胶凝材料学
《胶凝材料学》课程教学中加强学生创新教育研究与实践[论文]
![《胶凝材料学》课程教学中加强学生创新教育研究与实践[论文]](https://img.taocdn.com/s3/m/d047c38dbceb19e8b8f6ba98.png)
《胶凝材料学》课程教学中加强学生创新教育的研究与实践《胶凝材料学》是无机非金属材料类专业方向的重要专业知识课程。
随着高校教育改革的深化，培养创新型人才势在必行，本文分析了我校《胶凝材料学》课程教学现状，并从教学观念、教学内容、教学方式、考核体系、实践教学五方面入手，对加强胶凝材料学课程教学创新教育进行了探索。
胶凝材料问题创新教育课程教学《胶凝材料学》是高等学校建筑材料与制品专业、胶凝材料与制品专业、无机非金属材料专业的一门专业基础课，主要任务是要求学生从材料科学的基本原理出发，以硅酸盐水泥为重点，掌握胶凝材料的组成、结构与性能的关系；胶凝材料水化、硬化过程的基本规律；胶凝材料硬化体结构与工程性质的关系；硬化体形成过程与工艺参数的关系；胶凝材料硬化体结构、性能与环境的关系等。
作为我校材料专业无机非金属材料方向专业知识的延续和补充，它不仅巩固了硅酸盐水泥生产原理、过程及方法，水泥水化反应及机理，水泥组成、结构与性能间的关系，水泥硬化体形成及工程应用等相关知识，而且进一步要求学生掌握石膏、石灰、镁质胶凝材料等多种胶凝材料的特性和应用，课程教学中内容繁多而抽象枯燥，学生学习兴趣不大，自主学习动力不足，仍存在为考试而学的不良习惯。
然而，我校卓越工程师培养计划实施要求教师着力培养基础理论扎实，知识面广，实践能力强，思想道德素质高，且具有创新精神的工程性人才，以适应社会对创新人才的需求。
本文结合多年的教学经验，分析《胶凝材料学》课程教学现状，对加强学生创新教育提出一些建议。
一、课程教学存在的问题随着材料类高校课程体系的调整，我校《胶凝材料学》课程内容被压缩到24学时，而课程内容涉及众多常用胶凝材料，而不同的胶凝材料拥有不同的特点，课程要求学生掌握常用胶凝材料的特点和应用，课程内容繁多。
大部分知识仍以叙述的方式存在，逻辑性差。
并且，胶凝材料科学本身还处于发展之中，课程教学要求学生对各种材料的掌握程度不同，直接导致学生对于课程重点认识不足，易使学生中出现因重点众多而厌学的现象，不利于学习兴趣的培养。
胶凝材料学
浅析胶凝材料学发展摘要：基于胶凝材料的发展历史，提出了非传统胶凝材料的概念，根据工业废渣的化学组成、矿物特征以及胶凝固结特征对其进行了分类并探讨了工业废渣在胶凝材料中的应用途径，指出工业废渣在胶凝材料中的应用不仅有助于解决环境污染，节约能源，而且可降低产品成本，不同程度地改善胶凝材料的性能，具有显著的社会经济效益，并对以土聚水泥为例，介绍其研究现状及应用发展前景。
关键词：胶凝材料；工业废渣；利用；土聚水泥0引言胶凝材料是指经过自身的物理化学作用后，能够由液态或半固态变成坚硬固体的物质。
胶凝材料按其化学成分可分为有机和无机两大类。
无机胶凝材料按其硬化时的条件又可分为：气硬性胶凝材料与水硬性胶凝材料。
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提高其强度，如石灰、石膏、水玻璃等[1-2]。
水硬性胶凝材料不仅能在空气中硬化，而且能更好地在水中硬化，保持并继续提高其强度[3]。
1胶凝材料学的发展历程1.1传统胶凝材料1.1.1古代胶凝材料人类发现和利用胶凝材料，有着悠远的历史。
新石器的前陶器时代人们就开始使用天然胶凝材料粘土和姜石，并且在9000年前开始使用最早的人造胶凝材料—石灰。
公元前2500～3000年，人们就开始使用石膏—石灰类胶凝材料。
公元初期，石灰—火山灰水硬性胶凝材料开始使用。
这种胶凝材料表现出极强的耐久性[4-7]。
古代胶凝材料的最大不同是AL203和SiO2含量高而且有大量(40％)的方沸石存在。
方沸石是一种化学稳定性较高的水化产物，溶解度小，与Ca(OH)2几乎完全反应。
因此古代的胶凝材料的溶解度小，其内的成分不会因为时间的流失而流失，所以古代胶凝材料有卓越的耐久性。
1.1.2现代胶凝材料。
现代胶凝材料一般指硅酸盐水泥、石灰、石膏等最常用的胶凝材料。
而铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、则又称为非硅酸盐水泥。
现代以波特兰水泥为主的胶凝材料的最大特点是强度主要由硅酸盐熟料四种矿物质和石膏水解水化而形成强度[8]。
胶凝材料学复习试题
绪论1胶凝材料：凡在物理化学作用下，从具有可塑性浆体逐渐变成坚固石状的过程中，能将其他物料胶结为整体，并具有一定的机械强度的物质。
一、石膏1、CaSO4 H2O有几种石膏相及其生成条件（温度等）CaSO4 H2O系统中的石膏相有五种：二水石膏、α型与β型半水石膏、α与βⅢ型硬石膏、Ⅱ型硬石膏、Ⅰ型硬石膏。
半水石膏有α型与β型两个变种。
当二水石膏在。
>45°加压水蒸气条件下，在酸和盐的溶液中加热时，可以形成α型半水石膏。
如果二水石膏的脱水过程是在45°干燥环境中进行的，则可以形成β型半水石膏。
Ⅲ型硬石膏也存在α型与β型两个变种，他们分别由α型与β型半水石膏加热脱水而成。
