石灰和水泥-课件

道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 1 页页第四章 石灰与水泥 硅酸盐水泥硅酸盐水泥 2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 2 页页学习目的与任务学习目的与任务：本章主要是在硅酸盐水泥技术性质介绍的基础上，阐述了一些常用水泥的性质，因此在学习时应以掌握硅酸盐水泥的技术性质为学习重点，在此基础上通过对比了解其他水泥的技术性质。计划课时与上课手段计划课时与上课手段：本章计划用8个课时。以课堂授课、习题练习和试验室操作相结合的方法进行教学，其中课堂教学6学时。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 3 页页前前 言言 以硅酸盐水泥的矿物组成及其特点（水化速度、放热量、对强度的贡献程度等）、技术指标及标准为主要介绍内容；对道路、普硅等水泥的介绍。对比介绍石灰的化学组成、消化、硬化机理。石灰与水泥均属于胶凝材料，无机结合料，即水泥与石灰与水或水溶济拌合后形成的浆体经过一系列的物理化学作用后能够逐渐硬化并形成具有强度的人造石。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 4 页页第一节第一节 硅酸盐水泥硅酸盐水泥一、概述一、概述1 定义定义：水泥是一种多级成分的人造矿物粉料，与水拌和后成为塑性胶体，即能在空气中硬化，也能在水中硬化，并能将砂石等材料的结成具有一定强度的整体。水泥是水硬性胶凝拌料，常用的水泥有：快快硬，耐磨，高强，抗冷硬，耐磨，高强，抗冷 硅酸盐水泥 P 普通硅酸盐水泥 P.O 矿渣硅酸盐水泥 P.S 高温、水下特种水泥特种水泥2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 5 页页 火山灰质硅酸盐水泥 P.P 粉煤灰硅酸盐水泥 P.F2 水泥发展简史水泥发展简史：从古罗马JHON.ASPDIN硅酸盐水泥五大水泥现代水泥发展趋势（添加掺合物、绿色水泥等）。3 水泥生产特点水泥生产特点：水泥厂排出CO，SO3，HCl，Hg等重金属还有大量的“温合气体”CO2：1吨水泥的熟料，排出几乎等量CO2 CaCO3CaO+CO22019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 6 页页 1吨熟料中CaO含620kg，排出CO2为487kg，另外还有矿物燃料CO2，一般比例为1吨熟料的产生放出1吨CO2。（表总共CO2排出量1/71/10）4 我国水泥近年来产量简介：我国水泥近年来产量简介：50年代300万T；80年代1.0亿T；85年代2.0亿T；95年代4.5亿T；96年代4.9亿T，超过世界产量的1/3现在发展速度到2019年，地球大气中由水泥工业而增加CO2为150亿t！2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 7 页页二、生产概述二、生产概述 生产技术概述起来是“两磨一烧两磨一烧”：旧建材课本P50页流程图生料的配制与磨细。生料煅烧后使之部分熔融形成热料。将熟料与适量的石膏共同磨细成为硅酸盐水泥。两种原料按一定比例配合还满足不了要求，需加入第三、四种原料进行指正。如原拌中Fe2O3含量不足，需加入黄铁粉成含Fe高的粘土调整。如原拌中SiO2含量不足时，加入硅藻土、蛋白土、火山灰、硅反渣矿调整。如原拌中Al2O3含量不足时，加入矾土度拌成含Al高的粘土渣矿调整。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 8 页页（二）生料的配制生料的配制 各种面料按定的化学成分比例配制，并磨细到一定的细度，均匀混合制备成“生料生料”。制备的方法有 干法干法：先将原料干燥，而后粉碎，混合磨面得到生料然后采用预均化措施，使之成分均为混合的生料粉。湿法湿法：石灰石破碎到大小为825mm的颗粒的同时将粘土压碎并加入到淘泥池中淘洗，后将破碎的石灰石与粘土泥浆，按与料的要求共同在生料廉中湿廉，所得生料浆送入磨中，在其中对其化学成分调整得到“生料”。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 9 页页（三）煅烧煅烧 温度介于5001450，在13001450时是煅烧关键煅烧关键，必须要有足够的时间，否则将影响水泥的数量性质。煅烧后形成的硅的盐水的熟料迅速冷却即为水泥塑料块再与石膏（3%）共同磨细就形成硅酸盐水泥。