第3章无机胶凝材料

第3章无机胶凝材料教学目的：让学生了解胶凝材料的种类、特性。

特别是要求学生掌握水泥在建筑工程中的应用，为今后的学习和在施工中水泥的合理选用打下前期基础。

教学重点：学习硅酸盐水泥的技术性质、工程应用等技术方法。

教学难点：理解和掌握建筑水泥材料的应用性质、工程技术特点等。

教学学时：4教学过程：3．1 气硬性胶凝材料胶凝材料：凡是经过一系列的物理、化学变化，能将散粒状材料或块状材料粘结成整体的材料，统称为胶凝材料。

气硬性胶凝材料：只能在空气中硬化，也只能在空气中保持或继续发展其强度的胶凝材料，称为气硬性胶凝材料。

如：石膏、石灰、水玻璃如下图所示。

3．1．1 石膏石膏材料：以CaSO4为主要成分的气硬性胶凝材料。

其性质优良，原料来源丰富，生产能耗低，因而在建筑工程中应用广泛。

1、石膏胶凝材料的生产原料：主要是天然二水石膏（CaSO4·2H2O）矿石，也可利用化工石膏。

生产工序：破碎、加热煅烧、磨细。

加热方式和煅烧温度：不同性质的石膏胶凝材料产品。

建筑石膏：β型半水石膏，即建筑石膏。

晶体较细，调制成一定稠度的浆体时，需水量较大，强度较低。

高强石膏：、124℃的过饱和蒸汽条件下蒸压，或置于某些盐溶液中沸煮α型半水石膏，即高强石膏。

其特点：晶粒粗大，调制成浆体时需水量较小，因而强度较高。

2、建筑石膏的凝结硬化：建筑石膏的凝结硬化示意图见教课书中图3-1所示：3、建筑石膏的技术性质与应用(1) 建筑石膏的性质：初凝和终凝时间都很短；硬化后孔隙率较大，表观密度小；强度较低；导热系数小，吸声性强，吸湿性大，可调节室内的温度和湿度；耐水性和抗冻性差；防火性能较好；硬化时体积微膨胀，可装饰性好。

(2) 建筑石膏的技术要求：强度、细度、凝结时间。

分为优等品、一等品和合格品。

(3)建筑石膏的应用：石膏抹灰材料、各种墙体材料（纸面石膏板、石膏空心条板等）、各种装饰石膏板、浮雕花饰、雕塑制品等。

纸面石膏板与龙骨组成轻质墙体：美国，70％以上的民用住宅内隔墙、轻钢龙骨石膏板墙体体系(简称QST)具有以下优点：(1)质轻，强度较高。

(2)尺寸稳定。

(3)抗震性好。

(4)自动调湿性好。

(5)装饰方便。

(6)占地面积少。

(7)便于管道及电线等埋设。

(8)施工简便，进度快。

艺术装饰石膏制品：石膏注模成型。

建筑石膏注意防潮：储存期超过三个月应重新进行质量检验，以确定其等级。

吸潮结粒，对凝结硬化性能及强度均有影响。

3．1．2 石灰1、生石灰的生产原料:石灰石、白云石、白垩、贝壳等。

钙质石灰，镁质石灰：MgO含量。

块状生石灰加热分解生成：生石灰粉、消石灰粉和石灰膏。

2、生石灰的熟化（1）熟化成石灰膏（用于拌制石灰砌筑砂浆或抹灰砂浆时）在化灰池中熟化成石灰浆，在储灰坑中沉淀并去除上层水分，得到石灰膏。

熟化时要控制温度，防止过高或过低。

石灰浆应在储灰池中“陈伏”两星期以上，其作用是消除过火石灰的危害。

“陈伏”期间，石灰浆表面应保有一层水分，与空气隔绝，以免碳化。

石灰浆熟化过程见下图所示：石灰浆在储灰池中“陈伏”期不够示意图见下图所示：（2）熟化成消石灰粉（用于拌制石灰土、三合土时）控制加水量:充分消解而又不过湿成团。

3、石灰的硬化结晶作用：表层、内部。

碳化作用：表层、内部。

4、石灰的技术性质和要求（1）性质：良好的可塑性、硬化缓慢、强度低（28d抗压强度仅~）、耐水性差（不宜在潮湿环境下使用）、吸湿性强（注意防潮）、硬化时体积收缩大，不宜单独使用。

