無機膠凝材料學習課件

1、第二章無機膠凝材料 2.1 無機膠凝材料概述1 膠凝材料定義 膠凝材料是指在一定條件下，經(jīng)過自身的一系列物理、化學作用后，能將散粒或塊狀材料黏結成為具有一定強度的整體的材料。2 膠凝材料分類 有機膠凝材料以天然或人工合成高分子化合物為基本組成，包括瀝青、樹脂、橡膠等。無機膠凝材料當其與水或水溶液拌合后所形成的漿體，經(jīng)過一系列的物理、化學作用后能夠逐漸硬化并形成具有一定強度的人造石，例如水泥、石灰、石膏、鎂質膠凝材料等。無機膠凝材料又可分為氣硬性膠凝材料和水硬性膠凝材料。氣硬性無機膠凝材料只能在空氣中凝結硬化，并保持和發(fā)展強度的膠凝材料，例如石灰、石膏、鎂質膠凝材料等。水硬性無機膠凝材料既能在空

2、氣中硬化，又能更好的在水中硬化，保持并繼續(xù)發(fā)展其強度，如水泥。3 無機膠凝材料應用 無機膠凝材料主要應用于工業(yè)與民用建筑、水工建筑和城市建設，軌枕、電桿、坑木、壓力管、水泥船以及海洋開發(fā)的各種構造物、國防工程等。 4 無機膠凝材料特點原料豐富，能就地取材，生產成本低；耐久性好，適應性強，可用于水中、海洋及炎熱、寒冷的環(huán)境；耐火性好；維修工作量小，折舊費用低；作為基材組合或復合其他材料的能力強；有利于有效地利用工業(yè)廢渣。2.2 水泥膠凝材料指在物理、化學作用下能從漿體變成堅固的石狀體，并能膠結其它物料而具有一定機械強度的物質，又稱膠結料。 1824年，英國人J.Aspdin將石灰石與黏土混合制成

3、料漿，在石灰窯中經(jīng)高溫煅燒后粉磨成膠凝材料，稱為波特蘭水泥，并獲得了發(fā)明專利。此后，以水泥為膠結料的混凝土材料得到了廣泛發(fā)展。 膠凝材料的發(fā)展是經(jīng)歷了：天然膠凝材料(如黏土)石灰、石膏石灰、火山灰水硬性石灰、天然水泥硅酸鹽水泥不同品種水泥的各個階段。 表2-1 膠凝材料的發(fā)展簡史表2.2.3 水泥的定義和分類 （1）定義凡能在物理、化學作用下，從具有可塑性的漿體逐漸變成堅固石狀體的過程中，能將其他物料膠結為整體并具有一定力學強度的物質，統(tǒng)稱為膠凝材料，又稱膠結料。（2）分類 通用水泥一般土木建筑工程中使用的水泥。 專用水泥具有專門用途的水泥。 特性水泥具有某種特殊性能的水泥。 2.2.4 國外

4、性能各異的特種水泥 （1）彈力水泥（2）變色水泥 （3）木質水泥（4）夜光水泥（5）貯熱水泥（6）自愈水泥（7）自找平水泥2.3 水泥在國民經(jīng)濟中的作用 目前四大基礎工程材料：水泥、鋼材、木材、塑料。現(xiàn)雖有許多新的膠凝材料出現(xiàn)，尚無任何一種材料可以取代水泥作為基礎工程材料的地位 圖2-1 水泥材料在國民經(jīng)濟中的作用2.4 水泥工業(yè)的發(fā)展概況1 水泥的生產過程 水泥的生產過程可以簡稱為“兩磨一燒”，即原料（生料磨）生料（窯燒成）熟料（水泥磨）水泥。2 水泥的生產方法分類 按生料制備方法分：濕法半濕法(濕磨干燒)亦歸為濕法和干法半干法(料球)亦歸為干法。按煅燒熟料窯的結構分：立窯生產（普通立窯、機

5、械化立窯），回轉窯生產（干法回轉窯：普通干法和新型干法、濕法回轉窯、半干法回轉窯）。3 水泥工業(yè)主要評價指標 窯型及生產方法的先進性。 規(guī)模（產量）：總、企業(yè)、臺、人均。 質量（強度）：熟料、水泥。 熟料熱耗（KJ/kg熟料、Kcal/kg熟料）。 熟料電耗、料耗、綜合電耗等。4 我國水泥工業(yè)的近年發(fā)展狀況（1）產量持續(xù)增長；（2）布局趨于合理 ；（3）結構調整加快 ；（4）規(guī)模生產擴大 （5）裝備水平提高；（6）效益同步增長 2.5 硅酸鹽水泥通用硅酸鹽水泥是以硅酸鹽水泥熟料、適量石膏和混合材料制成的水硬性膠凝材料。包括硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸

6、鹽水泥和復合硅酸鹽水泥。硅酸鹽水泥分為I型硅酸鹽水泥（代號PI，不摻加混合材料）和II型硅酸鹽水泥（代號PII，可摻加不超過水泥質量5% 石灰石或?；郀t礦渣）。 圖2.2 水泥生產能耗圖 圖2-3 硅酸鹽水泥的生產工藝流程圖生產硅酸鹽水泥的主要原料有：石灰質原料、黏土質原料、氧化鐵、校正原料等。石灰質原料主要提供CaO成分，常用的石灰質原料有石灰石、白堊、貝殼等；黏土質原料主要提供氧化硅(SiO2)、氧化鋁（Al2O3）及氧化鐵(Fe2O3)，常用的黏土質原料有黏土、黃土、頁巖等。校正原料的作用主要是當配料中的某種氧化物的量不足時，可加入相應的校正原料，主要有硅質校正原料、鋁質校正原料和鐵質

7、校正原料，如原料中Fe2O3含量不足時可加入鐵質校正原料硫鐵礦渣等。 （1）硅酸鹽水泥熟料礦物組成生料800左右分解反應產生CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3 ，8001450化合反應生成3CaOSiO2、2CaOSiO2、3CaOAl2O3、4CaOAl2O3Fe2O3等主要礦物 （2）硅酸鹽水泥的水化與凝結硬化水泥水具有流動性、可塑性漿體失去可塑性后即凝結，隨后水泥漿體開始產生強度，形成堅硬的水泥石硬化。 表2-6 硅酸鹽水泥熟料的礦物組成注：雜質中有游離氧化鈣、游離氧化鎂及三氧化硫等。表2-7 硅酸鹽水泥的主要水化產物（3）各種熟料礦物單獨與水作用的性質水泥加水后，水化反應進行，隨

8、著水化產物的增多，凝膠和晶體析出，水分不斷減少，漿體變稠并凝結。隨著凝膠和晶體的增多，水分的減少，晶體相互連接形成晶體網(wǎng)。凝膠體填充晶體網(wǎng)，水泥石的強度提高，形成堅實的水泥石稱為硬化。 表2-8 硅酸鹽水泥的凝結硬化特點（4）硅酸鹽水泥凝結硬化的特點：硅酸鹽水泥凝結硬化的特點是：放熱反應，凝結硬化速度37d內較快，大致28 d完成基本部分，完成全過程需幾年，甚至幾十年時間。凝結硬化過程中主要發(fā)生以下反應：2(3CaOSiO2)+6H2O3CaO2SiO23H2O+3Ca(OH)22(2CaOSiO2)+4H2O3CaO2SiO23H2O+Ca(OH)23 CaOAl2O3+6H2O3CaOAl

9、2O36H2O4CaOAl2O3Fe2O3+7H2O3CaOAl2O36H2O+ CaOFe2O3H2O 3CaOAl2O36H2O+3(CaSO42H2O)+20H2O3CaOAl2O33CaSO432H2O （5）石膏的調凝作用為了調節(jié)（延緩）水泥凝結時間，石膏摻量要適量，過少起不到緩凝的作用，過多，會引起安定性不良。（6）影響水泥凝結、硬化的因素熟料礦物的組成、水泥的細度、石膏摻量水灰比（水的質量/水泥的質量）養(yǎng)護的溫、濕度、養(yǎng)護齡期等 不同的熟料礦物成分單獨與水作用時，水化反應的速度、強度的增長、水化放熱是不同的。因此改變水泥的礦物組成，其凝結硬化將產生明顯的變化。在同等條件下，水泥細

10、度愈細，與水接觸的表面積愈大，水化反應產物增長愈快，水化熱愈多，凝結硬化速度愈快。 適宜的石膏摻量主要取決于水泥中鋁酸三鈣和石膏中SO3的含量，同時與水泥細度及熟料中SO3的含量有關，石膏摻量一般為水泥質量的3%5%。 拌合水泥漿時，水與水泥的質量比稱為水灰比。拌合水越多，水泥石中的毛細孔就越多，而水泥石的強度隨其孔隙增加呈線性關系下降。在熟料礦物組成相近的情況下，水灰比的大小是影響水泥石強度的主要因素。 溫度對水泥的凝結硬化影響很大，溫度越高，水泥凝結硬化速度越快，水泥強度增長也越快。而當溫度低于0時，強度不僅不增長，而且還會因水的結冰而導致水泥石的破壞。水泥的凝結硬化實質上是水泥的水化過程

