建筑材料3膠凝材料

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第3節(jié)膠凝材料膠凝材料(cements,bindingmaterials)膠凝材料概念：在土木工程材料中，凡是經(jīng)過一系列的物理、化學(xué)作用，能將散粒狀或塊狀材料粘結(jié)成整體的材料，統(tǒng)稱為膠凝材料。 膠凝材料有機(jī)膠凝材料：如瀝青、樹脂等無機(jī)膠凝材料氣硬性：如石膏、石灰、菱苦土、水玻璃水硬性：各種水泥 氣硬性膠凝材料只能在空氣中硬化，且只能在空氣中保持或發(fā)展其強(qiáng)度(如石灰、石膏水玻璃等)。而水硬性不僅在空氣中，而且能更好的在水中硬化，并保持、發(fā)展其強(qiáng)度（各種混凝土）。石膏(1)建筑石膏(calcinedgypsum)(2)高強(qiáng)石膏(highstrengthgypsum/plaster) 建筑石膏β型半水石膏的晶體較細(xì)，所以調(diào)制成一定稠度的漿體時(shí)，需水量也比型半水石膏的需水量大，導(dǎo)致建筑石膏的孔隙率也大，因而強(qiáng)度較低。在實(shí)際生產(chǎn)與工程中，建筑石膏的應(yīng)用更廣泛一些。 高強(qiáng)石膏晶體組大，比表面小，調(diào)成可塑性漿體時(shí)需水量只是建筑石膏的一半，因此硬化后具有較高的密實(shí)度和強(qiáng)度；高強(qiáng)石膏可以用于室內(nèi)抹灰，制作裝飾制品和石膏板；若摻入防水劑可制成高強(qiáng)度防水石膏，在潮濕環(huán)境中使用。 2、建筑石膏的技術(shù)性質(zhì)凝結(jié)硬化快：可以考慮加入緩凝劑(retarder)來緩凝水化反應(yīng)理論需水量為18.6％，但為了使石膏漿體具有可塑性，通常實(shí)際加水為60％~80%孔隙率大，體積密度小，保濕、吸聲性能好具有一定的調(diào)濕性——由于硬化體多孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，建筑制品的熱容量大、吸濕性強(qiáng)，當(dāng)室內(nèi)溫度、濕度變化時(shí)，由于制品的“呼吸”作用，使環(huán)境溫度、濕度能得到一定的調(diào)節(jié)。耐水性、抗凍性差凝結(jié)硬化時(shí)體積微膨脹防火性好 3.應(yīng)用建筑石膏：裝飾板材、雕塑、裝飾型材、抹灰工程、砌塊等；高強(qiáng)石膏：抹灰工程、裝飾板材、砌塊等；可溶性硬石膏一般不用，避免出現(xiàn)。 二.石灰(lime,CaO)（一）、石灰分類（二）、石灰的技術(shù)要求（三）、石灰的性質(zhì)（四）、石灰的應(yīng)用 （一）、石灰的分類根據(jù)石灰加工方法：塊狀生石灰、磨細(xì)生石灰、石灰漿、石灰乳、石灰水等；石灰石中含有雜質(zhì)氧化鎂（MgO），根據(jù)MgO的多少，將生石灰中MgO含量≤5%的稱為鈣質(zhì)石灰（低鎂石灰），5%~20%的稱為中鎂石灰。20%~40%為高鎂石灰。 (二)、石灰的技術(shù)要求根據(jù)建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將建筑生石灰和建筑生石灰粉劃分為優(yōu)等品、一等品、合格品三個(gè)等級(jí)，具體指標(biāo)見書P11中兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)表格。 (三)、石灰的性質(zhì)(1)良好的保水性：直徑約為1μm的呈膠體分散狀態(tài)的氫氧化鈣，其表面吸附一層較厚的水膜。(2)凝結(jié)硬化慢、強(qiáng)度低：碳酸鈣和氫氧化鈣結(jié)晶體(3)耐水性差：氫氧化鈣結(jié)晶易溶于水(4)體積收縮大：蒸發(fā)大量的游離水(5)吸濕性強(qiáng) 1．石灰乳涂料將熱化好的消石灰加入水稀釋，直接用于室內(nèi)墻壁和天棚的涂料?！尤敫鞣N耐堿顏料，可變成彩色涂料?！尤肷倭磕ゼ?xì)沙或粘土，提高其耐水性?！尤朊鞯\，氯化鈣，聚乙烯醇等減少涂層粉化。(四)、應(yīng)用 2．石灰砂漿①石灰膏+砂+水+拌制，既可用作砌筑砂漿又可用作抹面。