（2）技术指标要求：按规定的指标要求分为优等品、一等品和合格品。

优等品适用于饰面层和中间涂层、合格品仅适用于砌筑。

5、石灰在土木工程中的应用（1）制作石灰乳涂料和砂浆。

（2）配制石灰土和三合土：6％－12％。

（3）生产硅酸盐制品：如灰砂砖、粉煤灰砖、粉煤灰砌块、硅酸盐砌块等。

3．1．3 水玻璃水玻璃（泡花碱）：是一种能溶于水的硅酸盐，由不同比例的碱金属和二氧化硅所组成的。

1、水玻璃的生产水玻璃（泡花碱）：碱金属氧化物＋二氧化硅化合而成的一种可溶于水的硅酸盐。

有干法和湿法两种方式生产。

建筑中常用：硅酸钠(Na2O·nSiO2) 水玻璃。

2、水玻璃的硬化水玻璃在空气中吸收二氧化碳，析出二氧化硅凝胶，并逐渐干燥脱水成为氧化硅而硬化。

3、水玻璃的性质：良好的粘结性能和防水止渗作用、不燃烧、高度耐酸性能。

4、水玻璃的硬化应用：涂刷材料表面（石膏制品、铝合金不可使用）、提高抗风化能力、配制快凝堵漏防水剂、加固土壤。

3．2 硅酸盐水泥我国水泥年产量约亿吨(2009年)，占全世界产量的一半。

对环境污染、影响较大。

水泥品种及组分如下表所示：3．2．1 硅酸盐水泥的生产及矿物组成凡是由硅酸盐水泥熟料、0~5%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。

1、硅酸盐水泥的生产原料：石灰质原料（如石灰石、白垩等，主要提供氧化钙）、粘土质原料（如粘土、页岩等，主要提供氧化硅及氧化铝与氧化铁）、少量校正原料（包括铁质校正原料和硅质校正原料）、石膏（煅烧所得的熟料还要加入石膏作缓凝剂）。

生产工艺：“两磨一烧”生产工艺见下图所示：2、硅酸盐水泥熟料矿物组成见下表所示：名称矿物成分简称含量（%）密度（g/cm3）硅酸三钙3CaO·SiO2 C3S 37-60硅酸二钙2CaO•SiO2 C2S 15-37铝酸三钙3CaO•Al2O3 C3A 7-15铁铝酸四钙4CaO•Al2O3•Fe2O3 C4AF 10-18少量矿物：游离氧化钙和游离氧化镁及碱。

3．2．2 硅酸盐水泥的水化及凝结硬化1、硅酸盐水泥的水化（1）C3S的水化：C3S+H —C-S-H+CH水化硅酸钙凝胶(C-S-H)：无固定组成，几乎不溶于水，具有较高的强度，是硬化后水泥的主要强度组分。

生成的氢氧化钙晶体CH数量比C-S-H少，通常起填充作用，因其具有层状构造，层间结合较弱，在受力较大时是裂缝策源地。

（2）C2S的水化：C2S+H —C-S-H+CHC2S的水化与C3S相似，但水化速度慢，且生成的CH较少。

（3）C3A的水化：其水化速度极快，主要水化产物为水化铝酸三钙C3AH6和水化铝酸四钙C4AH13晶体，强度较低。

在碱性介质中，C4AH13数量增长迅速，试验认为是水泥浆体产生瞬凝（急凝）的主要原因，因此，在水泥粉磨时，需加入石膏作缓凝剂。

C4AH13与石膏反应，生成高硫型水化硫铝酸钙（钙矾石）针状晶体（含大量结晶水，体积增加倍以上，难溶于水，包裹在熟料颗粒周围，延缓水化）；石膏耗尽后，部分钙矾石转化为单硫型水化硫铝酸钙晶体。

（4）C4AF的水化：与C3A的水化相似，主要水化产物为水化铝酸三钙C3AH6晶体、水化铝酸四钙C4AH13晶体和水化铁酸一钙凝胶。

各种熟料矿物单独与水作用时表现出来的性质如下表所示：水泥熟料的主要水化产物：C-S-H约占70% ，CH约占20% ，钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙约占7% ，其他：水化铁酸钙、水化铝酸钙占3% 。