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 10 页页三、化学成分、矿物组成三、化学成分、矿物组成主要是 CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3高温下形成水泥熟料的矿物组成主要为：3CaO SiO2 （简写）（简写）C3S2CaO SiO2 （简写）（简写）C2S3CaO Al2O3 （简写）（简写）C4A3CaO Al2O3 Fe2O3 （简写）（简写）C4AF 名称名称 CaO（C）SiO2（S）Al2O3（A）Fe2O3（F）大致含量（大致含量（%）6267 1924 47 252019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 11 页页（一）水化：（一）水化：（1）3CaOSiO2的水化 3CaOSiO2+nH2OxCaOSiO2yH2O+（3-x）Ca（OH）2 C3S的水化反应的产物C-S-H和C-H（2）2CaOSiO2的水化 2CaOSiO2+nH2OxCaOSiO2yH2O+（2-x）Ca(OH)2（3）3CaOAl2O3的水化（它C3A是在有石膏的条件下反应的）（硫型水化铝酸钙或称钙矾石 AFt）石膏消耗完毕后利下的C3A+AftAfm（单硫型水化铝酸钙）（4）铁铝的四钙的水化：当有石膏存在时，反应式同上式。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 12 页页（二）凝结和硬化（二）凝结和硬化 水泥与水拌和后，熟料矿物水化反应，形成各种水化生成物，随着时间的推移，水泥浆体经凝结硬化而成为具有一定强度的石状体。凝结过程中的物质变化：水泥浆体由浆体到硬化产生强度，物态变化分为三个阶段：（1）潜化期潜化期：发生了上述的物化反应，但是表现上无法觉察到水泥浆体仍为可塑状；（2）凝结期凝结期（1hm后）水泥浆体尖去塑性（判别用稠度仪的标准针刺入，不能刺到底）再过（68h）水泥浆体完全失塑性，用标准针不有刺入浆体。（3）硬化期硬化期：凝结期的终，也就是硬化期开始，水泥浆体逐渐硬化，成为刚体同体，强度随时间不断增长，28d时可表现出大部分强度。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 13 页页硅配盐水泥主要矿物组成与特性硅配盐水泥主要矿物组成与特性矿物组成C3SC2SC3AC4AF与水反应速度中慢快中水化热中低高中早期最差良良后期最优中中耐化学侵蚀中最差优干缩性中小大小大致含量356510400155152019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 14 页页 水泥加入适量水调成水泥浆后，经过一段时间因本身物化变化会逐渐变稠，失去塑性，这一过程称为初凝。开始具有强称为路题，由初凝到终凝的过程称为水泥的凝结，终凝以后强度逐渐提高，并形成人造石，这称“硬化硬化硬化硬化”。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 15 页页影响因素：影响因素：水泥的矿物组成和石膏的调凝作用；水泥的磨细程度。细水化充分，凝结硬化快 R；W/C W/C W空隙高 R；温度、湿度：T V水化 凝结硬化快 湿度 水化。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 16 页页四、技术指标及标准1）细度细度（Fineness）：水泥颗粒粗细的程度相同矿物组成的水泥，细度愈大，早期强度愈高，凝结速度愈快，折水量减少，但颗粒过细，硬化时收缩较大易产生裂缝，容易吸收水分与CO2而失去强性，且粉磨过程中能耗大，水泥成本高，但以细度适应。测试方法：负压筛法及水筛法，比表面积大于300m2/Kg。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 17 页页2）水泥净浆标准稠度水泥净浆标准稠度为使水泥凝结时间以及体积安定性等多种性质具有可比性，必须采用标准稠度的水泥净浆。标准方法为试杆法，距离底板57mm的水泥静浆为标准稠度净浆。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 18 页页3）凝结时间凝结时间（setting time）对水泥砼施工有重要的意义，初凝时间太短，将影响砼拌和料的运输浇灌，终凝时间过长，则影响砼工程的工程进度。（标准GB175-92）规定：硅酸盐水泥初凝时间不得早于45mm，终凝时间不得迟于390mm。此处加上试验图片（旧建材图113）测定测定：标准稠度仪：由加水时期，试针沉入净浆距底板23mm时，需时期为初凝时间加水主试针沉入净浆中不超过0.51.0mm时需时间终凝时间。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 19 页页4）安定性安定性（soundness）表征水泥硬化后体积变化均匀性的物理性能指标称为水泥的体积安定性。影响因素影响因素主要有：熟料中MgO含量，水泥中SiO3含量。实验使用沸煮法测实验使用沸煮法测CaO的含量的含量。