②石灰膏+纖維+水拌制，多用于抹面。3．石灰土和三合土石灰土（石灰+粘土）和三合土（石灰+粘土+砂堿炸渣等填料），多用于加固地面、密實(shí)地面，穩(wěn)定地基。 4．制作硅酸鹽制品將石灰與硅質(zhì)材料磨細(xì)后，一起加壓成型，再經(jīng)過蒸汽養(yǎng)護(hù)，生成以水化硅酸鈣為主要產(chǎn)物的砼。反應(yīng)式如下：Ca(OH)2+SiO2+aq→CaO·SiO2·aq硅酸鹽砼制品有：灰砂磚、灰砂構(gòu)件、加氣砼等。 水玻璃水玻璃俗稱泡花堿，是一種可溶性硅酸鹽，由堿性金屬氧化物和二氧化硅結(jié)合而成的氣硬性膠凝材料，如硅酸鈉水玻璃、硅酸鉀水玻璃。 （二）特性1、黏結(jié)力強(qiáng)：水玻璃硬化后具有較高的黏結(jié)強(qiáng)度，如用水玻璃配制成水玻璃混凝土。2、耐酸性好3、耐熱性好 （三）應(yīng)用1.涂刷材料表面，浸漬多孔性材料，以提高其抗風(fēng)化能力，提高建筑物的耐久性。2.加固地基3.配制防水劑4.水玻璃混凝土——具有機(jī)械強(qiáng)度高，耐酸和耐熱性能好，整體性強(qiáng)，材料來源廣泛，施工方便，成本低及使用效果好等特點(diǎn)。 水硬性：粉末狀水泥與水混合后，經(jīng)過一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，可由可塑性漿體變成堅(jiān)硬的石狀體，將散粒材料膠結(jié)成整體，這一過程是水化在水環(huán)境下完成的，同時(shí)可以在水中更好的保持石狀體的概念。所以，水泥是一種水硬性膠凝材料。(三)水泥一.硅酸鹽水泥 硅酸鹽水泥：Ⅰ型硅酸鹽水泥，代號(hào)P.Ⅰ。Ⅱ型硅酸鹽水泥，代號(hào)P.Ⅱ。1、普通硅酸鹽水泥：簡(jiǎn)稱普通水泥，代號(hào)P.O。2、礦渣硅酸鹽水泥：簡(jiǎn)稱礦渣水泥，代號(hào)P.S。3、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥：簡(jiǎn)稱火山灰水泥，代號(hào)P.P。4、粉煤灰硅酸鹽水泥：簡(jiǎn)稱粉煤灰水泥，代號(hào)P.F。5、復(fù)合硅酸鹽水泥：復(fù)合水泥，代號(hào)P.C。還有其他小品種水泥：如快硬水泥、油井水泥、彩色水泥等普通硅酸鹽水泥、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、復(fù)合硅酸鹽水泥統(tǒng)稱摻混合材料的硅酸鹽水泥1.水泥的分類——六大通用水泥 2、硅酸鹽水泥熟料礦物組分礦物名稱化學(xué)成分縮寫符號(hào)含量硅酸三鈣3CaO·SiO2C3S44％～62％硅酸二鈣2CaO·SiO2C2S18％～30％鋁酸三鈣3CaO·Al2O3C3A5％～12％鐵鋁酸四鈣4CaO·Al2O3·Fe2O3C4AF10％～18％其中，硅酸三鈣和硅酸二鈣為強(qiáng)度組分，鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣為熔劑組分。其他還有少部分f-CaO、f-MgO及玻璃體等 3.硅酸鹽水泥的水化、凝結(jié)和硬化水化——水泥加水拌合后，水泥顆粒立即分散于水中與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物并放出熱量。凝結(jié)、硬化過程——硅酸鹽水泥的水化和凝結(jié)硬化過程是一個(gè)連續(xù)的復(fù)雜過程。水泥加水拌合后，形成可塑性的漿體，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，水泥漿體逐漸變稠失去可塑性，但還不具有強(qiáng)度的過程，成為水泥的凝結(jié)；隨著開始產(chǎn)生強(qiáng)度，并逐漸發(fā)展成為堅(jiān)硬的水泥石，這一過程稱為硬化。凝結(jié)、硬化是人為劃分的，實(shí)際上它們是一個(gè)連續(xù)的、復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程。 4、硅酸鹽水泥的主要技術(shù)性能1)．密度水泥欠燒比重小，過燒比重大表現(xiàn)密度：1300左右，粉磨越細(xì)，表觀密度越小。