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水硬性膠凝材料

發布日期:2018-03-02 瀏覽次數:1345

水硬性膠凝材料    8個課時

【課    題】任務一  硅酸鹽水泥

【教學目標】1、掌握水泥的定義代號,礦物成分及性能

2、了解水泥發展史,制備工藝

【教學重點】水泥的定義代號,礦物成分及性能

【教學難點】礦物成分的性能

【教學方法】講授

【時間分配】兩課時

1、復習導入:5分鐘

2、講 新 課:85分鐘

3、小    結:10分鐘

【作業布置】

【審    批】

【后    記】

【教學過程】

新課導入:

水泥,指加水拌和成塑性漿后,能膠結砂、石等適當材料并能在空氣和水中硬化的粉狀水硬性膠凝材料。 土木建筑工程通常采用的水泥主要有:硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥等品種。

任務一  硅酸鹽水泥

4.1.1硅酸鹽水泥生產簡述

凡由硅酸鹽水泥熟料、0~5%石灰石或粒化高爐礦渣、適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料,稱為硅酸鹽水泥。

硅酸鹽水泥在國際上分為兩種類型:不摻混合材的稱I型硅酸鹽水泥,其代號為P. I;在硅酸鹽水泥熟料粉磨時摻入不超過水泥質量5%的石灰石或粒化高爐礦渣混合材料的稱II型硅酸鹽水泥,其代號為P.II。

硅酸鹽水泥的生產按比例燒石膏磨原料生料熟料水泥“二磨一燒”磨 混1450℃混合化學成分與礦物成分水泥性能取熟料取礦物成分及含量比例決決

生產硅酸鹽水泥的原料,主要是石灰質和粘土質兩類原料。為了補充鐵質及改善煅燒條件,還可加入適量鐵粉、螢石等。

生產水泥的基本工序可以概括為:“兩磨一燒”:先將原材料破碎并按其化學成分配料后,在球磨機中研磨為生料。然后入窯鍛燒至部分熔融,所得以硅酸鈣為主要成分的水泥熟料,配以適量的石膏及混合材料在球磨機中研磨至一定細度,即得到硅酸鹽水泥。

硅酸鹽水泥熟料的礦物組成及特性


水化速度:C3A>C4AF>C3S>BC2S

C3S在28天內可水化75%,并區別年強度的70—80%,一般說C3S含量高水泥質量好。

C3S在后期強度高,甚至幾十年后仍繼續水化。

C3S早期強度發展迅速,但絕對值不高,以后幾乎不在增長,甚至有倒縮,干縮大,抗硫酸鹽腐蝕差,C4AF水化速度介于C3A與C3S之間,早期強度類似C3A,后期強度類似C2S,抗沖擊性及抗硫酸鹽腐蝕性好。

石膏適量      過少:起不到緩凝作用

過多:水泥石腐蝕→提示與后面的聯

硅酸鹽水泥熟料的主要礦物組成為:

(l)硅酸三鈣C3S

硅酸三鈣的化學成分為

3CaO·SiO2,其簡寫為C3S。它是硅酸鹽水泥熟料中最主要的礦物成分,約占水泥熟料總量的36%~60%。硅酸三鈣遇水后能夠很快與水產生水化反應,并產生較多的水化熱。它對促進水泥的凝結硬化,特別是對水泥3~7天內的早期強度以及后期強度都起主要作用。

(2)硅酸二鈣

硅酸二鈣的化學成分為

2CaO·SiO2,其簡寫為C2S,約占水泥熟料總量的15%~37%。硅酸二鈣遇水后反應較慢,水化熱也較低。它不影響水泥的凝結,對水泥的后期強度起主要作用。

(3)鋁酸三鈣

鋁酸三鈣的化學成分是3CaO·Al2O3,其簡寫為C3A,約占水泥熟料總量的7~

15%。鋁酸三鈣遇水后反應極快,產生的熱量大而且很集中。鋁酸三鈣對水泥的凝結起主導作用,但其水化產物強度較低,主要對水泥的早期強度有所貢獻。

(4)鐵鋁酸四鈣

鐵鋁酸四鈣的化學成分為:

4CaO·Al2O3·Fe2O3,其簡寫為C4AF,約占水泥熟料總量的10%~18%。鐵鋁酸四鈣遇水時水化反應也很快,水化熱較低,水化產物的強度不高,對水泥石的抗壓強度貢獻不大,主要對抗折強度貢獻較大。

(4)鐵鋁酸四鈣

鐵鋁酸四鈣的化學成分為:

