘導(dǎo)期凝結(jié)硬化初凝時間終凝時間水泥漿體屈服值與凝結(jié)時間的關(guān)系

屈服值鈣礬石形成（或二水石膏形成）初凝終凝C-S-H形成水化時間初凝時間取決于C3A、C4AF及C3S的水化；終凝時間主要受C3S水化控制。Ca2+、OH-Al(OH)4-SO42-C-S-HAftCSH2凝結(jié)時間的測定——維卡儀試針支架試桿圓模試桿沉至底板3-5mm時，即為初凝狀態(tài)；當(dāng)下沉0.5mm，沒有壓痕時即為終凝狀態(tài)。影響凝結(jié)時間的因素：①C3A含量；②水泥的細(xì)度；③水灰比；④混合材摻量。

初凝時間：標(biāo)準(zhǔn)稠度水泥凈漿開始失去可塑性所需的時間。（施工所需時間、不宜過短）不早于45分鐘。終凝時間：標(biāo)準(zhǔn)稠度凈漿完全失去可塑性并開始產(chǎn)生強(qiáng)度所需的時間。（等待硬化、產(chǎn)生強(qiáng)度，不宜過長）不遲于10小時（僅硅酸鹽水泥不遲于6.5小時）。2、細(xì)度:顆粒的粗細(xì)程度，細(xì)，反應(yīng)快，早期和后期強(qiáng)度高，收縮大當(dāng)水泥顆粒＞90μm時幾乎沒有活性≤40μm時活性好磨的過細(xì)①電耗大，產(chǎn)量低，成本高②收縮大，易開裂③水化速度過大，凝結(jié)硬化快國標(biāo)要求硅酸鹽水泥和普通水泥細(xì)度用比表面積表示，≥300m2/kg；其它通用水泥以篩余表示，80um方孔篩篩余不大于10%或45um方孔篩篩余不大于30%。3、強(qiáng)度：水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法（ISO法）（GB/T17671-1999）

40mm×40mm×160mm，水泥:標(biāo)準(zhǔn)砂=1:3，規(guī)定加水量成型。試體連模一起在濕氣中（溫度20℃±1℃，相對濕度不低于90%）養(yǎng)護(hù)24h，然后脫模在水中（20℃±1℃）養(yǎng)護(hù)，測定3d和28d抗壓和抗折強(qiáng)度。以28d抗壓強(qiáng)度值表示強(qiáng)度等級。硅酸鹽水泥各齡期的強(qiáng)度要求(GB175-2007)

強(qiáng)度等級抗壓強(qiáng)度（MPa）抗折強(qiáng)度（MPa）3d28d3d28d42.5≥17.0≥42.5≥3.5≥6.542.5R≥22.0≥4.052.5≥23.0≥52.5≥4.0≥7.052.5R≥27.0≥5.062.5≥28.0≥62.5≥5.0≥8.062.5R≥32.0≥5.5三個強(qiáng)度等級、兩種類型。R——早強(qiáng)型普通硅酸鹽水泥強(qiáng)度要求(GB175-2007)

強(qiáng)度等級抗壓強(qiáng)度（MPa）抗折強(qiáng)度（MPa）3d28d3d28d42.