2)．細(xì)度（分散度）水泥的細(xì)度是表示水泥磨細(xì)的程度或水泥分散度的指標(biāo)。水泥細(xì)度對(duì)水泥性能影響很大。（在一般情況下）①水泥細(xì)度越大，強(qiáng)度越高，但太細(xì)時(shí)早期強(qiáng)度增長(zhǎng)雖快，但后期可能要下降，且對(duì)耐久性不利。 3)．需水量將水泥與水拌成標(biāo)準(zhǔn)稠度狀態(tài)下的加水量為水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量,一般在24~30%之間。水灰比：是指水泥漿中的水與水泥的質(zhì)量比。一般情況下是水泥漿的水灰比越小，凝結(jié)硬化和強(qiáng)度發(fā)展越快，且強(qiáng)度越高。但是會(huì)降低水泥漿的和易性造成施工困難；水灰比較大，凝結(jié)硬化和強(qiáng)度發(fā)展越慢，且強(qiáng)度越低，但是方便施工。 4)．凝結(jié)時(shí)間凝結(jié)分為初凝和終凝。初凝：水泥加水拌合時(shí)，到標(biāo)準(zhǔn)稠度時(shí)凈漿開始達(dá)到可塑性所需的時(shí)間。終凝：水泥加水拌合至標(biāo)準(zhǔn)稠度凈漿到完全失去可塑性并開始產(chǎn)生強(qiáng)度所需的時(shí)間。硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，初凝不得早于45min，終凝不遲于6h30min。影響水泥凝結(jié)的因素：①礦物組分，C3A越高，凝結(jié)越快。②水泥細(xì)度。③環(huán)境溫、濕度。④緩凝組分：a.石膏。b.緩凝劑及促凝劑。C.礦物摻合料。 5)．體積安定性水泥石硬化后，產(chǎn)生不均勻的體積變化，即體積安定性不良。體積穩(wěn)定性的危害：引起建筑物的破壞、構(gòu)件崩潰。原因：①熟料中的游離CaO太多——控制方法：沸煮法測(cè)定。②熟料中的游離MgO太多——≯5.0%。③摻入的石膏太多≯3.5%。①、②：一般是由于熟料燒結(jié)時(shí)溫度高于石灰燒結(jié)時(shí)的溫度，熟料中的f-CaO和f-MgO成死燒狀態(tài)，而過熟的f-Cao與f-Mgo熟化慢，待水泥凝結(jié)酸化后還在熟化，導(dǎo)致水泥石體積安定性不良。（熟化后體積膨脹，水泥石開裂）③：主要是由于過量的石膏與C3A（3CaO*Al2O3，鋁酸三鈣）的水化物水化鋁酸鈣反應(yīng)，生成高硫型水化硫酸鈣，體積膨脹1.5倍，也引起水泥石開裂。安定性測(cè)試：①餅法②雷化法。主要是促使f-CaO熟化 6)．強(qiáng)度與水泥標(biāo)號(hào)強(qiáng)度是材料在外力荷載作用下，材料抵抗破壞的能力。（水泥硬化以后石的軸心抗壓強(qiáng)度）硅酸鹽水泥的強(qiáng)度等級(jí)有6個(gè)：42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R。 7）．水化熱①產(chǎn)生的原因：水化放熱反應(yīng)。②礦物組分放熱速度不同：C3A>C3S>C4AF>C2S。③影響水化熱的因素：總的放熱量一樣，但可以控制放熱速度。④大體積禁用硅酸鹽水泥，普硅也應(yīng)控制使用。⑤水化熱利用——自養(yǎng)護(hù)溫度：消除水化熱不利影響措施：低熱水泥、冷卻導(dǎo)流澆注溫度、養(yǎng)護(hù)等。 硅酸鹽水泥的特性及應(yīng)用凝結(jié)硬化快、強(qiáng)度高——特別適合早期強(qiáng)度要求高的工程、高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土工程?？箖鲂院谩m用于嚴(yán)寒地區(qū)、經(jīng)受反復(fù)凍融作用的混凝土工程。堿度高、抗碳化能力強(qiáng)——適用于重要的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土工程以及二氧化碳濃度高的環(huán)境。干縮小——可用于干燥環(huán)境的混凝土工程。耐磨性好——可用于路面與地面工程。