前者是在100度加压水蒸气条件生成，后者是在107度干燥空气条件下生成。
如果二水石膏脱水时，水蒸气分压过低，二水石膏也可以不经过半水石膏直接转变为Ⅲ型硬石膏。
Ⅱ型硬石膏是二水石膏、半水石膏和Ⅲ型硬石膏经高温（200度-1180度）脱水后在常温下稳定的最终产物。
Ⅰ型硬石膏只有在温度高于1180℃时才能存在，如果低于此温度，他会转化为Ⅱ型硬石膏。
故Ⅰ型硬石膏在常温下是不存在的。
2、为什么α型半水石膏比β型的强度高？两者的差别主要表现在亚微观状态下晶体的形态大小以及分散度方面的不同。
1.α型半水石膏是致密的完整的，粗大的原生颗粒，而β型半水石膏是片状的，不规则的，由细小的单个晶粒组成的次生颗粒。
2.β型半水石膏分散度比α大得多。
所以，β型半水石膏的水化速度快、水化热高、需水量大、硬化体强度低。
3、简述半水石膏水化机理。
半水石膏加水后进行的水化反应用下式表示：CaSO4.1/2H2O+3/2H2O=CaSO4.H2O=Q,关于半水石膏水化有两个理论：1，溶解析晶理论。
2，局部化学理论。
1理论认为半水石膏与水拌合后，首先是半水石膏在水溶液中溶解，因为半水石膏的饱和溶解度对于二水石膏的平衡溶解度来说是高度过饱和的，所以在半水石膏的溶液中，二水石膏的晶核会自发地形成和长大。
第3讲-胶凝材料汇总
分缓慢。 缺陷：大量水蒸发，收缩很大，会出现干裂，所以，纯石灰膏
不能单独使用。常掺砂、纸筋、麻刀等。
4. 石灰的应用 ① 砂浆和石灰乳 石灰砂浆、石灰水泥混合砂浆 用于砌筑、
抹灰， 石灰乳用于粉刷墙面。 ② 灰土和三合土 灰土：石灰+粘土；三合土：石灰、粘土、
经过长时间（几个月甚至几年）的水化以后，多数水泥颗粒仍 剩余尚未水化的内核。因此，硬化后的水泥石是由凝胶体、未水化 的水泥颗粒和毛细孔组成的不均质结构体。
影响水泥凝结硬化的主要因素有：水泥熟料的矿物组成、水泥 的细度、拌和水量、硬化环境（温度和湿度）、硬化时间等。
采用蒸汽养护是加速凝结和硬化的方法之一。水泥石的强度只 有在潮湿的环境中才能不断增长，若处于干燥环境中，当水分蒸发 完毕后，水化作用将无法继续进行，硬化即行停止，强度也不再增 长，所以混凝土工程在浇筑后2～3周的时间内，必须注意洒水养护。
13.水玻璃用涂刷法或浸渍法可使建筑材料表面提高其密实性和抗风化能 力，但下列哪种材料不能涂刷水玻璃？
A.粘土砖 B.石膏 C.硅酸盐制品 D.矿渣空心砖
14.生石灰加水熟化成石灰浆，使用前应在储灰坑中“陈伏”两星期 以上，其目的是：
A.有利于Ca(OH)2结晶 B.减少熟化产生的热量 C.消除过火石灰的危害 D.使石灰浆变稠 15.关于水玻璃的优点中，哪项不正确？ A.耐酸性好 B.耐热性好 C.耐水性好 D.粘结力大、强度较高 16.以下有关气硬性胶凝材料的叙述中，哪一项是正确的？ A.三合土垫层是用石灰、粘土、砂石或炉渣、碎砖等填料拌合铺设 而成；
砂（或煤渣、炉渣、石渣等） 主要用于地基基础和垫层。 ③硅酸盐制品 灰砂砖、蒸养粉煤灰砖、粉煤灰砌块或板材 ④ 碳化石灰板 磨细生石灰+纤维+轻质骨料，加水强制搅拌，
胶凝材料学
石膏矿-二水石膏的结晶结构
二水石膏属单斜晶系
❖一般向a轴和c轴发展 形成 对{010}晶面发育的板状晶体
❖有时也只向c轴生长延长 形成拄状或针状晶体。
❖由于二水石膏的{010}晶面发 育好， {010}面解理完全，所 以在显微镜下常看到菱形薄 板状，柱板状或针状晶体。
石膏矿-二水石膏性质及特征
建筑石膏的性质、结构与特征
❖ 结晶形态分析-小角度X-ray分析
建筑石膏的性质、结构与特征
❖ 结晶形态分析-差热分析DSC
放 热
190℃吸热峰：半水石膏
Ⅲ 型硬石膏
230℃、370 ℃放热峰：Ⅲ 型硬石膏
Ⅱ型硬石膏
建筑石膏的性质、结构与特征
❖ 结晶形态分析- X-ray分析
谱线基本一致，但衍 射峰强度差异大
硬石膏 Ca[SO4] (Anhydrite)
化学组成: Ca[SO4]
结构特点: 正交晶系。晶体结构中, 在(100)和(010)面上 Ca2+和[SO4]2-分布成层，而在(001)面上[SO4]2-则成不平 整的层。Ca2+居于四个[SO4]2-之间而为八个O2-所包围， 配位数为8。每个O2-则与一个S6+和两个Ca2+相连接，故配 位为3。
❖β型一般为60—80％
强度
❖α型半水石膏的强度要高得多
❖原因：半水石膏完全水化所需要的水仅为18.6%,多 余的水分在石膏硬化体内留下大量的孔隙,使密实度 和强度大降低
❖降低半水石膏的需水量的措施：加入糖蜜（与石灰 混合使用））、亚硫酸酒精废液及水解血等稀释 剂）。
凝结时间，β型半水石膏的凝结时间更快。
❖ 石膏相的组成和晶型：
二水石膏CaSO4·2H2O
胶凝材料学06
(2)碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀的作用机理与钙矾石、 石膏等硫酸盐侵蚀明显不同，并且国内外学者对其发 生机理、形成条件和影响因素仍没有统一认识。
18
TSA研究的重要性及其机理
