胶凝材料学水泥讲解课件.ppt
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- 材料 水泥 讲解 课件
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1、JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO1/54胶凝材料学胶凝材料学水泥水泥JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO2/54目录目录 水泥的定义及分类水泥的定义及分类 通用硅酸盐水泥的定义、分类及生产通用硅酸盐水泥的定义、分类及生产 硅酸盐水泥的水化硬化硅酸盐水泥的水化硬化 硅酸盐水泥的技术要求及性能硅酸盐水泥的技术要求及性能 掺混合材料的硅酸盐水泥掺混合材料的硅酸盐水泥 水泥石的耐久性水泥石的耐久性 混凝土的碳化混凝土的碳化JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIA
2、O3/54一、水泥的定义及分类一、水泥的定义及分类1 1、水泥的定义、水泥的定义凡细磨成粉末状,加入适量水后,可成为塑性浆体,既能在凡细磨成粉末状,加入适量水后,可成为塑性浆体,既能在空气中硬化,又能在水中硬化,并能将砂、石等材料胶结在空气中硬化,又能在水中硬化,并能将砂、石等材料胶结在一起的水硬性胶凝材料,通称为水泥。一起的水硬性胶凝材料,通称为水泥。JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO4/542 2、水泥的分类、水泥的分类 水泥按用途及性能分为:水泥按用途及性能分为:(1 1)通用水泥)通用水泥:一般土木建筑工程通常采用的水泥。通用水一般土木
3、建筑工程通常采用的水泥。通用水泥主要是泥主要是指指GB1752007GB1752007规定的六大类规定的六大类水泥。水泥。(2 2)专用水泥:专门用途的水泥。如)专用水泥:专门用途的水泥。如:油井:油井水泥,道路水泥,道路硅酸硅酸盐水泥,耐火水泥,大坝水泥。盐水泥,耐火水泥,大坝水泥。(3 3)特性水泥:某种性能比较突出的水泥)特性水泥:某种性能比较突出的水泥。如。如:快硬硅酸盐:快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、白水泥水泥、白水泥。JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO5/54 水泥按其主
4、要水硬性物质名称分为:水泥按其主要水硬性物质名称分为:(1 1)硅酸盐水泥,即国外通称的)硅酸盐水泥,即国外通称的波特兰水泥;波特兰水泥;(2 2)铝酸盐水泥;)铝酸盐水泥;(3 3)硫铝酸盐水泥;)硫铝酸盐水泥;(4 4)铁铝酸盐水泥;)铁铝酸盐水泥;(5 5)氟铝酸盐水泥;)氟铝酸盐水泥;(6 6)磷酸盐水泥)磷酸盐水泥(7 7)以火山灰或潜在水硬性材料及其他活性材料为主要组以火山灰或潜在水硬性材料及其他活性材料为主要组分的水泥。分的水泥。JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO6/54生料:生料:由石灰质原料、黏土质原料及少量校正原料按比例配由
5、石灰质原料、黏土质原料及少量校正原料按比例配合,粉磨到一定细度的物料,成为水泥生料。合,粉磨到一定细度的物料,成为水泥生料。熟料:熟料:以适当成分的生料烧至部分熔融,所得的以硅酸钙矿以适当成分的生料烧至部分熔融,所得的以硅酸钙矿物为主要成分的产物。物为主要成分的产物。校正原料:校正原料:当石灰质原料和粘土质原料配合所得生料成分不当石灰质原料和粘土质原料配合所得生料成分不能符合配料方案要求时,必须根据所缺少的组分掺加相应的能符合配料方案要求时,必须根据所缺少的组分掺加相应的原料,这种以补充某些成分不足为主的原料称校正原料。原料,这种以补充某些成分不足为主的原料称校正原料。3 3、相关概念、相关概
6、念JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO7/54 通用通用硅酸盐水泥(硅酸盐水泥(common common portlandportland cement)cement):GB175-GB175-20072007: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。凝材料。按照混合材料的品种和掺量分为:硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、按照混合材料的品种和掺量分为:硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水