4CaO·Al2O3·Fe2O3,其簡寫為C4AF,約占水泥熟料總量的10%~18%。鐵鋁酸四鈣遇水時水化反應也很快,水化熱較低,水化產物的強度不高,對水泥石的抗壓強度貢獻不大,主要對抗折強度貢獻較大。

3.硅酸鹽水泥的水化

硅酸鹽水泥遇水后,水泥中的各種礦物成分會很快發生水化反應,生成各種水化物。

硅酸三鈣       水      水化硅酸鈣      氫氧化鈣

硅酸二鈣      水      水化硅酸鈣          氫氧化鈣

鋁酸三鈣        水      水化鋁酸三鈣

鐵鋁酸四鈣     水    水化鋁酸三鈣      水化鐵酸鈣

水泥中的石膏也很快與水化鋁酸鈣反應生成難溶的水化硫鋁酸鈣針狀結晶體,也稱為鈣礬石晶體:

水化硫鋁酸鈣(鈣礬石)

經過上述水化反應后,水泥漿中不斷增加的水化產物主要有:水化硅酸鈣(50%)、氫氧化鈣(25%)、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣及水化硫鋁酸鈣等新生礦物。

4.1.2 硅酸鹽水泥的凝結硬化

水泥加水拌合后的劇烈水化反應,一方面使水泥漿中起潤滑作用的自由水分逐漸減少;另一方面,水化產物在溶液中很快達飽和或過飽和狀態而不斷析出,水泥顆粒表面的新生物厚度逐漸增大,使水泥漿中固體顆粒間的間距逐漸減小,越來越多的顆粒相互連接形成了骨架結構。此時,水泥漿便開始慢慢失去可塑性,表現為水泥的初凝。

由于鋁酸三鈣水化極快,會使水泥很快凝結,為使工程使用時有足夠的操作時間,水泥中加入了適量的石膏。水泥加入石膏后,一旦鋁酸三鈣開始水化,石膏會與水化鋁酸三鈣反應生成針狀的鈣礬石。鈣礬石很難溶解于水,可以形成一層保護膜覆蓋在水泥顆粒的表面,從而阻礙了鋁酸三鈣的水化,阻止了水泥顆粒表面水化產物的向外擴散,降低了水泥的水化速度,使水泥的初凝時間得以延緩。

當摻入水泥的石膏消耗殆盡時,水泥顆粒表面的鈣礬石覆蓋層一旦被水泥水化物的積聚物所脹破,鋁酸三鈣等礦物的再次快速水化得以繼續進行,水泥顆粒間逐漸相互靠近,直至連接形成骨架。水泥漿的塑性逐漸消失,直到終凝。

隨著水化產物的不斷增加,水泥顆粒之間的毛細孔不斷被填實,加之水化產物中的氫氧化鈣晶體、水化鋁酸鈣晶體不斷貫穿于水化硅酸鈣等凝膠體之中,逐漸形成了具有一定強度的水泥石,從而進入了硬化階段。水化產物的進一步增加,水分的不斷喪失,使水泥石的強度不斷發展。

隨著水泥水化的不斷進行,水泥漿結構內部孔隙不斷被新生水化物填充和加固的過程,稱為水泥的“凝結”。隨后產生明顯的強度并逐漸變成堅硬的人造石——水泥石,這一過程稱為水泥的“硬化”。

實際上,水泥的水化過程很慢,較粗水泥顆粒的內部很難完全水化。因此,硬化后的水泥石是由晶體、膠體、未完全水化顆粒、游離水及氣孔等組成的不均質體。

影響水泥凝結硬化的主要因素

(1)礦物組成

不同礦物成分和水起反應時所表現出來的特點是不同的,如C3A水化速率最快,放熱量最大而強度不高;C2S水化速率最慢,放熱量最少,早期強度低,后期強度增長迅速等。因此,改變水泥的礦物組成,其凝結硬化情況將產生明顯變化。水泥的礦物組成是影響水泥凝結硬化的最重要的因素.