(3)对TSA发生机理还没有形成统一的观点，特别是 没有提出基于材料设计的有效可行的防治技术，在 我国，TSA侵蚀研究还只处于认识阶段，对其发生 机理和防治技术的研究处于空白。
2、外界环境
（1）水分：在混凝土施工过程中要尽量提高混凝土的防
水能力，如加强振捣操作、在混凝土表面涂刷防水涂层等；
（2）硫酸盐：尽量减少硫酸盐来源，如应避免采用风化
土进行回填；
（3）碳酸盐：减少碳酸盐来源，如应减少石灰石粉作为
填料或骨料在水泥混凝土中的应用。
17
TSA研究的TS重A研要究性的重要性及其机理
(4)针对TSA影响因素复杂，各地区环境条件差异较 大等特点，加强其机理、影响因素及预防措施的研 究，对确保水泥混凝土工程的耐久性意义深远。
19
20
的温度(通常低于15℃)和pH值(通常为10.5-13.0)
下,硫酸盐、碳酸盐、C-S-H凝胶和钙离子在水中
发生反应生成碳硫硅钙石，无需任何铝相参与
反应。
12
TSA国内外研究现状
反应途径二 (the woodfordite route) Ca6[Al(OH)6]2(SO4)3·26H2O+CaCO3+Ca3Si2O7·3H2O+xH2O→Ca6[S i(OH)6]2(SO4)2(CO3)2·24H2O+Al2O3·xH2O+CaSO4·2H2O+Ca(OH)2
胶凝材料学
第一篇胶凝材料学第一章气硬性胶凝材料在物理、化学作用下，能从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其它散粒物料（如砂、石等），制成有一定机械强度的复合固体的物质称为胶凝材料，又称为胶结料。
胶凝材料根据其化学组成可分为有机胶凝材料和无机胶凝材料两大类。
无机胶凝材料是按一定要求制备的粉状物料，能以一定速度与水或电介质溶液作用，生成真溶液或胶体溶液，经过一定的时间能形成可塑性浆体，最后凝结硬化，粘结骨料形成有承受外力能力的整体，并可以在一定的介质中（空气、水或一定浓度的酸、碱、盐溶液及温度的变化）仍然保持强度及增加强度。
这类材料在常温下，当其与水或适当的盐类水溶液混合后，经过一定的物理化学变化过程，由浆状或可塑状逐渐失去塑性，进而硬化，并能将松散材料胶结成具有一定强度的整体——人造石。
无机胶凝材料按硬化条件义可分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。
水硬性胶凝材料是指和水成浆后，既能在空气中硬化并保持强度，又能在水中硬化并长期保持和提高其强度的材料，这类材料常统称为水泥，如硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等。
气硬性胶凝材料是指不能在水中硬化，只能在空气中硬化，保持或发展强度，如石膏、石灰、镁质胶凝材料，水玻璃等。
气硬性胶凝材料只适用于地上或干燥环境，而水硬性胶凝材料既适用于地上，也可用于地下潮湿环境或水中。
第一节石膏胶凝材料石膏是一种应用历史悠久的材料。
它与石灰、水泥并列为无机胶凝材料中的三大支柱。
在化工、医药、工艺美术、建筑雕塑，建筑材料工业等方面都有广泛的用途。
如在水泥工业中，石膏可作为硅酸盐型水泥的缓凝剂，可用于配制硅酸盐与铝酸盐自应力水泥，也可用作生产硫铝酸钙早强水泥的原料。
在硅酸盐建筑制品生产中，石膏作为外加剂能有效改善产品的性能。
石膏胶凝材料包括建筑石膏、高强石膏、硬石膏水泥等，不仅用于粉刷和制备砌筑砂浆，而且还可制成各种石膏制品。
我国天然石膏储量丰富，随着工业的日益发展而相应的伴生出多种副产化学石膏。
胶凝材料学
胶凝材料学历史回顾：古埃及人发现尼罗河流域盛产的石膏可以做成很好的粘结材料。
他们发现，把开采出来的石膏碾碎磨细，再加上少量粘土一起煅烧，就会失去一部分结晶水成为熟料。
熟料中加水，调成糊状，过不了多久又会重新变硬，而且石膏糊粘性甚好。
由此，埃及人发明了与水泥相似的石膏粘结剂，并用它创造了世界建筑史上的奇迹——金字塔。
这些金字塔是由巨大的石块以石膏复合胶凝材料粘结而成的具有良好的耐久性。
一、石灰1.石灰的生产及分类：生石灰粉：石灰在制备过程中，采用石灰石、白云石、白垩、贝壳等原料经煅烧后，即得到块状的生石灰，生石灰粉是由块状生石灰磨细而成。
消石灰粉：将生石灰用适量水经消化和干燥而成的粉末，主要成分为Ca(OH)2,称为消石灰粉。
石灰膏：将块状生石灰用过量水(约为生石灰体积的3～4倍)消化，或将消石灰粉和水拌和，所得的一定稠度的膏状物，主要成分为Ca(OH)2和水。
2.石灰的熟化与硬化：a.石灰的熟化生石灰与水反应生成氢氧化钙，称为石灰的熟化。
石灰的熟化过程会放出大量的热，熟化时体积增大1～2.5倍。
为了消除过火石灰的危害，石灰膏在使用之前应进行陈伏。
陈伏是指石灰乳在储灰坑中放置14d以上的过程。
b.石灰浆体的硬化石灰浆体的硬化包括干燥结晶和碳化，后者过程缓慢。
（1）干燥结晶硬化过程石灰浆体在干燥过程中，游离水分蒸发，形成网状孔隙，使石灰粒子更紧密并使Ca(OH)2从饱和溶液中逐渐结晶析出。
（2）碳化过程Ca(OH)2与空气中的CO2和水反应，形成碳酸钙。
由于碳化作用主要发生在颗粒表层，且生成的CaCO3膜层较致密，阻碍了空气中CO2的渗入，也阻碍了内部水分蒸发，因此硬化缓慢。