11、，在缺乏水的干燥環(huán)境中，水化反應不能正常進行，硬化也將停止；潮濕環(huán)境下的水泥石能夠保持足夠的水分進行水化和凝結硬化，從而強度不斷發(fā)展。在工程中，水泥混凝土在澆筑后的一段時間里應十分注意養(yǎng)護的溫、濕度。 水泥的凝結、硬化是隨齡期的增長而漸進的過程，在適宜的溫、濕度環(huán)境中，水泥的強度增長可持續(xù)若干年。在最初幾天內強度增長最為迅速，如水化7 d的強度可達到28 d強度的70%左右，28 d以后的強度增長明顯減緩。2.6 通用水泥通用硅酸鹽水泥（GB175-2007）規(guī)定，通用水泥包括：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、復合硅酸鹽水泥，其組分材料均為:熟

12、料、石膏、混合材料，區(qū)別在于混合材料的種類和數(shù)量不同.見書P20表2-9。 2.6 通用水泥2.6.1 混合材料的分類活性混合材料是指火山灰性或潛在水硬性的材料，主要包括?；郀t礦渣、火山灰質混合材料、粉煤灰。非活性混合材料是指不具有潛在水硬性，主要包括活性指標不符合要求的，如?；郀t礦渣、火山灰質混合材料、粉煤灰及砂巖、石灰石、塊狀的高爐礦渣等。2.6 通用水泥2.6.2 混合材料的作用 提高水泥產量，降低水泥生產成本，節(jié)約能源達到提高經(jīng)濟效益的目的； 有利于改善水泥的性能，如改善水泥安定性，提高混凝土的抗蝕能力，降低水泥水化熱等； 調節(jié)水泥標號，生產多品種水泥，以便合理使用水泥，滿足各項建

13、設工程的需要； 綜合利用工業(yè)廢渣，減少環(huán)境污染，實現(xiàn)水泥工業(yè)生態(tài)化。安定性是水泥硬化后體積變化的均勻性，體積的不均勻變化引起膨脹、裂縫或翹曲等現(xiàn)象。2.6 通用水泥2.6.3 ?；郀t礦渣凡在高爐冶煉生鐵時，所得以硅酸鈣與鋁硅酸鈣為主要成分的熔融物，經(jīng)淬冷成粒后，即為?；郀t礦渣 。1、分類根據(jù)礦渣中堿性氧化物(CaO+MgO)和酸性氧化物(SiO2+Al2O3)的比值M的大小，可將礦渣分為三類： M1的礦渣稱為堿性礦渣； M=1的礦渣稱為中性礦渣； M25%。天然白云石呈晶質和非晶質兩種。 蛇紋石(含水硅酸鎂，3MgO2SiO22H2O)。 冶煉鎂合金的熔渣(wMgO25%)。2.12 鎂質

14、膠凝材料圖2-9 晶質菱鎂礦石(a) 蛇紋石； (b)白云石2.12 鎂質膠凝材料2.12.1 原料 苛性白云石(主要成分MgO和CaCO3)。白云石是碳酸鎂與碳酸鈣的復鹽（CaCO3MgCO3），理論摩爾組成：nCaCO3 : nMgCO3=1:1；質量組成：wCaCO3 =54.2%，wMgCO3 =45.8%；石灰石：wMgCO3 =05%;鎂質石灰石： wMgCO3 =510%；白云質石灰石：wMgCO3 =1025%；白云石：wMgCO3 25%。天然白云石呈晶質和非晶質兩種。 蛇紋石(含水硅酸鎂，3MgO2SiO22H2O)。 冶煉鎂合金的熔渣(wMgO25%)。2.12.2 煅燒

15、 (煅燒溫度650760)2.12 鎂質膠凝材料2.12.3 鎂質膠凝材料的凝結硬化 MgO+H2O = Mg（OH）2MgCO3CaCO3 = MgCO3 + CaCO3MgCO3=MgO +CO2凝結硬化特點:速度慢、體積收縮大、而且強度很低；常用固化劑：氯化鎂溶液，硫酸鎂(MgSO47H2O)、氯化鐵(FeCl3)或硫酸亞鐵(FeSO4H2O)等鹽類的溶液。氯化鎂溶液：反應生成的氧氯化鎂結晶速度比氫氧化鎂快，因而加速了鎂質膠凝材料的凝結硬化速度，制品強度顯著提高。氯化鎂溶液（密度為1.2g/cm3）的摻量一般為菱苦土的55 %60 %。摻量太大，則凝結速度過快且收縮大、強度低；摻量過少，