(2)水泥漿的水灰比

水泥漿的水灰比是指水泥漿中水與水泥的質量之比。當水泥漿中加水較多時,水灰比較大,此時水泥的初期水化反應得以充分進行;但是水泥顆粒間原來被水隔開的距離較遠,顆粒間相互連接形成骨架結構所需的凝結時間長,所以水泥漿凝結較慢。

水泥漿的水灰比較大時,多余的水分蒸發后形成的孔隙較多, 造成水泥石的強度較低,因此水泥漿的水灰比過大時,會明顯降低水泥石的強度。

(3)石膏摻量

石膏起緩凝作用的機理可解釋為:水泥水化時,石膏能很快與鋁酸三鈣作用生成水化硫鋁酸鈣(鈣礬石),鈣礬石很難溶解于水,它沉淀在水泥顆粒表面上形成保護膜,從而阻礙了鋁酸三鈣的水化反應,控制了水泥的水化反應速度,延緩了凝結時間。

(4)水泥的細度

在礦物組成相同的條件下,水泥磨得愈細,水泥顆粒平均粒徑小,比表面積大,水化時與水的接觸面大,水化速度快,相應地水泥凝結硬化速度就快,早期強度就高。

(5)環境溫度和濕度

在適當溫度條件下,水泥的水化、凝結和硬化速度較快。反應產物增長較快,凝結硬化加速,水化熱較多。相反,溫度降低,則水化反應減慢,強度增長變緩。但高溫養護往往導致水泥后期強度增長緩慢,甚至下降。

水的存在是水泥水化反應的必要條件。當環境濕度十分干燥時,水泥中的水分將很快蒸發,以致水泥不能充分水化,硬化也將停止;反之,水泥的水化將得以充分進行,強度正常增長。

(6)齡期(時間)

水泥的凝結硬化是隨時間延長而漸進的過程,只要溫度、濕度適宜,水泥強度的增長可持續若干年。

小結:本節主要講述水泥的生產、凝結硬化原理、主要技術性質、特點以及應用。應了解生產水泥所需原料、生產過程、水泥的凝結硬化過程及機理專用水泥和特種水泥的特點及應用。熟悉水泥熟料的礦物成分及特性,礦物組成及每種礦物單獨在硅酸鹽水泥中所起的作用。

【課    題】任務二  水泥的技術性質

【教學目標】1.了解水泥技術性質要求的內容。

2.掌握細度,凝結時間,體積安定性,強度四大技術性質含義

3.了解水泥石腐蝕的外因、內因及防止措施。

4.熟練掌握水泥的性能及應用。

5.掌握摻混合材料的水泥與P·Ⅰ、P·Ⅱ的差異。

【教學重點】(1)細度,凝結時間,體積安定性,強度

(2)水泥的性能及應用,摻混合材料的水泥與P·Ⅰ、P·Ⅱ差異。

【教學難點】細度,凝結時間,體積安定性,強度

【教學方法】講授

【時間分配】共兩課時

1、復習導入:5分鐘

2、講 新 課:85分鐘

3、小    結:10分鐘

【作業布置】

【審    批】

【后    記】

【教學過程】

任務二  水泥的技術性質

新課導入:上次課主要講了硅酸鹽水泥定義代號,礦物組成成分及性能。

4.2.1硅酸鹽水泥的技術要求

1、細度:粗細程度:適中→不得大于某粒經←限制粗

過粗→廠家能量消耗小,使用受影響→可能性大

細:表面積↑與水接觸的面積↑水化充分,徹底,速度↑凝結硬化↑強度發展速度↑早期強度↑。

水泥顆粒的粗細程度對水泥的使用有重要影響。水泥顆粒粒徑一般在7~200 μm范圍內。

國家標準GB175-1999規定,水泥的細度可用比表面積或0.08

mm方孔篩的篩余量(未通過部分占試樣總量的百分率)來表示。其篩余量不得超過規定的限值。比表面積是指單位質量的水泥粉末所具有的表面積的總和(cm2/g

或 m2/kg)。一般常為317~350m2/kg。

2、標準稠度用水量:稠度是水泥漿達到一定流動度時的需水量。

國家標準規定檢驗水泥的凝結時間和體積安定性時需用“標準稠度”

水泥凈漿。“標準稠度”是人為規定的稠度,其用水量采用水泥標準稠度測定儀測定。硅酸鹽水泥的標準稠度用水量一般在21%~28%之間。

3、凝結時間:水泥從加水開始到失去其流動性,即從液體狀態發展到較致密的固體狀態的過程稱為水泥的凝結過程。這個過程所需要的時間稱為凝結時間。

初凝:保證必要工序完成所需的時間。時間足夠→不能

凝結時間 過短:過短→工序完不成→無法施工→廢

終凝:決定拆模時間,盡可能短→不能過長,過長→折模延長→工期拖延→索賠

凝結時間分初凝時間和終凝時間。初凝時間為水泥加水拌和至標準稠度的凈漿完全失去可塑性所需的時間。終凝時間為水泥加水拌和至標準稠度的凈漿完全失去可塑性并開始產生強度所需的時間。

