第二章 无机结合料

第一节 石灰
2.1.1 原料及组成 2.1.2 水化及强度形成机理 2.1.3 技术性质及标准
4
2.1.1 原料及组成
（1）石灰原材料及烧制
用于烧制石灰的原料是富含碳酸钙的一类物质，如石灰石、 白云石等。 • 加工成一定规格的原料在石灰窑中高温加热，通过化学反应 ，烧制成生石灰，其中的化学反应式可表示为：
2.2.1 基本概念 2.2.2 技术性质及技术要求 2.2.3 粉煤灰活性及其激发 2.2.4 粉煤灰在公路工程中的应用
2.2.1 粉煤灰组成及分类
•
粉煤灰是火力发电厂燃煤发电过程中排出的粉尘 ，根据排放方式的不同，分为干排灰和湿排灰， 通过静电集灰排出的干排灰性能更好些。
静电法干排灰 火力发电厂
有效（CaO+MgO）(%)
≥
85
7
80
11
70
17
80
10
75
14
65
20
残渣含量（4.75mm筛余）（%）≤
有效（CaO+MgO）(%)
消石 灰粉 含水率（%）
≥
≤
65
4
60
4
55
4
60
4
55
4
50
4
0.90mm方孔筛筛余
细度 0.125mm方孔筛筛余
≤
≤
0
13
1
20
ห้องสมุดไป่ตู้
1
-
0
13
1
20
1
-
第二节 粉煤灰
镁质石灰
＞5
＞5
≥4
• •
由于钙质石灰性能优于镁质石灰，应用时优先考虑钙质石 灰。 石灰在道路工程中的主要用途是用来稳定土、砂石及工业 废渣（如粉煤灰、煤矸石）等材料，铺筑道路基层和底基 层，即所谓的半刚性基层.
2.1.3 石灰的技术性质及其标准
道路工程用石灰技术标准
石灰 品种 生 石 灰 钙质石灰 项 目 I II III I II III 镁质石灰
III级灰
＜45
＜15
2.2.2 粉煤灰技术性质及要求
粉煤灰技术性质
粒度
密度
击实 特性
抗压 强度
含水 率
烧失 量
需水 量比
对于湿排灰，其含水率会有很大的变化 由于粉煤灰持水性较大，所以粉煤灰击实过程中接近最 粉煤灰的相对密度大约在 1.9~2.6之间，比相同成分的矿 ，应用时要加以控制。如道路工程控制 物要轻一些。密度的大小与其玻璃体含量和空心球体数 大干密度时，含水量会有一个较明显的变化。粉煤灰最 粉煤灰含水率不应超过 35%. 在大约 950℃上下，粉煤灰会产生一定数量的质量损失， 粉煤灰和水的混合物达到某一流动度的 粉煤灰细度越高，其可利用的机会越大。通常根据不同 量多少相关，玻璃体含量高，空心球体比例低，则粉煤 大干密度比一般的土明显偏小，这与粉煤灰自身颗粒特 称之为烧失量，该量取决于粉煤灰中未燃尽的碳的数量 由于粉煤灰颗粒间的粘聚性很低，自身的抗压强度很低 情况下所需的用水量，粉煤灰的需水量 排放方式，其粒度会有一些差异，但基本状态是， 多少。所以烧失量越高，表明粉煤灰中有害成分碳的数 点密切相关。所以用粉煤灰填筑路基等构造物自重有较 ，但当采用一定的加固稳定措施后，其形成的抗压强度 越小，相应的工程利用价值就越高 . 的 0.074~2mm灰的密度就高。粉煤灰密度越大，则其质量相对越好； 颗粒约占 35~40% ，其余为小于0.074mm 量越高，工程实际应用时需要对该量加以限制 . 比土要高许多，这是粉煤灰能在土木工程大量应用的一 大的减轻 颗粒； 个主要原因.
2.3.1 水泥定义及分类
定义：硅酸盐熟料、适量石膏及少量混合材共同
磨细得到的一种水硬性胶凝材料
不仅能在空气中硬化，还能更好地在水中硬化，保持 并继续增长其强度
NV 0.028 100% W
式中：N——盐酸当量浓度； V——滴定终点盐酸消耗量（ml）; W——测 定时所用石灰质量（g）; 0.028——氧化钙毫克当量.
2.1.3 石灰的技术性质及其标准
•
石灰的技术标准是根据石灰属钙质和镁质石灰两种类型加 以制定；
品种
氧化镁含量(%) 类别 钙质石灰 生石灰 ≤5 生石灰粉 ≤5 消石灰粉 ＜4
Ca(OH)2 +H2O + CO2
CaCO3 +( n-1)H2O
2.1.3 石灰的技术性质及其标准
石灰主要技术性质
物理性质
化学性质
细 度
含 水 量
有 效 钙 镁 含 量
二 氧 化 碳 含 量
残 渣 量
2.1.3 石灰的技术性质及其标准
•
•
•
石灰发挥无机胶凝效果取决于石灰中的有 氧化钙和有效氧化镁，这类氧化物含量越 高，石灰的质量越好； 石灰中钙和镁物质并非都具有胶凝功能， 只有那些游离的（独立存在的）氧化钙和 氧化镁才能发挥这样的作用，所以称之为 有效钙镁； 准确的有效钙镁含量可以采取化学分析的 方法进行测定.