3.石灰的性质与技术要求石灰的性质是可塑性好；硬化较慢，强度低，硬化时体积收缩大，耐水性差，吸湿性强。
a. 石灰乳将消石灰粉或熟化好的石灰膏加入大量的水搅拌稀释，成为石灰乳。
主要用于内墙和天棚刷白，石灰乳中加入各种耐碱颜料，可形成彩色石灰乳。
胶凝材料学
从而形成一种紧密的微结构
玉津桥始建于明末，桥墩台为石灰砂浆灌筑，拱圈为 糯米纸浆灰黏结糯米纸浆灰是由糯米粥、棉纸浆以及 石灰搅拌成的黏稠物。
罗马斗兽场（公元70-80 年) :石材、石灰砂浆
金茂大厦：共88层，高420.5米，建筑面积达29万平方米，1998年建成。
三峡大坝 ：世界第一大水电工程，大坝为混凝土重力坝，坝顶总长3035 米，坝顶高程185米。工期自1993年到2009年共17年，分三期进行，工 程总投资约为1000亿元人民币。
第八章 铝酸盐水泥
第九章 其它品种水泥
本书要求学生具有《材料科学基础》、《物理化
学》等相关知识。
本书是学习《混凝土学》、《土木工程材料》、 《新型建筑材料》等课程的基础课程
思考题
1.胶凝材料的定义、特征、用途。
2.按照硬化条件，胶凝材料可以分为哪两类，其
意义是什么？
三、胶凝材料发展简史
新石器时代 公元前2000-3000年 公元初期
粘土
石灰、石膏
石灰＋火山灰质材料
18世纪后半期
1824年
粘土和粘土煅烧制得天然水泥
硅酸盐水泥
糯米-石灰浆砂浆
古代石造建筑砂浆是一种特殊的有机-无机复合材料。
无机成分即碳酸钙，而有机成分则是来自糯米汤的胶淀
粉，而且胶淀粉充当着抗化剂的作用，抑制碳酸钙结晶，
（1）对胶凝材料的认识由宏观到微观，把性能与内
（2）对胶凝材料生产过程的规律和水化硬化过程的 规律的认识由经验上升到理论，从现象到本质， 为有效控制胶凝材料与制品的生产过程以及采用 新工艺、新技术提供理论基础
本书章节内容
第一章 石膏
第二章 石灰
第三章 镁质胶凝材料 第四章 硅酸盐水泥 第六章 高炉矿渣和矿渣水泥 第七章 火山灰混合材料和火山灰水泥
胶凝材料学概要知识汇总
石灰煅烧过程对石灰活性的影响：新制备石灰的活性即与水反应的能力，主要由两个因素决定：1.内比表面积，2.晶格的变形程度，形成CaO的所有原材料的结构，煅烧温度短少时间以及煅烧时的环境的状态对其活性有着重大的影响。整个煅烧过程分三个阶段：一、原料的分解，形成亚稳CaO 二、亚稳CaO再结晶形成稳定的CaO，其内比表面积达到最高点。三、CaO的烧结为主要方面，其内比表面积减小，且当煅烧温度提高时，CaO的活性降低，再经过长时间的较高温度的煅烧下，发生“死烧”现象，此时的CaO的活性很弱甚至基本丧失。
与普通水泥相比，道路水泥的要求：道路水泥应具有抗折强度，耐磨损，收缩变形小及耐疲劳特点。
如何提高白水泥的白度：1.原料选较纯的石灰岩，高岭土或含铁低的砂质粘土。2.生料的纸杯以及熟料的粉磨，均应在没有铁及其氧化物沾污的条件下进行。3.输送设备应自习油漆，防止铁屑进入。4.急速冷却。5.漂白处理。6.粉磨熟料时加石膏。
铝率：IM 熟料中的氧化铝与氧化铁的含量的质量比。铝率的高低在一定程度上反映了水泥煅烧过程中的高温液相的粘度。铝率高则熟料中的C3A多，C4AF较少，则液相粘度大，物料难烧；铝率过低，虽液相粘度小，液相中的质点比较易扩散，对C3S形成有利。但烧结范围变窄，窑内易结大块，不利于窑的操作。
石灰饱和系数：KH是熟料中的二氧化硅被氧化钙饱和形成C3S的程度。
粉煤灰，主要成分为二氧化硅氧化铝含少量的氧化钙，粉煤灰的矿物组成相主要是铝硅玻璃体，是粉煤灰具有火山灰活性的主要组成成分，其含量越高，活性越高，其本身具有水化胶凝能力。
水泥熟料矿物具有胶凝能力的本质与条件：1.硅酸盐水泥熟料矿物的水化反应活性决定于起结构的不稳定性，这种结构的不稳定使结晶结构的有序度降低，因为俄使其稳定性降低，水化反应能力增大。2.晶体结构存在活性阳离子，阳离子处于价键不饱和状态，在一定意义上可以认为熟料矿物水化反应的反应实质是活性阳离子在水介质的作用下，与极性离子OH或极性水分子互相作用并进入溶液，使熟料矿物溶解与解体。条件：1.形成的水化物必须是稳定的，这一点是由水化物本身的结构特性所决定的。2.形成的水化物要有足够的数量，他们之间彼此交叉连生，并且能在整个水泥讲题的空间形成连续的网状结构，这一点主要决定于液相的过饱和度及其延续的时间。
《胶凝材料》课件
其他领域的应用
环保领域
利用胶凝材料制作各种环保建材，如生态砖、生态水泥等，可用 于治理污染、修复生态等。
化工领域
用于制作耐酸碱、耐腐蚀的材料，如防腐涂料、耐酸砖等。
农业领域
利用胶凝材料制作农业灌溉渠道、水井等，提高农业用水的效率。
05 胶凝材料的环境影响与可 持续发展
胶凝材料的环境影响
资源消耗
胶凝材料的性能优化
添加物对性能的影
响
通过添加各种不同的添加剂，如 缓凝剂、减水剂、增强剂等，可 以改善胶凝材料的性能。
温度与压力的影响
温度和压力的变化也会对胶凝材 料的性能产生影响，因此在实际 应用中需要考虑到这些因素。
龄期与养护条件
龄期和养护条件对胶凝材料的性 能也有重要影响，需要合理控制 龄期和养护条件。
细度
细度是指胶凝材料的颗粒 大小，对胶凝材料的硬化 速度、强度和耐久性等有 影响。