水化熱高——用于寒冷地區(qū)的結(jié)構(gòu)施工的自我養(yǎng)護(hù)耐腐蝕性差——不利用于海洋工程耐熱性差——硅酸鹽水泥不宜單獨(dú)用于耐熱混凝土工程。 二.摻混合材的硅酸鹽水泥混合材：在水泥生產(chǎn)時(shí)，為改善水泥的性能，如強(qiáng)度和耐久性等而加入到水泥中，和水泥熟料、石膏一起粉磨的礦物材料。混合材又分為活性混合材和非活性混合材。 (一)、混合材料的類別1．活性混合材：在激發(fā)條件下（石灰或石膏的作用），加水拌合后，生成具有膠凝性的水化產(chǎn)物，既能在水中，又能在空氣中發(fā)展并保持強(qiáng)度的礦物材料。這一類材料包括有：粉煤灰、粒化高爐礦渣、火山灰質(zhì)材料等。2.非活性混合材：由于這類材料活性很低，即使在有激發(fā)條件下（堿或石膏）也不與水發(fā)生水化反應(yīng)，也不具有水硬性膠凝性質(zhì)的礦物材料 （二）、摻混合材的水泥1.硅酸鹽水泥：Ⅰ型硅酸鹽水泥，代號(hào)P.Ⅰ。Ⅱ型硅酸鹽水泥，代號(hào)P.Ⅱ。2.普通硅酸鹽水泥：簡(jiǎn)稱普通水泥，代號(hào)P.O。3.礦渣硅酸鹽水泥：簡(jiǎn)稱礦渣水泥，代號(hào)P.S。4.火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥：簡(jiǎn)稱火山灰水泥，代號(hào)P.P。5.粉煤灰硅酸鹽水泥：簡(jiǎn)稱粉煤灰水泥，代號(hào)P.F。6.復(fù)合硅酸鹽水泥：代號(hào)P.C： 三.其它品種水泥其它品種水泥是以硅酸鹽水泥以及鋁酸鹽、硫鋁酸鹽水泥等為基礎(chǔ)，通過摻入其它材料或在特殊工藝下，賦予水泥特殊的性能。 （一)、快硬水泥1.快硬硅酸鹽水泥2.快硬硫鋁酸鹽水泥3.氟鋁酸鹽快硬水泥 (二)、裝飾水泥1.白色水泥2.彩色水泥 礦渣硅酸鹽水泥礦渣硅酸鹽水泥定義：“凡由硅酸鹽水泥熟料和20％—70％?；郀t礦渣、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為礦渣硅酸鹽水泥（簡(jiǎn)稱礦渣水泥），代號(hào)P.S?！?據(jù)GB1344－1999《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》) 特性及應(yīng)用①凝結(jié)硬化速度慢：早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度高②對(duì)溫度濕熱敏感性強(qiáng)：適于蒸養(yǎng)(steamcuringorhigh-pressuresteamcuring)③耐腐蝕性好：可用于海港工程和水工大壩的建設(shè)。④水化熱小：可用于大體積混凝土，大型基礎(chǔ)和混凝土大壩等。⑤耐熱性好⑥抗碳化(carbonization)能力差：一般不用于熱處理車間的修建。⑦礦渣水泥的保水性差、抗?jié)B性差、泌水通道較多、干縮較大，使用中要嚴(yán)格控制用水量，加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)。⑧抗凍性差：不宜用于冬季施工 火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥定義：“凡由硅酸鹽水泥熟料、火山灰質(zhì)混合材料(摻量為水泥熟料質(zhì)量的20％-50％)和適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥（簡(jiǎn)稱火山灰水泥），代號(hào)P.P?！?據(jù)GB1344－1999《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》) 特性及應(yīng)用火山灰水泥干縮大，在干燥高溫下，水化硅酸鈣與空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣和氧化硅，產(chǎn)生“起粉”現(xiàn)象。不宜用于干燥環(huán)境?？箖鲂院湍湍バ员鹊V渣水泥還要差?？?jié)B性高。摻入粘土質(zhì)的火山灰水泥不抗硫酸鹽侵蝕。 