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1、土木工程材料土木工程材料 教材：土木工程材料教材：土木工程材料 编者：湖南大学、天津大学、编者：湖南大学、天津大学、 同济大学、东南大学合编同济大学、东南大学合编 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院 主讲人：徐会文主讲人：徐会文 主要内容：主要内容： 1 1、气硬性胶凝材料；、气硬性胶凝材料； 2 2、硅酸盐水泥；、硅酸盐水泥； 3 3、掺混合材料的硅酸盐水泥；、掺混合材料的硅酸盐水泥； 4 4、其他水泥。、其他水泥。 第三章第三章 无机胶凝材料无机胶凝材料 长城 滕王阁滕王阁 北京故宫北京故宫 明代民居明代民居 用三合土建成的我国最古老的建筑物用三合土建成的我国最古老的建筑物 用三合土
2、铺成的街道用三合土铺成的街道 1 1、胶凝材料、胶凝材料 胶凝材料：土木工程材料中，凡是经过胶凝材料：土木工程材料中，凡是经过 一系列的物理、化学作用，能将散粒材料粘一系列的物理、化学作用，能将散粒材料粘 结成整体的材料，统称为胶凝材料。结成整体的材料，统称为胶凝材料。 2 2、胶凝材料的分类、胶凝材料的分类 根据胶凝材料的化学组成，一般可分为：根据胶凝材料的化学组成，一般可分为： 无机胶凝材料；无机胶凝材料；有机胶凝材料两大类。有机胶凝材料两大类。 有机胶凝材料以天然的或合成的有机高分子化合有机胶凝材料以天然的或合成的有机高分子化合 物为基本成分，常用的有沥青、各种合成树脂等。物为基本成分，
3、常用的有沥青、各种合成树脂等。 无机胶凝材料则以无机化合物为基本成分，常用无机胶凝材料则以无机化合物为基本成分，常用 的有石膏、石灰、各种水泥等。的有石膏、石灰、各种水泥等。 根据无机胶凝材料凝结硬化条件的不同，又可分根据无机胶凝材料凝结硬化条件的不同，又可分 为为气硬性胶凝材料气硬性胶凝材料和和水硬性胶凝材料水硬性胶凝材料两类。两类。 气硬性胶凝材料是指只能在空气中硬化，也只 能在空气中保持和发展其强度的胶凝材料。常用的 有石膏、石灰和水玻璃。 第一节第一节 气硬性胶凝材料气硬性胶凝材料 一、石膏一、石膏 石膏胶凝材料的优点和类型石膏胶凝材料的优点和类型 1 1、优点、优点 石膏胶凝材料是以
4、硫酸钙为主要成分的气硬性石膏胶凝材料是以硫酸钙为主要成分的气硬性 胶凝材料。由于石膏胶凝材料及其制品具有许多优胶凝材料。由于石膏胶凝材料及其制品具有许多优 良的性质，原料来源丰富，生产能耗低，因而在建良的性质，原料来源丰富，生产能耗低，因而在建 筑工程中得到广泛应用。筑工程中得到广泛应用。 2 2、类型、类型 常用的石膏胶凝材料有：建筑石膏、高强石膏常用的石膏胶凝材料有：建筑石膏、高强石膏 、无水石膏水泥等。、无水石膏水泥等。 生石膏生石膏 生石膏生石膏 成品石膏粉成品石膏粉 硬石膏硬石膏粘结石膏粘结石膏 石膏胶凝材料的生产石膏胶凝材料的生产 生产石膏胶凝材料的原料主要是天然二水石膏（生产石膏
5、胶凝材料的原料主要是天然二水石膏（ CaSOCaSO 4 4 2H2H 2 2 O O）矿石，也可用含有二水石膏的化工副产）矿石，也可用含有二水石膏的化工副产 品和废渣（称为化工石膏）。天然无水石膏（品和废渣（称为化工石膏）。天然无水石膏（CaSOCaSO 4 4 ）又称天然硬石膏。）又称天然硬石膏。 石膏胶凝材料生产的主要工序是破碎、加热煅烧石膏胶凝材料生产的主要工序是破碎、加热煅烧 与磨细。根据加热方式和煅烧温度的不同，可生产出与磨细。根据加热方式和煅烧温度的不同，可生产出 不同性质的石膏胶凝材料产品。不同性质的石膏胶凝材料产品。 将天然二水石膏或化工石膏加热时，随着温度将天然二水石膏或化