硬化速度
胶凝材料在一定温度和湿 度条件下硬化的速度，是 影响其使用性能的重要因 素。
胶凝材料的力学性质
抗压强度
胶凝材料抵抗压力的能力，是衡 量其力学性能的重要指标。
抗拉强度
胶凝材料抵抗拉伸力的能力，对于 承受拉应力的结构物非常重要。
新型胶凝材料的开发
高性能混凝土
高性能混凝土是一种新型的胶凝材料，具有高强度、高耐久性等特 点，广泛应用于桥梁、高层建筑等领域。
绿色胶凝材料
绿色胶凝材料是一种环保型的胶凝材料，如利用工业废弃物制备的 混凝土掺合料等。
智能胶凝材料
智能胶凝材料是一种具有自适应性能的胶凝材料，如自修复混凝土 等。
04 胶凝材料的应用
1 2
节能减排
通过采用先进的生产技术和设备，降低能源消耗 和减少污染物排放，实现节能减排。
胶凝材料学-123章
胶凝材料学-123章
第三节 石膏浆体的硬化及其强度 发展过程
一、浆体硬化体的形成 • 形成条件：足够的水化产物，而且水化产
物晶体相互连生形成结晶结构网 • 形成过程：浆体硬化过程就是浆体结晶结
构相同）：
• 经过加热使二水石膏两个离子层之间的水 分子失去3/4，同时使Ca2+与SO42-彼此错开， 最终在水分子层中形成了直径为3A° （0.3nm）的沟道，因而使半水石膏结构不 稳定，容易水化。
胶凝材料学-123章
二水石膏
胶凝材料学-123章
半水石膏
3、和型半水石膏细观结构的差异
• 结晶度上： 半水石膏结晶度角度较完整； 半水石膏结晶度较差。
胶凝材料学-123章
• 凝结硬化：
水泥
水泥浆
水泥石
+水— （可塑性）—凝结、硬化（有强度的固体）
石膏
石膏浆
石膏制品
• 气硬性：只能在空气中凝结硬化
• 水硬性：在空气和水泥中均可凝结硬化
二、胶凝材料在国民经济中的作用
• 混凝土的基本组成材料
胶凝材料学-123章
三、本课程学习内容及方法
1、胶凝材料的原料、生产过程—影响其组成、 结构
构网形成的过程，这一过程伴随着硬化体 强度的发展。 • 浆体硬化体形成过程的表征：塑性强度， 即极限剪应力，随时间的变化。
• 结晶沉淀的原因是存在溶液的过饱和度
• 溶液的过饱和度：溶液的浓度与新相的饱 和浓度之比。
• 石膏浆体的过饱和度：半水石膏的溶解度 与该条件下二水石膏的平衡溶解度之比。
• 建立较高的过饱和度并使之维Байду номын сангаас足够的时 间是半水石膏凝结硬化的必要条件。
《胶凝材料学》--绪论--PDF
有资料表明，法国拉法基公司，目前可燃性废弃物替代自然矿物质燃料的 替代率已达50％左右。德国海德堡水泥集团、日本三菱材料公司、墨西哥 CEMEX公司、丹麦史密斯公司在水泥窑焚烧垃圾方面也有丰富的经验。例如： 德国和欧洲诸国多年的实践证明，将垃圾送到水泥厂进行适当地预处理后，部 分用作生产水泥的原料，部分用作替代燃料，是处置城市垃圾非常经济、安全、 环保的措施。
1、胶凝材料的定义和分类
拌水后只能在空气中硬化、保持强度
气硬性－－石灰、石膏、镁质 无机胶凝材料
（需水参与）
拌水后既能在空气中，又能在水中硬 化、保持和发展强度。
水硬性－－各种水泥 有机胶凝材料
（无水参与）
－－沥青、各种树脂等
1、胶凝材料的定义和分类
问题：用量最大、用途最广的胶凝材料是什么？ 硅酸盐类 铝酸盐类 水 泥 种 类 硫铝酸盐类 铁铝酸盐类 磷酸盐类 其他
水泥的发明
英国工匠阿斯普丁（J.Aspdin）对史密顿的发明进行改进： 石灰、黏土、矿渣等各种原料进行人工配料、高温煅烧、 再经磨细制成水硬性胶凝材料。1824年，阿斯普丁申请了 专利权。由于阿斯普丁的水泥在硬化后的颜色和强度，都 和当时英国波特兰岛上所产的石材差不多，所以人们就称 它为“波特兰水泥”。 “波特兰水泥”最早的一次大规模应用，是建造了穿越泰 晤士河河底的隧道。随后，它在世界各地迅速推广应用， 法国和德国分别在1840年和1855年建设了水泥制造厂。现 在，水泥已成为现代基础建设中不可缺少的基本材料。
3、胶凝材料的历史与发展趋势
阶段 天然黏土时期 石膏一石灰时期 石灰一火山灰时期 天然水泥时期 硅酸盐水泥时期 多品种水泥时期 绿色环保方向 时间 新石器时代 距今约 4000—10000年 胶凝材料 天然黏土
《胶凝材料学》课程在建材专业学生培养中的重要作用
浅谈《胶凝材料学》课程在建材专业学生培养中的重要作用摘要：《胶凝材料学》是高等学校建筑材料专业的重要课程。
随着高等学校教育教学改革及企业实际生产中对高素质人才需要的日益迫切，培养具有一定操作技能和更多基础理论知识的大学毕业生成为一种趋势和要求。
本文从作者的教学体验和我校《胶凝材料学》课程教学现状出发，并从教学观念、教学内容、教学方式以及往届毕业生在工作中的体会等方面出发，阐述了《胶凝材料学》课程对于建材专业学生的职业生涯的重要性，并对如何提高教学效果提出建议。
关键词：《胶凝材料学》；重要性；教学效果胶凝材料，又称胶结料，是指在物理、化学作用下，能从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其他物料，制成有一定机械强度的复合固体的物质。