國家標準規定,水泥的凝結時間是以標準稠度的水泥凈漿,在規定溫度及濕度環境下用水泥凈漿凝結時間測定儀測定。硅酸鹽水泥的初凝時間不得早

4、體積安定性:硬化過程中體積變化的穩定性,即水泥硬化漿體能保持一定形狀,不開裂,不變形,不潰散的性質。

除膨脹水泥外, 一般水泥體積均有收縮,但這些膨脹與收縮在硬化之前完成。安定性不良的水泥應作廢品處理,不得應用于工程中,否則將導致嚴重后果。

導致水泥安定性不良的主要原因:

一般是由于熟料中的游離氧化鈣、游離氧化鎂或摻入石膏過多等原因造成的,其中游離氧化鈣是一種最為常見,影響也是最嚴重的因素。熟料中所含游離氧化鈣或氧化鎂都是過燒的,結構致密,水化很慢。加之被熟料中其它成分所包裹,使得其在水泥已經硬化后才進行熟化,生成六方板狀的

Ca(OH)2晶體,這時體積膨脹97%以上,從而導致不均勻體積膨脹,使水泥石開裂。

當石膏摻量過多時,在水泥硬化后,殘余石膏與水化鋁酸鈣繼續反應生成鈣礬石,體積增大約1.5倍,從而導致水泥石開裂。

國家標準規定.水泥的體積安定性用雷氏法或試餅沸煮法檢驗。

5、強度

標準試件:40×40×160(ISO標準砂,水,水泥)→膠砂

標準條件養護:溫度20±2℃,濕度>95%

齡期:3天,28天

測fc,fcm :三折六壓

以28天的fc定等級   抗折

抗壓   異常值,波動不能過大

強度是評價硅酸鹽水泥質量的又一個重要指標。水泥的強度是按照GB/T17961-1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO)法》的標準方法制作的水泥膠砂試件,在20±1°C溫度的水中,養護到規定齡期時檢測的強度值。其中標準試件尺寸為4cm×4cm×16cm,膠砂中水泥與標準砂之比為

1:3

(W/C=0.5),標準試驗齡期分別為3d和28d.分別檢驗其抗壓強度和抗折強度。按照測定結果,將硅酸鹽水泥分為42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六個強度等級。各等級硅酸鹽水泥在不同齡期的強度要求見表5-3。

6、 堿含量

水泥中含有較多的強堿物Na2O或 K2O時,容易發生不良反應對結構造成危害。因而國家標準規定,水泥中的含堿量不得大于0.6%。

7、水化熱:指水泥和水之間發生化學反應放出的熱量(J/Kg)。

有利方面:冬季施工

不利方面:大體積

4.2.2水泥石的腐蝕及防止

1、腐蝕

軟水腐蝕:Ca(OH)2

硫酸鹽腐蝕:Ca(OH)2  C3AH6        內因 ①Ca(OH)2,C3AH6

鎂鹽腐蝕:Ca(OH)2                      ②不密實

碳酸:Ca(OH)2                     外因:介質

一般酸:Ca(OH)2

強堿:C3A

水泥石腐蝕的方式

(1)軟水侵蝕

水泥石長期接觸軟水時,會使水泥石中的氫氧化鈣不斷被溶出,當水泥石中游離的氫氧化鈣減少到一定程度時,水泥石中的其它含鈣礦物也可能分解和溶出,從而導致水泥石結構的強度降低,甚至破壞。當水泥石處于軟水環境時,特別是處于流動的軟水環境中時,水泥被軟水侵蝕的速度更快。

(2)一般酸的腐蝕

工程結構處于各種酸性介質中時,酸性介質易與水泥石中的氫氧化鈣反應,其反應產物可能溶于水中而流失,或發生體積膨脹造成結構物的局部被脹裂,破壞了水泥石的結構。其基本化學反應式為:

(3)碳酸的腐蝕

雨水及地下水中常溶有較多的二氧化碳,形成了碳酸。碳酸水先與水泥石中的氫氧化鈣反應,中和后使水泥石碳化,形成了碳酸鈣,碳酸鈣再與碳酸反應生成可溶性的碳酸氫鈣,并隨水流失,從而破壞了水泥石的結構。其腐蝕反應過程為:

(4)硫酸鹽的腐蝕

當環境中含有硫酸鹽的水滲入到水泥石結構中時,會與水泥石中的氫氧化鈣反應生成石膏,石膏再與水泥石中的水化鋁酸鈣反應生成鈣礬石,產生1.5倍的體積膨脹,這種膨脹必然導致脆性水泥石結構的開裂,甚至崩潰。由于鈣礬石為微觀針狀晶體,人們常稱其為水泥桿菌。