压蒸法测压蒸法测MgO的含量的含量。此处加上试验图片（试饼法以及雷氏夹法，旧建材图117）2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 20 页页5强度强度（strength）强度直接反映了水泥的质量水平和使用价值。国际上采用砂浆法作为水泥强度的标准检验方法（GB177-85规定）以1:2.5的水泥和标准砂，按规定的水灰比（0.44或0.46）制成4416cm3的标准试件。标准养护条件下规定龄期（3d、28d或3d、2d、28d）时，测其抗压和抗折强度，按国家标准规定的最低强度值确定其所属标号。旧标准的水泥标号以28d抗压强度值（MPa）和10命名标号。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 21 页页新标准新标准ISO法水泥强度测试法水泥强度测试方法的介绍方法的介绍。（二）技术标准硅酸盐水泥的技术标准（GB175-92）的有关规定：2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 22 页页2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 23 页页五、道路水泥五、道路水泥1技术要求：技术要求：1）对下列有完成分必须加以限制MgO含量不限超过8%；SO3含量不得超过3.5%；烧失量不得大于3.0%；游离CaO含量1.0%1.8%；碱含量不得大于0.6%2）矿物组成（1）C3A不得大于5%（2）C4AF含量不小于16.0%2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 24 页页3）物理为学性质（1）反应：80wn筛余小于10%（2）凝结时间：初凝1h 终凝10h（3）安定性：沸煮法合格4）干缩性：28d收缩率0.1%5）耐磨性：3.60kg/m26）强度：425#、525#、625#2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 25 页页2技术标准技术标准3工程应用：工程应用：抗折强度高，耐磨性好，干缩性好，抗冲击性好，抗酸性较好的专用水泥。适用于初终路面、机场跑道等。由于其干缩性小耐磨抗冲击等特性，使其可减少路面的裂缝和磨耗等病害，延长寿命。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 26 页页第二节第二节 掺混合材料的硅酸盐水泥掺混合材料的硅酸盐水泥2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 27 页页一、水泥混合材及其特性一、水泥混合材及其特性1、非活性混合材料磨细石英砂、石灰石、粘土、慢冷矿渣等，掺加的目的是提高水泥产量、调节水泥标号、降低水泥水化热、改善新拌合混凝土工作性。2、活性混合材料（1）粒化高炉矿渣炼铁高炉熔渣水冷后得到的多孔、粒状疏松颗粒。（2）火山灰质混合材料以二氧化硅及氧化铝为主的矿物质原料。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 28 页页（3）粉煤灰氧化钙对其活性极为有利，低钙灰（小于10）、高钙灰（大于15）。二、技术性质2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 29 页页第三节第三节 石灰石灰2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 30 页页 石灰石灰是一种气硬性胶凝材料，它是将碳酸钙为主要成分的材料（主要为石灰石）经过适当的燃烧，尽可能的分集与排出CO2面得到的产品，得到其主要成份是CaO，它是一种多孔结构材料。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 31 页页一、石灰的分类一、石灰的分类：1根据成品加工方法的不同，分为（1）块状生石灰：原材料燃烧成的原产品，主要成份CaO；（2）生石灰粉：由块状生石灰磨细得到的细粉，主要成份CaO；（3）消石灰（熟石灰）生石灰用适量水消化得到的粉末Ca（OH）2；（4）石灰浆：生石灰加多量的水，消化可得到可塑性浆体，石灰膏，主要成份是Ca（OH）2和水；2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 32 页页生石灰钙质石灰 MgO5%镁质石灰 MgO5%消石灰钙质消石灰 MgO4%镁质消石灰 MgO4%2.按因素分类：2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 33 页页二、石灰的生产工艺概述：二、石灰的生产工艺概述：燃烧石灰的原料：富含氧化钙的岩石（如石灰石、白云石、白垩等）亦可用含有氧化钙和部分氧化镁的岩石。