胶凝材料有着悠久的发展历史，从人们使用最早的胶凝材料——粘土到目前应用量最大的胶凝材料——水泥，胶凝材料的发展伴随着人类文明的发展，尤其随着我国社会主义现代化建设的逐步深入，各种新型胶凝材料的应用也越来越广泛。
《胶凝材料学》经高等学校无机非金属材料类专业教学指导委员会审定为无机非金属材料、建筑工程材料与制品专业本科教学用书。
《胶凝材料学》以硅酸盐水泥为主，按材料品种阐述各类胶凝材料的组成、结构与性能的关系，介绍了胶凝材料的水化硬化机理以及改善硬化体结构与性能的途径。
作为我校材料科学与工程专业建筑材料方向的专业基础课程，《胶凝材料学》起到基础知识的延伸和为专业知识做铺垫的作用，它为《房屋建筑学概论》、《建筑结构材料》、《建筑功能材料》、《建筑施工》、《概预算》等后续专业课的学习奠定重要基础。
然而在课程教学中存在着诸多问题，如内容繁多而抽象枯燥，学生学习兴趣不大，自主学习动力不足，仍存在为考试而学的不良习惯，对学生将来的就业和工作产生较大影响。
本文结合多年的教学经验，分析《胶凝材料学》课程教学现状，对《胶凝材料学》在培养高素质研发、施工及管理人才方面的重要作用进行论述，并提出一些建议。
胶凝材料学-水泥3
诱导期的开始：泰卓斯((Tadros)等人认为C3S与水接触后很快水解， OHCa2+与[SiO4]4+进入溶液。他们认为C3S为不一致溶解，溶液中C/S OH 的比值远超过3，因此，C3S粒子表面形成了缺钙的富硅层。然后 [SiO4]42+ Ca Ca2+ Ca2+ 被吸附在富硅层表面使其带正电荷，形成双电层。随着双电 层的形成，C3S的溶解变慢，导致诱导期开始。 诱导期的终止：C3S仍缓慢溶解，以生成富有Ca2+和OH-离子的溶 液，由于溶液中硅酸根离子的存在，对Ca(OH) 2的析晶具有抑制作 用。因此，Ca(OH) 2晶核形成过程被延迟，只有当溶液中建立了充 分的过饱和度时，才能形成稳定的Ca(OH) 2晶核。当Ca(OH) 2晶核 达到一定尺寸，并有足够的数量，液相中的Ca2+与OH离子迅速沉 淀析出Ca(OH) 2晶体，随之溶解加速。这时诱导期结束，加速期开 始。
铝酸三钙
结构特征
C3A结构中，铝离子具有两种配位形式，处于不 规则状态，因而具有更高活性。 C3A结构中具有较大的空洞，OH-离子很容易进 入晶格内部，因此水化速度较快。 C3A结构中，钙离子具有不规则配位，处于不规 则状态，因而具有更高活性。
硅酸盐水泥熟料的矿物组成
铁铝酸四钙
二、硅酸盐水泥熟料矿物结构
C 3A
C4AF
C 3S
C 2S
硅酸盐水泥熟料的矿物组成
硅酸三钙
硅酸三钙的化学成分为3CaO· 2，其简写为C3S。它是 SiO 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44~62％。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3~7天内的早期强度以及后期强度都起主 要作用。
《胶凝材料学》课程大纲
《胶凝材料学》课程大纲课程代码0801041课程名称中文名:胶凝材料学英文名：CementitiousMateria1s课程类别专业课修读类别学位学分 3.0 学时理论48开课学期第5学期开课单位材料科学与工程学院无机非金属材料工程系适用专业无机非金属材料工程专业先修课程无机化学、物理化学、材料科学基础、土木工程材料A等后续有关专业课程和混凝土学，无机非金属材料工艺学教学环节主讲教师/职称黄书珍/副教授、孙国文/副教授、高礼雄/副教授考核方式及各环节所平时成绩+期末考试占比例(30%)+(70%)教材及主要参考书1.《胶凝材料学》，袁润章主编，武汉理工大学出版社，1996年10月第2版.2 .《Cementchemistry》,Tay1orH.F.W主编,ThomasTe1fordpub1ishing,1997年出版3 .《胶凝材料学》，林宗寿主编，武汉理工大学出版社，2014年8月第1版.4 .《现代混凝土理论与技术》，孙伟，缪昌文著，科学出版社，2012年3月第1版.5 .《水泥的结构和性能》，J.本斯迪德，P.巴恩斯著，廖欣译.化学工业出版社，2009年1月第1版.一、课程性质和目标本课程是无机非金属材料工程专业的一门专业必修课，课程内容包括常见无机胶凝材料的组成和结构、胶凝性能的本质、水化硬化条件、调控机理和方法、胶凝材料的性能特点和工程应用性质；新型胶凝材料组成、结构、性能特点和主要应用途径。
培养学生对胶凝材料的“组成一结构一性能”的认知和应用能力，具备应用专业基本原理解决复杂工程问题的能力。
通过本课程的理论教学，使学生具备基本的知识和能力，课程的具体课程目标如下:知识目标：课程目标1：常用无机胶凝材料的组成、水化硬化过程、硬化体结构及技术性质等基础知识，并能运用分析材料组分、结构与性能之间的相互关系。
课程目标2：能利用胶凝材料的基础理论，依据其水化硬化及结构形成过程的规律，对胶材浆体结构的形成过程进行调控与设计。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
胶凝材料习题1孔隙学：研究孔结构和孔特征的理论。