此外,有些其它物質也能腐蝕水泥石,如鎂鹽、強堿、糖類、脂肪等。

防止水泥石腐蝕的方法

(1)根據工程的環境特點,合理選擇水泥品種,或適當摻加混合材料,減少可腐蝕物質的濃度,防止或延緩水泥的腐蝕。如處于軟水環境的工程,常選用摻混合材料的礦渣水泥、火山灰水泥或粉煤灰水泥,因為這些水泥的水泥石中氫氧化鈣含量低,對軟水侵蝕的抵抗能力強。

(2)提高混凝土的密實度,采取措施減少水泥石結構的孔隙率,特別是提高表面的密實度,阻塞腐蝕介質滲入水泥石的通道。

(3)在水泥石結構的表面設置保護層,隔絕腐蝕介質與水泥石的聯系。如采用涂料、貼面等致密的耐腐蝕層覆蓋水泥石,能夠有效地保護水泥石不被腐蝕。

4.2.3水泥混合材料

活性:(粒化高爐礦渣、火山灰質混合材料、粉煤灰)

潛在水硬性:外加劑下Ca(OH)2,石膏,自身溶出的化學成分,生成具有水硬性的化合物;

火山灰活性:(CaOH)2和水作用下,活性成分與之反應,生成具有水硬性化合物的性能

非活性:(磨細石英砂、石灰石粉、高爐礦渣與高硅質爐渣)

填充、增加產量、降低水化熱

1、粒化高爐礦渣:CaO、SiO2、Al2O3,總量一般在90%以上。

CaO與SiO2、Al2O3結合→水硬性的硅酸鈣和鋁酸鈣。熟料水化產物Ca(OH)2是礦渣的堿性激發劑,解離了玻璃體的結構,使玻璃體中的Ca+、Al

O45-、AL3+、SiO44-離子進入溶液,生成新的水化物即水化硅酸鹽、鋁酸鈣,石膏存在時,還生成水化硫鋁酸鈣等。

2、火山灰:SiO2、Al2O3

SiO2、Al2O3與石灰或水泥中析出的(CaOH)2反應→水硬性的水化產物。

3、粉煤灰:SiO2、Al2O3、Fe2O3總量70%以上。

SiO2、Al2O3 與Ca(OH)2反應→水化硅酸鹽、鋁酸鈣

4.2.4 摻混合材料的硅酸鹽水泥(通用水泥)

1、普通硅酸鹽水泥

(1)定義及代號

簡稱普通水泥,代號為P·O。

(2)熟料的礦物成分及特性

同P·Ⅰ,P·Ⅱ

(3)技術性質

不同:   細度:0.08mm<10%  含義:由學生分析

終凝時間:≤10h

強度:等級范圍、同等級下早期強度不同。

2.礦渣硅酸鹽水泥

3.火山灰硅酸鹽水泥

4.粉煤灰硅酸鹽水泥

5.復合硅酸鹽水泥

任務三   其它品種水泥

4.3.1鋁酸鹽水泥

4.3.2快硬型水泥

4.3.3膨脹型水泥

4.3.4白色及彩色硅酸鹽水泥

4.3.4道路水泥

4.3.6中、低熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣硅酸鹽水泥

5.3.7砌筑水泥

任務四  水泥的應用、驗收及儲運

硅酸鹽水泥的儲存和應用

水泥的性能應用:

凝結硬化快→快硬,早期強度高→現澆,抗凍性好→宜用冬季施工。

水化熱大→大體積不宜

(1)凝結硬化快,早期及后期強度均高。適用于有早強要求的工程,(如冬季施工、預制、現澆等工程),高強度混凝土工程(如預應力鋼筋混凝土,大壩溢流面部位混凝土)。

(2)抗凍性好。適合水工混凝土和抗凍性要求高的工程。

(3)耐腐蝕性差。因水化后氫氧化鈣和水化鋁酸鈣的含量較多。

(4)水化熱高。不宜用于大體積混凝土工程。但有利于低溫季節蓄熱法施工。

(5)抗碳化性好。因水化后氫氧化鈣含量較多,故水泥石的堿度不易降低,對鋼筋的保護作用強。適用于空氣中二氧化碳濃度高的環境。

(6)耐熱性差。因水化后氫氧化鈣含量高。不適用于承受高溫作用的混凝土工程。

(7)耐磨性好。適用于高速公路、道路和地面工程。

小結:

本節主要講解了硅酸鹽水泥及摻混合材料的硅酸鹽水泥的主要技術性質、特性及應用,水泥石的腐蝕與防止。采用對比分析的方法掌握它們之間的共性及它們各自的個性。



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