16、則硬化太慢、強度也低。此外，溫度對凝結硬化很敏感，氯化鎂摻量可作適當調整。 2.12 鎂質膠凝材料2.12.4 鎂質膠凝材料的應用（1）菱苦土木屑地面以菱苦土、木屑、氯化鈣及其他混合材料（滑石粉、砂、石屑、粉煤灰、顏料等）等制作地坪，具有一定彈性，且防火、防爆、導熱性小、表面光潔、不起灰，主要用于室內車間地坪。（2）板材加入刨花、木絲、玻纖、聚酯纖維等，制作各種板材，如防火裝飾板、防火風管、刨花板、木屑板等。加入發(fā)泡劑時，還可制作保溫板。將玻璃纖維或玻璃纖維布，用鎂質膠凝材料膠接起來后，表面經(jīng)裝飾而成玻璃纖維(或其織物)增強鎂質膠凝材料的強度，板材斷面為矩型或圓型，具有不燃性。在用氯化鎂調制的

17、苛性苦土或白云石中加入發(fā)泡劑或泡沫，經(jīng)成型硬化后成為輕質多孔的隔熱制品。 2.13 氣硬性膠凝材料無機膠凝材料根據(jù)硬化條件不同又分為氣硬性和水硬性兩種。氣硬性膠凝材料一般只能在空氣中硬化并保持其強度。如石灰、石膏等。 2.13.1 建筑石膏（1）石膏的品種與生產自然界存在的天然二水石膏(CaSO42H2O，又稱軟石膏或生石膏)、天然無水石膏(CaSO4，又稱硬石膏)和各種工業(yè)副產品或廢料化學石膏。石膏膠凝材料的生產，通常是用天然二水石膏經(jīng)低溫煅燒、脫水、磨細而成。二水石膏在107170 時激烈脫水，水分迅速蒸發(fā)，成為型半水石膏。型半水石膏磨細即為建筑石膏。其中雜質含量少、顏色潔白者稱模型石膏。

18、二水石膏在0.13 MPa壓力的蒸壓鍋內蒸煉(溫度125)脫水，可制得型半水石膏；型半水石膏漿體硬化后的強度較高，故又稱高強石膏。 2.13 氣硬性膠凝材料2.13.1 建筑石膏（2）建筑石膏的凝結硬化半水石膏遇水后將重新水化生成二水石膏：2CaSO41/2H2O + 3H2O = 2（CaSO42H2O）隨著漿體中自由水分因水化和蒸發(fā)而逐漸減少，漿體也逐漸變稠，這個過程稱為凝結過程。其后，二水石膏晶體繼續(xù)大量形成、長大，晶體之間互相交錯連生，形成結晶結構網(wǎng)，使?jié){體變硬，并形成具有強度的石膏制品。這個過程稱為硬化過程。建筑石膏的特點：凝結硬化快；凝固時體積微膨脹；孔隙率大；觀密度小，絕熱、吸聲

19、性能好；具有一定的調溫調濕性；防火性好，耐火性差；耐水性、抗凍性差。（3）建筑石膏的用途建筑石膏的主要用途有：紙面石膏板、石膏裝飾板、纖維石膏板、石膏空心條板、石膏空心砌塊和石膏夾心砌塊。石膏還可用來生產各種浮雕和裝飾品。如浮雕飾線、藝術燈圈、角花等等。2.13 氣硬性膠凝材料2.13.2 石灰（1）石灰的生產與品種石灰是由石灰?guī)r煅燒而成。石灰?guī)r的主要成分是碳酸鈣(CaCO3)和碳酸鎂(MgCO3)。石灰?guī)r在適當溫度(10001100)下煅燒，得到以CaO為主要成分的物質即石灰，也叫生石灰(其中含一定量MgO)：石灰的分類根據(jù)加工方法不同可分為塊狀生石灰、磨細生石灰粉、消石灰粉、石灰漿。根據(jù)熟化速度分為快熟石灰、中熟石灰和慢熟石灰。表2-21 生石灰熟化速度分類2.13 氣硬性膠凝材料2.13.2 石灰（2）石灰的熟化與硬化生