2、硅酸盐水泥的凝结硬化凝结：水泥加水拌和后，成为可塑的水泥浆，水泥浆逐渐变稠失去塑性，但尚不具有强度的过程。

硬化：水泥凝结后逐渐产生强度并发展成为坚硬的水泥石的过程。

水泥的凝结硬化过程示意见教课书图3—3所示：水泥的水化速度和强度增长规律是开始较快，然后逐渐减慢，硬化后的水泥石中，同时包含：水化凝胶体和结晶体、未水化的水泥颗粒、水（自由水和吸附水）和孔隙（毛细孔和凝胶孔）。

它们在不同时期相对数量的变化，使水泥石的性质随之改变。

3、影响水泥凝结硬化的因素：养护时间、温度和湿度、石膏掺量、熟料矿物组成、细度、用水量。

3．2．3 硅酸盐水泥的技术性质1、细度水泥颗粒越细，其表面积就越大，因而水化较快而且较完全，早期强度和后期强度都较高，但标准稠度用水量及在空气中的硬化收缩也越大，成本也越高。

水泥细度可用和比表面积法检验。

硅酸盐水泥的比表面积应大于300m2/kg 。

2、凝结时间初凝：水泥加水拌合起至标准稠度净浆开始失去可塑性所需的时间。

终凝：水泥加水拌和起至标准稠度净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。

《国标规定》（GB）：硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于6h30min 。

凝结时间的影响因素：C3A含量、石膏掺量、细度、水灰比、温度、混合材料掺量。

3、体积安定性水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。

体积安定性不良的原因：水泥熟料中游离氧化钙过多、氧化镁过多、石膏量过多。

4、强度及强度等级根据测定的3d和28d的强度，硅酸盐水泥共分为六个强度等级。

硅酸盐水泥的强度主要决定于熟料的矿物成分和细度。

水泥强度及强度等级见下表所示：5、碱含量：Na2O+若使用活性骨料，碱含量过高将引起碱骨料反应。

如用户要求提供低碱水泥时，水泥中碱含量不得大于%或由供需双方商定。

6、水化热水化放热量和放热速度不仅决定于水泥的矿物成分，而且与水泥细度、混合材料掺量及外加剂的品种、数量有关。

7、密度及堆积密度硅酸盐水泥的密度为－cm3，平均可取cm3；其堆积密度按松紧程度在1000－1600kg/m3之间。

3．2．4 水泥石的腐蚀与防止1、软水的侵蚀（溶出性侵蚀）在静水及无水压的情况下，溶出的CH易饱和，使溶解中止，溶出仅限于表层，影响不大；在流水及压力水作用下，CH不断溶解流失，同时，由于CH浓度的继续降低，还会引起其他水化物的分解溶蚀，使水泥石结构受到进一步的破坏。

2、盐类腐蚀（1）硫酸盐的腐蚀硫酸盐与水泥石中的CH反应，生成硫酸钙。

硫酸钙与水泥石中固态水化铝酸钙作用生成钙矾石，体积膨胀，使水泥石胀裂。

硫酸盐浓度较高时，硫酸钙在孔隙中直接结晶成二水石膏，体积膨胀，导致水泥石破坏。

（2）镁盐的腐蚀MgSO4+Ca(OH)2+2H2O=CaSO4·2H2O+Mg(OH)2MgCl2+Ca(OH)2=CaCl2+Mg(OH)2生成的Mg(OH)2松软而无胶结能力，CaCl2易溶于水，CaSO4·2H2O则引起硫酸盐的破坏。

硫酸镁对水泥石起镁盐和硫酸盐的双重腐蚀作用。

3、酸类腐蚀水泥石呈碱性，各种酸类（碳酸、盐酸、硫酸、有机酸）与水泥石中的CH作用生成的化合物，或易溶于水，或体积膨胀，使水泥石结构破坏。

4、强碱的腐蚀碱类溶液在浓度不大时一般是无害的，但铝酸盐含量较高的硅酸盐水泥遇到强碱（如氢氧化钠）作用后也会破坏（生成易溶的铝酸钠）；当水泥石被氢氧化钠浸透后又在空气中干燥时，与空气中CO2作用生成碳酸钠，碳酸钠在水泥石毛细孔中结晶沉积，使水泥石胀裂。

5、腐蚀的基本原因与防止措施水泥石中存在引起腐蚀的组分氢氧化钙和水化铝酸钙—根据环境特点选择合适的水泥品种。

水泥石本身不密实，有很多毛细通道，侵蚀介质易于进入其内部—提高水泥石的紧密程度，或加做保护层。