7、泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。硅酸盐水泥。二、通用硅酸盐水泥的定义、分类及生产二、通用硅酸盐水泥的定义、分类及生产JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO8/54 硅酸盐水泥硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料、凡由硅酸盐水泥熟料、0%5%0%5%的石灰石的石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料,称为硅酸盐水泥(即水硬性胶凝材料,称为硅酸盐水泥(即波特兰水泥)。波特兰水泥)。硅酸盐水泥分为两种类型:不掺混和材硅酸盐水泥分为两种类型:不掺混和材料的称为料的称为型硅酸盐水泥,代号型硅酸盐水泥,代号PIPI
8、;掺加不超过水泥质量掺加不超过水泥质量5%5%的石灰石或粒化的石灰石或粒化高炉矿渣的称为高炉矿渣的称为型硅酸盐水泥,代号型硅酸盐水泥,代号PP。波特兰岛上采集的石头波特兰岛上采集的石头(波特兰水泥以此命名)(波特兰水泥以此命名)和现代混凝土的圆柱形和现代混凝土的圆柱形试件(右)试件(右)硅酸盐水泥硅酸盐水泥JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO9/54硅酸盐水泥的生产硅酸盐水泥的生产1 1、生产硅酸盐水泥的原料、生产硅酸盐水泥的原料原料:原料:石灰质石灰质原料:提供原料:提供CaOCaO,有石灰岩、泥灰岩、白垩、贝壳等。,有石灰岩、泥灰岩、白垩、贝
9、壳等。粘土粘土质原料:提供质原料:提供Al2O3Al2O3,SiO2SiO2,有粘土、黄土、页岩和泥岩等,有粘土、黄土、页岩和泥岩等,校正校正原料:铁矿石(提供原料:铁矿石(提供Fe2O3Fe2O3)矿化剂:煅烧过程中能加速熟料矿物的形成,而本身不参加反应矿化剂:煅烧过程中能加速熟料矿物的形成,而本身不参加反应或只参加中间物反应的一类物质。如萤石、石膏或只参加中间物反应的一类物质。如萤石、石膏等等JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO10/54石灰岩石灰岩白垩白垩铁矿石铁矿石JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCA
10、ILIAO11/54生产过程:两磨一烧生产过程:两磨一烧生料生料的配制和磨细的配制和磨细磨磨将生料煅烧成熟料将生料煅烧成熟料烧烧熟料与混合材料一起磨成水泥熟料与混合材料一起磨成水泥磨磨2 2、生产过程及工艺、生产过程及工艺JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO12/54水泥窑头水泥窑头JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO13/54 生产生产方法方法干法干法:原料烘干磨成生料粉,再入窑烧成熟料:原料烘干磨成生料粉,再入窑烧成熟料半干法:生料粉加入适量水制成生料球,煅烧半干法:生料粉加入适量水制成生料球,
11、煅烧湿法:原料加水磨成生料浆,喂入窑中煅烧湿法:原料加水磨成生料浆,喂入窑中煅烧生料粉(干法生产)生料粉(干法生产)生料浆(湿法生产)生料浆(湿法生产)JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO14/54JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO15/542 2、硅酸盐水泥熟料矿物的组成、结构及性能、硅酸盐水泥熟料矿物的组成、结构及性能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,C2S4CaOAl2O3Fe2O3,C4AFfCaO和fMgO3CaOAl2O3,C3
12、A3CaOSiO2,C3S化学式及简写1 1)硅酸盐水泥熟料:)硅酸盐水泥熟料:由原料按适当比例磨成细粉烧至部分熔融所得由原料按适当比例磨成细粉烧至部分熔融所得以硅酸钙为主要矿物成分的水硬性胶凝物质,其矿物组成如下。以硅酸钙为主要矿物成分的水硬性胶凝物质,其矿物组成如下。JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO16/54各种矿物的特性:各种矿物的特性:改变水泥熟料中矿物成份间的比例,可以制得不同性质的水泥品种,如提高硅酸三钙含量,可以制得高强水泥和早强水泥;提高硅酸二钙含量并降低硅酸三钙与铝酸三钙的含量,可制得低热水泥或大坝水泥。JIANZHUCAI