6、工石膏加热时，随着温度 的升高，将发生如下变化：的升高，将发生如下变化： 当加热温度为当加热温度为65657575时，时， CaSOCaSO 4 4 2H2H 2 2 O O开始开始 脱水，至脱水，至107107170170时，生成半水石膏（时，生成半水石膏（CaSOCaSO 4 4 11 2H2H 2 2 O O），其反应式为：），其反应式为： 在煅烧的过程中，因加热条件的不同，在煅烧的过程中，因加热条件的不同， 所获得的半水石膏有所获得的半水石膏有型和型和型两种形态。型两种形态。 若将二水石膏在非密闭的窑炉中加热脱水，若将二水石膏在非密闭的窑炉中加热脱水， 得到的是得到的是型半水石膏，称为
7、型半水石膏，称为建筑石膏建筑石膏。若。若 将二水石膏置于将二水石膏置于0.13MPa0.13MPa、124124的过饱和蒸的过饱和蒸 汽条件下蒸炼脱水，或置于某些盐溶液中煮汽条件下蒸炼脱水，或置于某些盐溶液中煮 沸，可得到沸，可得到型半水石膏，称为高强石膏。型半水石膏，称为高强石膏。 建筑石膏的凝结硬化建筑石膏的凝结硬化 建筑石膏与适量的水拌合后，最初成为可塑性建筑石膏与适量的水拌合后，最初成为可塑性 浆体，但很快失去塑性并开始产生强度，并逐渐发浆体，但很快失去塑性并开始产生强度，并逐渐发 展成为坚硬的固体。展成为坚硬的固体。 建筑石膏与水拌合后，半水石膏与水反应生成建筑石膏与水拌合后，半水石
8、膏与水反应生成 二水石膏：二水石膏： 由于二水石膏在水中的溶解度仅为半水石膏溶由于二水石膏在水中的溶解度仅为半水石膏溶 解度的解度的1/51/5左右，半水石膏的饱和溶液对于二水石膏左右，半水石膏的饱和溶液对于二水石膏 就成了过饱和溶液。所以二水石膏以胶体微粒自溶就成了过饱和溶液。所以二水石膏以胶体微粒自溶 液中析出，从而破坏了半水石膏溶解的平衡，使半液中析出，从而破坏了半水石膏溶解的平衡，使半 水石膏又继续溶解和水化。在这一过程中，浆体中水石膏又继续溶解和水化。在这一过程中，浆体中 的自由水分因水化和蒸发而逐渐减少，二水石膏胶的自由水分因水化和蒸发而逐渐减少，二水石膏胶 体微粒数量不断增加，浆
9、体的稠度逐渐增大，可塑体微粒数量不断增加，浆体的稠度逐渐增大，可塑 性逐渐减小，表现为石膏的性逐渐减小，表现为石膏的“凝结凝结”。其后，胶体。其后，胶体 微粒逐渐凝聚成为晶体。晶体逐渐长大、共生和相微粒逐渐凝聚成为晶体。晶体逐渐长大、共生和相 互交错，使浆体产生强度，并不断增长，这就是石互交错，使浆体产生强度，并不断增长，这就是石 膏的膏的“硬化硬化” ” 。 （a a） （b b） （c c） 图图3-1 3-1 建筑石膏凝结硬化示意图建筑石膏凝结硬化示意图 （a a）胶化；（）胶化；（b b）结晶开始；（）结晶开始；（c c）结晶长大与交错）结晶长大与交错 1-1-半水石膏；半水石膏；2-
10、2-二水石膏胶体微粒；二水石膏胶体微粒；3-3-二水石膏晶体；二水石膏晶体；4-4-交错的晶体交错的晶体 建筑石膏的技术建筑石膏的技术 性质与应用性质与应用 建筑石膏为白色粉建筑石膏为白色粉 末，密度约为末，密度约为2.602.60 2.75 g/cm2.75 g/cm 3 3 ，堆积密度，堆积密度 为为8008001000 kg/m1000 kg/m 3 3 。建。建 筑石膏按强度、细度、筑石膏按强度、细度、 凝结时间等技术要求分凝结时间等技术要求分 为优等品、一等品、合为优等品、一等品、合 格品三个等级。格品三个等级。 根据建筑石膏的性性质，它在建筑上的主根据建筑石膏的性性质，它在建筑上的
11、主 要用途有：制成石膏抹灰材料、各种墙体材料要用途有：制成石膏抹灰材料、各种墙体材料 ，各种装饰石膏板、石膏浮雕花饰、雕饰制品，各种装饰石膏板、石膏浮雕花饰、雕饰制品 等。等。 室内装饰用石膏板室内装饰用石膏板用石膏装饰室内天花板用石膏装饰室内天花板 石灰是在土木工程中使用较早的矿物胶凝石灰是在土木工程中使用较早的矿物胶凝 材料之一。石灰的原料分布很广，生产工艺简材料之一。石灰的原料分布很广，生产工艺简 单，成本低廉，在土木工程中应用很广。目前单，成本低廉，在土木工程中应用很广。目前 ，工程中常用的石灰产品有：磨细生石灰、消，工程中常用的石灰产品有：磨细生石灰、消 石灰粉和石灰膏。石灰粉和石灰