2.1.2 石灰的水化及强度形成机理
•
石灰加水，通过水化反应由生石灰转化为熟石灰， 这一过程称为石灰的消化。该过程用化学式可表示 为：
CaO +H2O Ca(OH) 2+△
•
由于过烧石灰在日后的凝结硬化滞后带来的消极影 响，消化后的石灰往往要“陈伏”一段时间，用于 消除过烧石灰造成的危害，陈伏时间通常大约为 15d左后.
•
2.2.3 粉煤灰活性及其激发
•
•
提高粉煤灰活性也就是提高粉煤灰参与化学反应能力的方法可 以是物理方法，也可以是化学方法。这些方法的核心： —— 一是充分发挥出粉煤灰已有的活性潜力，比如加大粉煤 灰的细度，通过磨细过程，粉碎粗大多孔的玻璃体，解除玻璃 体颗粒的粘连，使粉煤灰颗粒表面可溶物数量增加，提高参与 反应能力； —— 二是通过化学方法，改变粉煤灰玻璃体结构，使阻碍粉 煤灰活性的高聚合度发生解聚，降至成为聚合度较低的低聚合 度玻璃体结构，因而从根本上改变粉煤灰原有性能； 激发粉煤灰活性最简单的化学方法是与石灰拌合使用，但石灰 效果有限。更加有效的手段是采用化学外加剂，常用外加剂碳 酸钠、无水硫酸钠.
《道路建筑材料》
第二章 无机结合料
主讲人：申爱琴 张超 长安大学 公路学院
http://202.117.64.98/ec/C24/index.asp
主要内容
2.1 2.2 2.3
石灰
粉煤灰
水泥
主要内容
水泥、石灰：
原材料丰富、成本低（就地取材） 耐久性好 粘结其他材料的能力强
无机结合料：气硬性
水硬性
0 无外掺剂组 1 % 碳酸钠组 2 % 硫酸钠组
28d龄期改性效果对比
2.2.4 粉煤灰在公路工程中的应用
• 用于水泥混凝土配合比设计，作为混凝土组成材料之 一。通常大流动性或大体积混凝土、高性能路面混凝 土等都必须通过掺入一定量粉煤灰来实现； • 采用石灰、水泥或综合方式对粉煤灰进行稳定加固， 作为路面基层或底基层材料使用。道路基层或底基层 中应用粉煤灰是提高道路性能和减轻粉煤灰环境负担 的一个非常有效的技术方法。通常粉煤灰以石灰粉煤 灰土或石灰粉煤灰碎石形式作为路面基层材料，其中 粉煤灰最大掺量可达整个基层材料的50~60%； • 用于填筑路堤，大大降低道路结构自重，提高路基稳 定性.
课堂讨论
•
•
•
石灰久臵会带来什么问题？ 除了气硬性和水硬性的差异之外，石灰和水 泥相比在胶凝过程中还有何本质上的区别？ 粉煤灰是否属于所谓（无机）胶凝材料？
第三节 水泥
2.3.1 水泥定义及分类
2.3.2 硅酸盐水泥矿物组成及化学成分 2.3.3 硅酸盐水泥的水化及凝结硬化 2.3.4 硅酸盐水泥的技术性质与技术标准 2.3.5 硅酸盐水泥的腐蚀与防止 2.3.6其他水泥
2.2.1 粉煤灰组成及分类
• 依据不同角度，如粉煤灰的主要性质、其中的氧 化物含量及不同氧化物之间比例等，可将粉煤灰 划分为不同类型； • 以烧失量和细度为指标，是目前我国划分不同类 型粉煤灰的主要依据.
类型 I级灰 II级灰 细度（%） （45μ m方孔筛） ＜12 ＜20 烧失量（%） ＜5 ＜8
湿排灰
2.2.1 粉煤灰组成及分类
•
• •
粉煤灰化学组成 除未燃尽的碳之外，其主要成分是SiO2、Al2O3，以及一定量的 Fe203，以及少量CaO、MgO 和SO3 等，其中SiO2、Al2O3和Fe203 总量通常超过80%； 粉煤灰矿物组成 70%以上属玻璃体，是粉煤灰活性物质的主要来源。 粉煤灰的形态 粉煤灰颗粒存在一些空心球体，是粉煤灰中一些性能比较活跃的部分 。粉煤灰粒径通常约为1～100μm，通常在20μm以下，具有极高的 比表面积，约为300～500m2/kg.