13、LIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO17/54水泥熟料在窑中,从原料到成品的形成过程熟料颗粒JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO18/54扫描电镜照片扫描电镜照片 反光显微镜照片反光显微镜照片放大的水泥熟料放大的水泥熟料JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO19/54(a)放大倍数为400X的显微镜下观察到的水泥熟料抛光薄片,图中光亮的、棱角形晶体为C3S,深色倒圆角的晶体为C2S,(b)放大倍数3000X的扫描电镜下熟料中C3S晶体的显微照片。abJIANZHUCAILI
14、AOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO20/54石膏:石膏:天然石膏天然石膏符合符合GB/T 5483GB/T 5483中规定的中规定的G G类或类或M M类二级(含)以上的类二级(含)以上的石膏或混合石膏;石膏或混合石膏;工业副产石膏工业副产石膏以硫酸铜为主要成分,使用前应经过试验证明以硫酸铜为主要成分,使用前应经过试验证明对水泥性能无害。对水泥性能无害。混合材料混合材料改善水泥性能,调节水泥强度等级的人工的和天然的矿物材料。改善水泥性能,调节水泥强度等级的人工的和天然的矿物材料。活性混合材料;活性混合材料;非非活性混合材料;活性混合材料;窑窑灰。灰。助磨剂助磨剂加入加
15、入量不超过水泥质量的量不超过水泥质量的0.5%0.5%,复合,复合JC/T 667JC/T 667规定。规定。2 2)其他组成材料)其他组成材料JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO21/54三、硅酸盐水泥的水化硬化三、硅酸盐水泥的水化硬化1 1、硅酸盐水泥熟料矿物的硅酸盐水泥熟料矿物的水化水化1 1)C C3 3S S的水化的水化水化反应式如下:水化反应式如下:3CaOSiO3CaOSiO2 2+nH+nH2 2O=xCaOSiOO=xCaOSiO2 2yHyH2 2O+(3-x)O+(3-x)CaCa(OH)(OH)2 2简写简写为:为:C C
16、3 3S+nH=C-S-H+(3-x)CHS+nH=C-S-H+(3-x)CH水化产物:水化硅酸钙(水化产物:水化硅酸钙(C-S-HC-S-H)凝胶和氢氧化钙。)凝胶和氢氧化钙。JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO22/54 水化过程水化过程分为早期(诱导前期阶段和诱导期阶段)、中期(加速期阶段分为早期(诱导前期阶段和诱导期阶段)、中期(加速期阶段和衰减期阶段)和后期(稳定期阶段)三个时期和五个阶段。和衰减期阶段)和后期(稳定期阶段)三个时期和五个阶段。JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO23/54
17、反应阶段化学过程动力学行为诱导前期初始水化,离子进入溶液反应很快:化学控制诱导期继续溶解,早期的C-S-H形成反应慢:成核控制加速期水化产物形成与生长反应快:化学控制减速期水化产物继续生长:微结构发展反应适中:化学与扩散控制稳定期微结构逐渐密实反应很慢:扩散控制C3S各水化阶段示意图C3S反应各阶段的化学过程及动力学行为JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO24/54 C C3 3S S水化反应特点水化反应特点水化较快,但凝结硬化时间正常。颗粒加水水化较快,但凝结硬化时间正常。颗粒加水28d28d后可以水化后可以水化70%70%左右。左右。浆体硬化
18、体的强度发展较快,早期强度较高,且强度增长较大,浆体硬化体的强度发展较快,早期强度较高,且强度增长较大,28d28d强度可以达到一年强度的强度可以达到一年强度的7080%7080%。是硅酸盐水泥熟料矿物中是硅酸盐水泥熟料矿物中28d28d强度最高的。强度最高的。JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO25/542 2)-C-C2 2S S的的水化水化-C-C2 2S S水化水化反应式如下:反应式如下:2CaOSiO2CaOSiO2 2+nH+nH2 2O=xCaOSiOO=xCaOSiO2 2yHyH2 2O O+(2-x)+(2-x)CaCa(OH
19、)(OH)2 2简写简写为:为:C C2 2S+nH=C-S-H+(S+nH=C-S-H+(2-x)OH 2-x)OH 水化产物:水化产物:C-S-HC-S-H凝胶和凝胶和CHCH(CHCH晶体生长速度较慢,晶体粒度晶体生长速度较慢,晶体粒度较大)较大)。水化特点:水化特点:水化速率和微结构的发展速度约水化速率和微结构的发展速度约是是C C3 3S S的的1/201/20。是水化速度最慢。是水化速度最慢的矿物,的矿物,28d28d仅水化仅水化20%20%,早期强度较低,早期强度较低,28d28d后强度继续增大,后强度继续增大,一年后可以接近或超过一年后可以接近或超过C C3 3S S的强度。的