2天然矿物材料：指可供作为材料直接使用的，由自然地质作用所形成的单矿物材料、单种矿物集合体材料、多种矿物集合体所构成的岩石材料。
3固相反应：在生产煅烧过程中，碳酸钙分解的组分与粘土分解的组分通过质点的相互扩散而进行的反应。
4石灰饱和系数：熟料中二氧化硅被碳酸钙饱和成硅酸三钙的程度。
5耐火材料：用于热工设备中能够抵抗高温作用的结构部件和高温容器的无机非金属材料和制品，也包括天然矿物和岩石。
6镁质胶凝材料：由磨细的苛性苦土（MgO）和苛性白云石(MgO和CaCO3)为主要组成的一种气硬性胶凝材料。
7镁水泥：用MgCl2溶液调制成的镁质胶凝材料即为氯氧镁水泥，简称镁水泥。
8风化：岩石在大气、水、介质等共同联合作用下发生破坏和化学分解等现象。
9激发剂：能促使矿渣自身呈现其胶凝能力的外加物。
10碳酸钙分解温度：分解压力大于0.1MPa时温度达到898°C，该温度称~~11硅率ＳＭ：表示熟料中SiO2含量与Al2O3与Fe2O3含量之和的质量比值。
12铝率IM：表示熟料中Al2O3与Fe2O3含量的质量比。
13形态学：研究材料组成相的几何形状及其变化，进一步研究他们与生产工艺及材料性能间关系的科学。
14触变性：指某些胶体体系在外力作用下，流动性暂时增加，外力除去后，具有缓慢的可逆复原的性能。
15水化速率：单位时间内水泥的水化程度和水化深度。
16宾汉姆体：在研究弹-塑-粘性物体变形过程中，当所施加的外力较小，它所产生的剪应力小于极限剪应力或屈服应力时，物体将保持原状不发生流动，而当剪应力超过屈服应力时，物体就产生流动，这类物体叫宾汉姆体。
17网络形成剂：单键强度＞335kＪ／mol的氧化物能单独形成玻璃称~~18网络调整剂：单键强度＜250ｋＪ／mol的氧化物不能单独形成玻璃，但能改变网络结构，处在网络之外，称网络调整剂。
19.耐火度：表示材料抵抗高温作用而不熔化的性能。
20.化学收缩：水泥浆体在水化过程中，水泥水体系的总体积发生缩小的现象。
21.自收缩：自由干燥引起的物理收缩。
22.水化程度：指某一时刻水泥发生水化作用的量和完全水化的量的比值，以百分率表示。
23.胶空比：水化水泥在水泥石体积中对孔隙填充的程度。
24.最可几孔径：水泥石中出现几率最大的孔径。
25.流变学：研究物体中的质点因相对运动而产生流动和变形的科学。
26.假凝：指水泥的一种不正常的早期固化或过早变硬现象。
27.荷重软化温度：表示制品对高温和荷重的共同作用的抵抗能力。
28.玻晶比：玻璃和晶体含量的比值。
29.火山灰质混合材：凡是天然的或人工的以氧化铝、氧化硅为主要成分的矿物质材料，本身磨细加水拌和并不硬化，但与气硬性石灰混合后再加水拌和，则不但能在空气中硬化，而且能在水中继续硬化者称为火山灰质混合材。
30.阿利特（A矿）：水泥中的硅酸三钙一般不是以纯C3S形势存在，而是含有氧化镁和氧化铝的固溶体贝利特（Ｂ矿）：在水泥熟料烧成过程中形成硅酸二钙，常常含有少量杂质如氧化铁、氧化钛等，才利特（Ｃ矿）：C4AF。
问答题1. 石膏的相组成有哪些？石膏工艺理论基础是什么？相组成：二水石膏（CaSO4·2H2O）; α型与β型半水石膏（α－、β－CaSO4·1／2H2O）；α与βⅢ型硬石膏（α、β－CaSO4Ⅲ）；Ⅱ型硬石膏；Ⅰ型硬石膏。
理论基础：将二水石膏加热使之部分或全部脱去水分，以制备不同的脱水石膏相；将脱水石膏再水化，使之再生成二水石膏并形成所需的硬化体。
2.风化的破坏过程是怎样的？防风化的措施有哪些？破坏的方式可能是机械式的崩解，也可能是化学作用的分解，而更多的是两者的综合作用。
措施：①磨光表面以免表面积水②用有机硅喷涂表面③用氟硅酸镁溶液处理表面，以免侵蚀性介质渗入。
3. 石灰的水化特点有哪些？石灰水化体积膨胀的原因是什么？特点：①水化热高②需水量大③体积膨胀原因：①水化过程中物质的转移②孔隙体积增量4. 影响石灰碳酸化速率的因素有哪些？如何影响？水泥混凝土碳化最快的湿度是多少？①CO2浓度：碳酸化反应，只是在有水的存在下才能进行，当使用干燥CO2作用于完全干燥的石灰水化物粉末时，碳酸化作用几乎不进行②溶解石灰的浓度：向石灰掺入能提高石灰溶解度的外加剂，可加速碳酸化反应③液-气界面的大小：使材料具有最适宜的湿度，可以增大液-气界面，从而加速碳酸化过程。
湿度：55%5. 水泥石碳化收缩的原因是什么？影响碳酸化速率的因素有哪些？如何影响？原因：由于空气中的CO2与水泥石中的水化物，特别是与Ca(OH)2的不断作用，引起水泥石结构的解体所致。
因素：①CO2浓度：碳酸化反应，只是在有水的存在下才能进行，当使用干燥CO2作用于完全干燥的石灰水合物粉末时，碳酸化作用几乎不进行。
②溶解石灰的浓度：向石灰中掺入能提高石灰溶解度的外加剂，可以加速碳酸化过程。
③液—气界面大小：使材料具有最适宜的湿度，可以增大液—气界面，从而加速碳酸化过程。
6. 膨胀水泥最常用的膨胀源是什么？膨胀机理是什么？（207页）膨胀源：钙矾石；7. C3S的水化过程分为哪几个阶段，其中诱导期的形成和结束的原因是什么？阶段：Ⅰ诱导前期. Ⅱ诱导期. Ⅲ加速期. Ⅳ减速期. Ⅴ稳定期原因：1、保护膜假说：即有新相的形成；2、半渗透膜假说：由于浓度差引起了渗透压的升高；3、延迟成核假说8. 水泥熟料矿物具有胶凝性的本质与条件是什么？熟料水化矿物水化的实质是什么？条件：①酸盐水泥熟料矿物的水化反应活性，决定与其结构的不稳定性；②水泥熟料矿物的水化反应活性的另一个结构特征，是在晶体结构中存在着活性阳离子；实质：活性阳离子在水介质的作用下与极性离子OHˉ或极性水分子互相作用进入溶液使熟料矿物溶解和解体。