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 34 页页石灰的煅烧石灰的煅烧：该反应是一个吸热可逆反应，每100份质量的CaCO3失去44份的CO2得到56份质量的CaO。理论上分集1kg的CaCO3只需42.52千卡的热量，但是由于水份的蒸发、废气带走热量、窑体散热以及出窑时石灰带走热量，使得燃烧石灰的所需热量高于这个数值，实际煅烧烧温度在10001200之间。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 35 页页 石灰在烧制过程中由于尺寸过大，或窑内温度不均等原因，便得石灰中含有未烧透的内核，称为“欠火石灰欠火石灰”。另一种情况是过火而形成的“过火石灰过火石灰”，能引起消化故危害大。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 36 页页三、石灰的消化和硬化1消化消化消化的目的使原有的石灰块改变为便于施工操作，又具有粘结和硬化性能材料过程。剔除未分解的杂质（碳酸钙）。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 37 页页化学反化学反应为：该反应具可逆反应，反应方向决定于温度及周围介质中水蒸气的压力。而且因反应放热使得反应实际需水量达到石灰的7%左右。在石灰消化时应注意加水速度。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 38 页页过烧过烧：对活泼性大的石灰，若加水过慢，水量不够，则已消化的Ca（OH）2气围千米消化颗粒周围，内部石灰不易消化，这种现象称为“过烧”现象。过冷过冷：对于活泼性差的石灰，如加水过快则发热量少，水温过低，增加3米消化颗粒，这种现象称为“过冷”现象。陈伏：陈伏：因为过火石灰的危害大，因而在石灰消化过程中，可在消化后“陈伏”半个月左右再使用。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 39 页页2石灰的硬化石灰的硬化 所有的无机胶凝材料在水化的同时就伴随着硬化，但石灰在消化时因剧烈放热和显著的体积膨胀，使水变成蒸气而沸腾，从而破坏了石灰的凝聚结晶结构。致使石灰浆体变成松散毫无联系的消石灰。石灰的硬化包括以下两个部分：2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 40 页页（1）石类浆的干燥硬化：a毛细管压力，而获得“附加强度”。石灰浆体干燥过程，由于水份蒸发形成网状孔隙，这时滞留在孔隙中的自由水由于表面张力作用而产生毛细管压力，使石灰粒子更加密实，而获得“附加强度”。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 41 页页bCa（OH）2析晶，石灰浆体在干燥过程中因水分蒸发将引起溶液中某中程度的饱和从而产生Ca（OH）2晶体。但是析出的Ca（OH）2晶体反量极小，因而这种结晶引起强度增加并不显著。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 42 页页（2）硬化石灰浆的碳化 硬化石灰浆体从空气中吸收CO2，可以生成CaCO3，CaCO3的晶体粒或是互相共生，或是与石灰粒子或是砂粒共生，提高强度。碳化反应只有在有水的存在下才能进行，当使用干燥的碳酸作用于完全干燥的消石灰时，碳化反应几乎不进行。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 43 页页 因CaCO3在自然条件下具有较大的稳定性，因此石灰浆体在碳酸化后获得最终强度，称为碳化强度。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 44 页页四、技术要求和技术标准四、技术要求和技术标准1技术要求技术要求1）游离CaO与MgO含量：石灰中活性的游离CaO占石灰试件质量百分率，是有效氧化钙含量中和滴定法。氧化镁含量是石灰中氧化镁占试件质量百分率络合滴定法。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 45 页页2）生石灰产浆量和未消化残渣质量：产浆量产浆量是单位质量（1kg）的生石灰消化后，所产石灰浆体的体积（L）石灰产浆量愈高，则表示其质量愈好。未消化残渣未消化残渣是生石灰消化后，未能消化而存留在5mm圆孔筛上的残渣试样的百分率。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 46 页页试验方法试验方法：取石灰试样1kg，倒入有2500ml消水的标准产浆桶内的筛筒中盖上盖子，静量消化1kg，搅动2ml，继续静量消化40mm，再搅动2m。