20、强度。JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO26/543 3)C C3 3A A的的水化水化(1 1)常温下在纯水中的水化)常温下在纯水中的水化2(3CaOAl2(3CaOAl2 2O O3 3)+27H)+27H2 2O=4CaOAlO=4CaOAl2 2O O3 319H19H2 2O+2CaOAlO+2CaOAl2 2O O3 38H8H2 2O O简写为:简写为:2C2C3 3A+27H=CA+27H=C4 4AHAH1919+C+C2 2AHAH8 8在湿度低于在湿度低于85%85%时时C C4 4AHAH1919容易容易失水失水为为C
21、C4 4AHAH13 13。(2 2)在)在CHCH饱和溶液(碱性介质)中饱和溶液(碱性介质)中的水化反应的水化反应 C C3 3A ACHCH12H12HC C4 4AHAH1313 处于水泥浆体碱性介质中,处于水泥浆体碱性介质中,C C4 4AHAH1313在在常温下可以稳定存在,且常温下可以稳定存在,且数量增长很快,导致水泥浆数量增长很快,导致水泥浆瞬时凝结瞬时凝结。需要缓凝:加入适量需要缓凝:加入适量石膏石膏JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO27/54石膏石膏量足(水化初)量足(水化初)3CaOAl3CaOAl2 2O O3 3+3(C
22、aSO+3(CaSO4 42H2H2 2O)+26HO)+26H2 2O O=3CaOAl=3CaOAl2 2O O3 33CaSO3CaSO4 432H32H2 2O O三硫型水化硫铝酸钙,也称为钙矾石,用三硫型水化硫铝酸钙,也称为钙矾石,用AFtAFt表示表示若若石膏在石膏在C C3 3A A完全水化前耗尽,则钙钒石与完全水化前耗尽,则钙钒石与C C3 3A A反应生成单硫反应生成单硫型水化硫铝酸钙(型水化硫铝酸钙(AFmAFm):):C C3 3A3CSHA3CSH3232+2C+2C3 3A A4H=3(C4H=3(C3 3ACSHACSH1212)(3 3)石膏存在下的水化)石膏存在
23、下的水化JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO28/54若石膏量极少,在所有钙钒石全部转变为单硫型水化硫铝酸钙若石膏量极少,在所有钙钒石全部转变为单硫型水化硫铝酸钙后,后,还有还有C C3 3A A,则则形成单硫型水化硫铝酸钙和形成单硫型水化硫铝酸钙和C4AH13固溶体固溶体。钙矾石:针柱状的晶体,钙矾石:针柱状的晶体,不溶于水。不溶于水。AFm:层状结构晶体,不溶于水:层状结构晶体,不溶于水JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAO29/54C C3 3A A与与石膏反应形成钙矾石石膏反应形成钙矾石后,即
24、后,即在在C C3 3A A表面表面形成钙矾形成钙矾石包裹层,因而减缓了石包裹层,因而减缓了的的C C3 3A A溶解溶解速度,使水化速度速度,使水化速度减慢。减慢。但反应继续缓慢进行,使但反应继续缓慢进行,使钙矾石包裹层变厚,产生钙矾石包裹层变厚,产生结晶应力,当其超过一定结晶应力,当其超过一定数值后,包裹层局部破裂,数值后,包裹层局部破裂,促使反应加速,形成的钙促使反应加速,形成的钙矾石修复破裂处。矾石修复破裂处。包裹层破裂和修复反复进包裹层破裂和修复反复进行,直到石膏消耗完毕。行,直到石膏消耗完毕。石膏缓凝机理石膏缓凝机理JIANZHUCAILIAOJIANZHUCAILIAOJIANZ
25、HUCAILIAO30/54熟料矿物具有水化反应能力的结构本质熟料矿物具有水化反应能力的结构本质(1 1)结构)结构不稳定性。原因在于:不稳定性。原因在于:是处于介稳状态的高温型晶体结构;是处于介稳状态的高温型晶体结构;熟料矿物形成了阿利特和贝利特等有限固溶体;熟料矿物形成了阿利特和贝利特等有限固溶体;微量元素的掺杂使晶体排列的规律性受到某种程度的干扰。微量元素的掺杂使晶体排列的规律性受到某种程度的干扰。以上以上原因使结晶结构的有序度降低,活性原因使结晶结构的有序度降低,活性增大增大(2 2)结晶)结晶结构中存在活性阳离子。原因在于结构中存在活性阳离子。原因在于钙离子的配位氧离子排列不规则,或
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