2.2.2 粉煤灰技术性质及要求
技术要求——不同应用领域采用不同标准
•
•
用于水泥混凝土粉煤灰，根据各指标的高低不同，将粉煤灰 分成三个等级，I级灰的质量最好。主要技术标准包括： 0.045mm筛余量、需水量比、烧失量、含水率、SO3和游 离CaO含量，以及安定性等； 粉煤灰用于道路基层，技术要求包括：SiO2、Al2O3和 Fe2O3含量不低于70%、烧失量不大于20%、比表面积大于 2500cm2/g.
2.1.3 石灰的技术性质及其标准
石灰有效钙镁含量检测方法采用的是酸碱滴定法，也就是 利用已知浓度的盐酸（HCl）与一定数量的石灰进行反应，根 据反应过程中所消耗的盐酸量(ml) ，通过计算得出石灰中有 效钙镁含量； 含量检测原理

酸碱中和反应
石灰水溶液 反应后溶液
酚酞指示剂

结果计算
石灰有效含量（CaO）% =
•
CaCO3
石灰石
CaO+CO2
贝壳
•
烧制过程中，由于石灰窑炉温偏差或波动，造成窑内温度过 高过温度偏低，温度过高时烧成过烧石灰，而偏低则烧成欠 白云石 火石灰.
2.1.1 石灰产品
•
石灰产品种类有： ——块状生石灰 ——生石灰粉 ——熟石灰粉
生石灰块 生石灰粉 消石灰粉
•
由于石灰仅能够在空气中在水的参与下凝结 硬化，而不能在水中硬化，所以称石灰为气 硬性胶凝材料.
石灰的消解
2.1.2 石灰的水化及强度形成机理
石灰的硬化
•
——石灰的干燥结晶硬化：随着石灰中水分的蒸发损失，石 灰逐渐形成结晶体，晶体状石灰的水溶性明显降低，形成晶 体硬化。
Ca(OH)2 +nH2O Ca(OH)· nH2O
• ——石灰的碳酸化：石灰在水的参与下，与空气中的CO2作 用，形成碳酸钙。新的产物具有显著的水不溶性，起着胶凝 和硬化的作用。
2.2.3 粉煤灰活性及其激发
•
•
•
活性定义： 粉煤灰活性是指在碱性条件下，粉煤灰可以与水发生化学反应，生成 水硬性胶凝物质的性质； 影响粉煤灰的活性因素 影响粉煤灰活性因素众多，外因有粉煤灰排放时的热历史、粉煤灰存 放条件等；内因有粉煤灰中有效氧化物含量，更重要的是粉煤灰中玻 璃体结构特点。通常粉煤灰玻璃体大多以一种稳定的多聚体结构存在 ，其活性程度不高，需要在一定条件下才能得以释放，显示其活性效 果. 活性评价方法 目前还没有一种能够全面评价粉煤灰活性方法，大多是从一个侧面说 明其活性。其中包括：石灰吸收法、水泥强度比较法等.
2.2.3 粉煤灰活性及其激发
•
粉煤灰活性反应
粉煤灰活性是指在碱性条件下，粉煤灰可以发生一系列化学反应，包 括离子交换反应、碳酸化反应以及火山灰反应等。其中作用效果最显 著的是粉煤灰中氧化硅和氧化铝与石灰的火山灰反应，其化学反应式 可表示为：
SiO2 + xCa(OH)2 + (n-x)H2O = xCaO〃SiO2〃nH2O
Al2O3 + xCa(OH)2 + (n-x)H2O = xCaO〃Al2O3〃nH2O
生成的产物是水硬性胶凝物质，相应显微图如下：
2.2.3 粉煤灰活性及其激发
影响粉煤灰的活性因素 影响粉煤灰活性因素众多，外因有粉煤灰排放时 的热历史、粉煤灰存放条件等；内因有粉煤灰中 有效氧化物含量，更重要的是粉煤灰中玻璃体结 构特点； • 活性评价方法 目前还没有一种权威性被广泛认可的评价粉煤灰 活性方法，大多是从一个侧面说明其活性。其中 包括：石灰吸收法、水泥强度比较法、指标综合 法等.
2.2.3 粉煤灰活性及其激发
下图为利用碱性外加剂碳酸钠、无水硫酸钠.激 发粉煤灰活性的例子。
8
抗压强度（MPa）
4 3 2 1 0
抗压强度（MPa）
灞桥粉煤灰 开封粉煤灰 新乡粉煤灰
灞桥粉煤灰
7 6 5 4 3 2
开封粉煤灰 新乡粉煤灰
无外掺剂组 1%碳酸钠组 2%硫酸钠组
1
7d龄期改性效果对比
27
2.3.1 水泥定义及分类
水泥是重要的建筑材料之一，发展历史悠久
1824年，英国人Aspdin发明了波特兰水泥，并获得专利 权，在水泥发展史上具有里程碑意义 自此胶凝材料进入了一个崭新的发展时代
广泛用于公路工程及其构造物
主要用于砂、石材料的胶结或混凝土的生产
现代交通对水泥提出了更高的要求