粉煤灰硅酸鹽水泥粉煤灰硅酸鹽水泥定義：“凡由硅酸鹽水泥熟料、粉煤灰(摻量按質(zhì)量百分比計(jì)為20％-40％)和適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為粉煤灰硅酸鹽水泥（簡(jiǎn)稱粉煤灰水泥），代號(hào)P.F。”(據(jù)GB1344－1999《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》) 特性及應(yīng)用干縮小，抗裂。凝結(jié)硬化慢，早期強(qiáng)度低。色深。抗碳化性能差。 復(fù)合硅酸鹽水泥復(fù)合硅酸鹽水泥定義：“凡由硅酸鹽水泥熟料、兩種或兩種以上規(guī)定的混合材料(混合材的總摻量按質(zhì)量的百分比為15％~50％)、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為復(fù)合硅酸鹽水泥（簡(jiǎn)稱復(fù)合水泥），代號(hào)P.C。”(據(jù)GB12958-1999《復(fù)合硅酸鹽水泥》) 特性及應(yīng)用耐腐蝕性好水化熱小，抗?jié)B性好，早強(qiáng)。 硅酸鹽水泥生料的配制原料石灰質(zhì)原料（如石灰石、貝殼等，提供CaO）粘土質(zhì)原料（如粘土、頁巖等，主要提供SiO2、Al2O3、Fe2O3）校正原料（如鐵礦粉、砂巖，前者是補(bǔ)充原料中不足的氧化鐵，后者是補(bǔ)充原料中不足的SiO2）礦化劑工藝干法濕法 硅酸鹽水泥的煅燒窯型:立窯回轉(zhuǎn)窯煅燒過程水分蒸發(fā)生料預(yù)熱生料分解熟料煅燒熟料冷卻 快硬硅酸鹽水泥以適當(dāng)?shù)纳蠠敛糠秩廴?，所得的以硅酸鈣為主要成分的熟料，加入適量的石膏，磨細(xì)制成的具有早期強(qiáng)度增長(zhǎng)率快的水硬性膠凝材料，稱為快硬硅酸鹽水泥，簡(jiǎn)稱快硬水泥?？煊菜嗟纳a(chǎn)同硅酸鹽水泥基本一致，只是在生產(chǎn)時(shí)提高了硅酸三鈣(50％-60％)、鋁酸三鈣(8％-15％)的含量，兩者的總量不少于65％。同時(shí)增加了石膏的摻量(8％)，提高了粉磨細(xì)度(比表面積達(dá)450m2／kg)。 應(yīng)用主要用于搶修、堵漏、及軍事工程 快硬硫鋁酸鹽水泥以適當(dāng)?shù)纳蠠敛糠秩廴?，得到以無水硫酸鈣和硅酸二鈣為主要礦物成分的熟料，加入適量的石膏磨細(xì)的具有早期強(qiáng)度高特性的水硬性膠凝材料，稱為快硬硫鋁酸鹽水泥(《快硬硫鋁酸鹽水泥》(JC714—1996))。 快硬硫鋁酸鹽水泥特點(diǎn)與應(yīng)用無水硫鋁酸鈣與石膏迅速反應(yīng)生成鈣礬石晶體和大量的鋁膠。早期強(qiáng)度高。C2S水化的水化產(chǎn)物Ca(OH)2晶體和水化硅酸鈣膠體不斷填充水泥石的孔隙。硬化后水泥石的結(jié)構(gòu)致密，孔隙率小，抗?jié)B性高，水化產(chǎn)物中Ca(OH)2的含量少，抗硫酸鹽腐蝕能力強(qiáng)。主要用于配制早強(qiáng)、抗?jié)B、抗硫酸鹽腐蝕的混凝土工程?？捎糜诙臼┕?、漿錨、噴錨支護(hù)、節(jié)點(diǎn)、搶修、堵漏等工程。此外，由于硫鋁酸鹽的堿度低，可用于生產(chǎn)各種玻璃纖維制品。 快硬氟鋁酸鹽水泥熟料主要成分為氟鋁酸鈣（C11A7、CAf2）,再加石膏共同磨細(xì)而成，其終凝2-3h，R=20Mpa左右。 白色水泥白色硅酸鹽水泥的主要成分還是主要以硅酸鹽為主，其中少了著色物質(zhì)（氧化鐵、氧化錳、氧化鈦及氧化鉻等）。它們生產(chǎn)工藝與硅酸鹽水泥熟料基本相同，有一些區(qū)別：①原料：原料鍛燒后應(yīng)少著色物質(zhì)，如純的石英砂、純的石灰石等。②粉磨：用白色陶瓷作為襯板及研磨體，不能用鋼、鐵做研磨體，裝置電磁裝置。③熟料磨細(xì)時(shí)可加入5%以內(nèi)的石灰石。④燃料用氣體或液體燃料，或限制煤中的Fe2O3。其他要求，如凝結(jié)時(shí)間、標(biāo)號(hào)、安定性問題與硅酸鹽水泥類似。 彩色水泥①彩色硅酸鹽水泥：以白色硅酸鹽水泥熟料、石膏及耐堿礦物顏料共同磨細(xì)而成。（但紅、赫色、黑色等水泥可不用白色硅酸鹽水泥），其他要求及性能類似與硅酸鹽水泥。②彩色鋁酸鹽水泥：鋁酸鹽水泥生料中加入著色劑而燒結(jié)而成。