提取筛筒，用清水清洗筒内残渣至水洗石浑浊，冲洗残渣的清水仍倒入高浆桶内，将残渣在100105烘箱烘干至恒重，冷却至定温后用5mm筛孔筛筛分，称量筛余物m1，计算未消化残渣含量2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 47 页页3）二氧化碳（CO2）含量：是为了控制石灰石在煅烧时“欠火”造成产品中未分体完成的碳酸盐增多。CO2含量越高，表明未分体完全的碳酸盐含量越高，则（CaO+MgO）含量相对降低，导致影响石灰的胶结性能。4）消石灰粉游离水含量5）细度：0.9mm，0.125mm筛余百分率控制细度与石灰的质量有密切联系。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 48 页页技术标准按氧化镁含量划分为钙质石灰和镁质石灰两类技术标准按氧化镁含量划分为钙质石灰和镁质石灰两类 镁含量类别生石灰生石灰粉消石灰粉镁质石灰554钙质石灰5542019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 49 页页五、石灰的使用五、石灰的使用 石灰在公路工程中，主要用于半刚性基层材料的使用，石灰土基层强度的种类，由于石灰与土发生了一系列相互作用，为使土的性质发生根本的变化。在初期主要表现在土的结构，（整体性提高）塑性降低，最佳含水量增加，最大密实度减小（石灰吸水的物性）后期是结晶结构的形成，提高了其强度，板体性、稳定性。有四种反应：2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 50 页页 Ca2+在水分影响下呈现出强碱性，随Ca2+浓度，二价Ca2+就取代了土粒表面的所吸附的一价金属离子。而使得在土粒表面的Na+、k+等被Ca2+交换。而Ca2+的结水膜厚度比土吸附一价金属离子离子交换作用离子交换作用2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 51 页页（Ca+、k+）要薄，且Ca2+结水膜受外界水分影响的变化不大，（Ca2+Na+.k+稳定），Ca2+就表现出许多的优良的物理力学性能，特别是表现了良好的水稳定性。Ca2+与t的吸附综合体中低价阳离子进行交换作用后，结含水膜变薄，而导致t的分散性、湿坍性、粘附性、膨胀性的降低，是早期变化。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 52 页页 CaCO3是坚硬的结晶体，有较高的强度和水稳性，对土的胶结作用进一步加强。因为CaCO3形成后在其表面形成坚固的外壳面防碍强度进一步形成，因此该反应是温长的，（形成碳化后期强度主要原因之一）碳酸化作用碳酸化作用：（熟石灰与二氧化碳在潮湿状态下发生的化学反应）。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 53 页页 这种晶体能够相互组合，并与土粒结合起来形成其一晶体，把土粒胶结成整体，Ca(OH)2的晶体与非晶体的Ca(OH)2相比，溶许高几乎小一半，因而石灰土的水稳性得到提高。结晶作用结晶作用：因为水分较少，只有少部分离许，还有少部分Ca(OH)2进行反应，大部分Ca(OH)2在灰土中自行结晶，反应式如下：2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 54 页页火山灰作用火山灰作用:它是指石灰与增活性的SiO2和Al2O3发生反应生成含水硅的钙和铝的钙的过程，它们在水分作用下能逐渐发生化学反应。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 55 页页 这是一种水稳性良好的结合料，在有水下进行反应，具有水硬性。Ca(OH)2nH2O、XCaOSiO2nH2O，XCaOAl2O3nH2O的含量很小，但它们能够在固体与水二相环境下发生硬化，并且它们能与Ca(OH)2nH2O在土外形成一层稳定的保护腹，使其有强的粘结力以及隔离作用，阻止水分进入。因此这层稳定保护膜是灰石获得强度和水稳定性。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 56 页页 石灰土石灰剂量的范围从基层、底基层到垫层依次递减。（生产实践中最低使用应不低于6%，不高于18%，一般10%-14%）石灰剂量过多会使石灰在土的空隙中以自然灰石在导致石灰土强度降低，灰土基层一般在冬季破坏，因土的湿缩系数较干系数大于45倍。每层沥青的开裂温度在-5以下产生，温缩裂缝。2019.5道路建筑材料第四章森林工程专业森林工程专业第第 57 页页石灰土基层的施工：石灰土基层的施工：每层石土层不宜小于8cm，大于15cm。施工应在最低温度0之前完成，并避免在雨季施工。2019.5END