土木建筑土木工程材料.ppt
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1、土木工程材料第三章(二)水泥,张德思教授主讲,水泥,指加水拌和成塑性浆体后,能胶结砂、石等适当材料并能在空气和水中硬化的粉状水硬性胶凝材料。土木建筑工程通常采用的水泥主要有: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、粉煤灰硅酸盐水泥等品种。,第一节 硅酸盐水泥 凡由硅酸盐水泥熟料、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。硅酸盐水泥在国际上分为两种类型:不掺混合材的称I型硅酸盐水泥,其代号为P.I;在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺入不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称II型硅酸盐水泥,其代号为II。,一.硅酸盐水泥的生产生产硅酸盐水泥
2、的原料,主要是石灰质和粘土质两类原料。为了补充铁质及改善煅烧条件,还可加入适量铁粉、萤石等。生产水泥的基本工序可以概括为:“两磨一烧”:先将原材料破碎并按其化学成分配料后,在球磨机中研磨为生料。然后入窑锻烧至部分熔融,所得以硅酸钙为主要成分的水泥熟料,配以适量的石膏及混合材料在球磨机中研磨至一定细度,即得到硅酸盐水泥。,二.硅酸盐水泥熟料的矿物组成 硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成为:()硅酸三钙 硅酸三钙的化学成分为ai2,其简写为3S。它是硅酸盐水泥熟料中最主要的矿物成分,约占水泥熟料总量的。硅酸三钙遇水后能够很快与水产生水化反应,并产生较多的水化热。它对促进水泥的凝结硬化,特别是对水泥天内的
3、早期强度以及后期强度都起主要作用。,()硅酸二钙 硅酸二钙的化学成分为2ai2,其简写为C2S,约占水泥熟料总量的1537。硅酸二钙遇水后反应较慢,水化热也较低。它不影响水泥的凝结,对水泥的后期强度起主要作用。,()铝酸三钙 铝酸三钙的化学成分是CaOAl2O3,其简写为C3,约占水泥熟料总量的7 15。铝酸三钙遇水后反应极快,产生的热量大而且很集中。铝酸三钙对水泥的凝结起主导作用,但其水化产物强度较低,主要对水泥的早期强度有所贡献。,()铁铝酸四钙铁铝酸四钙的化学成分为:CaOAl2O3Fe2O3,其简写为4AF,约占水泥熟料总量的1018。铁铝酸四钙遇水时水化反应也很快,水化热较低,水化产
4、物的强度不高,对水泥石的抗压强度贡献不大,主要对抗折强度贡献较大。,3.硅酸盐水泥的水化 硅酸盐水泥遇水后,水泥中的各种矿物成分会很快发生水化反应,生成各种水化物。硅酸三钙水水化硅酸钙 氢氧化钙,硅酸二钙 水 水化硅酸钙 氢氧化钙铝酸三钙 水水化铝酸三钙铁铝酸四钙 水 水化铝酸三钙 水化铁酸钙,水泥中的石膏也很快与水化铝酸钙反应生成难溶的水化硫铝酸钙针状结晶体,也称为钙矾石晶体:水化硫铝酸钙(钙矾石)经过上述水化反应后,水泥浆中不断增加的水化产物主要有:水化硅酸钙(50%)、氢氧化钙(25%)、水化铝酸钙、水化铁酸钙及水化硫铝酸钙等新生矿物。,4.硅酸盐水泥的凝结和硬化 水泥加水拌合后的剧烈水
5、化反应,一方面使水泥浆中起润滑作用的自由水分逐渐减少;另一方面,水化产物在溶液中很快达饱和或过饱和状态而不断析出,水泥颗粒表面的新生物厚度逐渐增大,使水泥浆中固体颗粒间的间距逐渐减小,越来越多的颗粒相互连接形成了骨架结构。此时,水泥浆便开始慢慢失去可塑性,表现为水泥的初凝。,由于铝酸三钙水化极快,会使水泥很快凝结,为使工程使用时有足够的操作时间,水泥中加入了适量的石膏。水泥加入石膏后,一旦铝酸三钙开始水化,石膏会与水化铝酸三钙反应生成针状的钙矾石。钙矾石很难溶解于水,可以形成一层保护膜覆盖在水泥颗粒的表面,从而阻碍了铝酸三钙的水化,阻止了水泥颗粒表面水化产物的向外扩散,降低了水泥的水化速度,使
6、水泥的初凝时间得以延缓。,当掺入水泥的石膏消耗殆尽时,水泥颗粒表面的钙矾石覆盖层一旦被水泥水化物的积聚物所胀破,铝酸三钙等矿物的再次快速水化得以继续进行,水泥颗粒间逐渐相互靠近,直至连接形成骨架。水泥浆的塑性逐渐消失,直到终凝。,随着水化产物的不断增加,水泥颗粒之间的毛细孔不断被填实,加之水化产物中的氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体不断贯穿于水化硅酸钙等凝胶体之中,逐渐形成了具有一定强度的水泥石,从而进入了硬化阶段。水化产物的进一步增加,水分的不断丧失,使水泥石的强度不断发展。,随着水泥水化的不断进行,水泥浆结构内部孔隙不断被新生水化物填充和加固的过程,称为水泥的“凝结”。随后产生明显的强度并逐渐
7、变成坚硬的人造石水泥石,这一过程称为水泥的“硬化”。实际上,水泥的水化过程很慢,较粗水泥颗粒的内部很难完全水化。因此,硬化后的水泥石是由晶体、胶体、未完全水化颗粒、游离水及气孔等组成的不均质体。,5.影响水泥凝结硬化的主要因素()矿物组成 不同矿物成分和水起反应时所表现出来的特点是不同的,如C3A水化速率最快,放热量最大而强度不高;C2S水化速率最慢,放热量最少,早期强度低,后期强度增长迅速等。因此,改变水泥的矿物组成,其凝结硬化情况将产生明显变化。水泥的矿物组成是影响水泥凝结硬化的最重要的因素.,()水泥浆的水灰比 水泥浆的水灰比是指水泥浆中水与水泥的质量之比。当水泥浆中加水较多时,水灰比较
8、大,此时水泥的初期水化反应得以充分进行;但是水泥颗粒间原来被水隔开的距离较远,颗粒间相互连接形成骨架结构所需的凝结时间长,所以水泥浆凝结较慢。水泥浆的水灰比较大时,多余的水分蒸发后形成的孔隙较多,造成水泥石的强度较低,因此水泥浆的水灰比过大时,会明显降低水泥石的强度。,(3)石膏掺量 石膏起缓凝作用的机理可解释为:水泥水化时,石膏能很快与铝酸三钙作用生成水化硫铝酸钙(钙矾石),钙矾石很难溶解于水,它沉淀在水泥颗粒表面上形成保护膜,从而阻碍了铝酸三钙的水化反应,控制了水泥的水化反应速度,延缓了凝结时间。,(4)水泥的细度在矿物组成相同的条件下,水泥磨得愈细,水泥颗粒平均粒径小,比表面积大,水化时
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