9. 水介质对水泥石侵蚀作用可分为哪几类？其中淡水侵蚀和硫酸盐侵蚀的破坏机理各是什么？第一类：淡水侵蚀机理：在流水的作用下，水泥石中的氢氧化钙会逐渐被溶出，液相中的石灰浓度降低，引起水化硅酸盐及铝酸盐分解，最后导致水泥石的破坏。
第二类：离子交换侵蚀第三类：硫酸盐侵蚀机理：侵蚀性介质与水泥石互相作用并在混凝土的内部气孔和毛细管内形成难溶的盐类时，如果这些盐类结晶逐渐积聚长大，体积增加，使混凝土内部产生又还应力，可以导致水泥石与混凝土结构的破坏。
10.形成水泥熟料的物化过程分为哪几个阶段？窑外分解技术的主要特点?答：阶段:①生料的干燥与脱水②CaCO3分解③固相反应④液相的形成与熟料的烧结⑤熟料的冷却特点：把大量吸热的CaCO3分解反应从窑内传热速率较低的区域移到悬浮预热器与回转窑之间的分解炉中进行，不仅热耗大大降低，而且产量也成倍的增加。
11.中低热水泥的矿物组成要求和水化热影响因素有哪些？217答：组成要求：①中热硅泥:C3A不大于6﹪，C3S不大于55﹪，f–CaO不大1﹪；②低热硅泥：C2S不小于40﹪，C3A不大于6﹪，f–CaO不大于1﹪；③低热矿泥：C3A不大于8﹪.水化热影响因素：矿物组成、颗粒细度、混合材的掺入12.简述铝率（SM）的含义及其对熟料烧成和矿物组成的影响？答：含义是表示熟料中SiO2含量与Al2O3、Fe2O3含量之和的质量比值。
影响：SM↑，烧成温度↑，则好烧；SM↓，烧成温度降低，则相对好烧；SM↓↓，影响操作，通常SM﹦1.7～2.713.矿渣结构可以分为哪几个层次？各层次的结构参数与矿渣活性有什么关系?答：第一层次：玻璃相，结晶相，玻晶比↑，活性↑；第二层次：玻璃体，网络调整剂、网络形成剂↑，活性↑；第三层次：网络形成程度，聚合度↓或平均桥氧数↓，活性↑。
14.粉煤灰的矿物相主要是什么？其颗粒形态大体可分为哪几类？粉煤灰需水量比的含意是什么？答：矿物相：铝硅玻璃体分类：球状颗粒、不规则多孔颗粒、不规则颗粒。
粉煤灰需水比是依据GB2419规定分别测定试验样品（90克粉煤灰、210克硅酸盐水泥和750克标准砂）和对比样品（300克硅酸盐水泥、750克标准砂）达到同一流动度125~135mm范围的加水量之比。
15．水泥中掺石量石膏的作用有哪些？石膏的缓凝机理是什么？石膏掺量过多对水泥凝结性和安定性有什么影响？答：作用：①可调节凝结时间②提高早期强度，降低干缩变形③改善耐蚀性、抗冻性、抗渗性等机理：在C3A粒子表面形成AFt包裹层。
影响：当水泥中的C3A含量低，而石膏加入量高时，除了消耗部分石膏与C3A作用形成钙矾石外，将产生次生石膏结晶体，他使带有包裹层的水泥粒子相互接触形成网状结构，因而使水泥凝速。
16.根据罕特尔方程说明毛细孔压力受哪些因素影响？如何影响？答：毛细管力 P= 2γCOSΘ/r , γ—表面张力，θ—润湿角，r—孔半17.孔结构对材料性能和作用有哪些影响？答: 影响：孔有正负两种影响，吸水性好、耐火性好，与强度成正比，抗冻、抗渗、碳化、化学腐蚀。
18.水泥石中的孔可以分为哪几类？影响水泥石孔分布的因素有哪些？水泥石颗粒组成对水泥石孔径分布如何影响？136页答：胶凝孔 (孔径1.2-3.2nm)、过渡孔(5/10-100nm) 、毛细孔（100-1000nm）、大孔（大于1000nm）因素：水化龄期、水灰比、不同的养护制度、减水剂、成型方法矿物组成：小于5nm的颗粒数量增多，则微毛细孔的数量增多，大毛细孔的数量减少；19.影响水泥浆体中硅酸根聚合度的因素有哪些？如何影响？答：①水化龄期：随着龄期增长，单聚硅酸根迅速减少，多聚硅酸根迅速增加②水化温度：温度↑，多聚物↑，低聚物↓③C–S–H组成：当C–S–H中(H+C)／S↑时，多聚物↓，当C–S–H中存在Al3+、Fe3+、SO42-等掺杂离子时，硅酸根聚合度也会↓。
20.提高水泥石抗冻性的技术途径有哪些？原理是什么？答：途径：1、加引气剂；2、改善密实度；原理:加引气剂可以提高储备空，降低饱和度；密实度可以使其有合理的饱和度，即尽量低的饱和度，此外还可以有尽量低的冰点（-40℃--- -50℃）总结1、原子级结构特点：基本组成单元多样化、晶体结构更复杂。
2、常见键型：离子键、共价键、分子键、混合键。
3、大多数化合物为离子晶格，较常见的是四面体和六面体和多面体。
4、共顶连接更稳定，其次共棱，共面最不稳定。
5、硅氧四面体只能共顶连接，连接方式决定因素：硅氧比上升聚合度上升。
连接方式：岛状、组群状、连庄、层状、架状。
6、实际晶体标志：存在晶格缺陷、表面与内部完全不同。
7、在没有液相的参与下原材料的晶格位置缺陷密度越高，固体烧结越好。
8、无机非金属材料晶界特点：大角度、大多数为非晶格晶界、离子结构在晶界上有静电势。
9、材料的脆性基础：具有一定键角的共价键、强健、复杂的晶格构造和晶体结构。