12、膏。 二、石灰二、石灰 石灰石石灰石 生石灰生石灰 石灰生产厂石灰生产厂 石灰的生产石灰的生产 生产石灰的原料有石灰石、白云石、白垩、贝生产石灰的原料有石灰石、白云石、白垩、贝 壳等。它们的主要成分是碳酸钙，经煅烧后，碳酸壳等。它们的主要成分是碳酸钙，经煅烧后，碳酸 钙分解成为氧化钙，得到块状生石灰：钙分解成为氧化钙，得到块状生石灰： 为加速石灰的分解过程，在实际的煅烧过程中 为加速石灰的分解过程，在实际的煅烧过程中 温度常提高至温度常提高至1000100011001100左右。左右。 在生产石灰的原料中，常含有碳酸镁，经煅烧在生产石灰的原料中，常含有碳酸镁，经煅烧 后，分解成氧化镁；按氧化镁
13、含量的多少，石灰分后，分解成氧化镁；按氧化镁含量的多少，石灰分 为钙质石灰（氧化镁含量为钙质石灰（氧化镁含量5%5%）和镁质石灰（氧化）和镁质石灰（氧化 镁含量镁含量5%5%）两类。）两类。 生石灰粉生石灰粉 在使用石灰时，将生石灰加水，使之消解为消石在使用石灰时，将生石灰加水，使之消解为消石 灰的过程，称为石灰的灰的过程，称为石灰的“ “消解消解” ”，又称，又称“ “熟化熟化” ”： 石灰的熟化为放热反应，熟化时体积增大石灰的熟化为放热反应，熟化时体积增大1 1 2.52.5倍。倍。 按用途，石灰熟化的方法有两种：按用途，石灰熟化的方法有两种： 1 1、用于拌制石灰砌筑砂浆时，需将生石灰熟
14、化成、用于拌制石灰砌筑砂浆时，需将生石灰熟化成 石灰膏。生石灰在化灰池中熟化成石灰浆后，通过筛石灰膏。生石灰在化灰池中熟化成石灰浆后，通过筛 网流入储灰坑，石灰浆在储灰坑中沉淀并除去上层水网流入储灰坑，石灰浆在储灰坑中沉淀并除去上层水 分后称为石灰膏。分后称为石灰膏。 为了消除过火石灰的危害，石灰浆应在储灰坑中为了消除过火石灰的危害，石灰浆应在储灰坑中 “ “陈伏陈伏” ”两星期以上。两星期以上。“ “陈伏陈伏” ”期间，石灰浆表面应保有期间，石灰浆表面应保有 一层水分，与空气隔绝，以免碳化。一层水分，与空气隔绝，以免碳化。 2 2、用于拌制石灰土（石灰、粘土）、三合土（、用于拌制石灰土（石灰
15、、粘土）、三合土（ 石灰、粘土、砂石或炉渣等）时，将生石灰熟化成消石灰、粘土、砂石或炉渣等）时，将生石灰熟化成消 石灰粉。生石灰熟化成消石灰粉时，理论上需水石灰粉。生石灰熟化成消石灰粉时，理论上需水 32.1%32.1%，由于一部分水分需消耗于蒸发，实际加水量，由于一部分水分需消耗于蒸发，实际加水量 常为生石灰重量的常为生石灰重量的606080%80%，应以能充分消解而又不，应以能充分消解而又不 过湿成团为度。过湿成团为度。 石灰的硬化石灰的硬化 1 1、结晶作用、结晶作用游离水分蒸发，氢氧化钙逐渐从游离水分蒸发，氢氧化钙逐渐从 饱和溶液中结晶；饱和溶液中结晶； 2 2、碳化作用、碳化作用-氢
16、氧化钙与空气中的二氧化碳化氢氧化钙与空气中的二氧化碳化 合生成碳酸钙结晶，释出水分被蒸发：合生成碳酸钙结晶，释出水分被蒸发： 石灰的技术性质与要求石灰的技术性质与要求 1 1、性质：、性质： 良好的可塑性；良好的可塑性； 硬化速度慢；硬化速度慢； 强度低，易受潮。强度低，易受潮。 2 2、分类及技术指标、分类及技术指标 根据我国建材行业标准的规定，按石灰中氧化根据我国建材行业标准的规定，按石灰中氧化 镁的含量，将生石灰分为钙质生石灰和镁质生石灰镁的含量，将生石灰分为钙质生石灰和镁质生石灰 两类，它们按技术指标又可分为优等品、一等品、两类，它们按技术指标又可分为优等品、一等品、 合格品三个等级。合格品三个等级。 石灰在土木工程中的应用石灰在土木工程中的应用 1 1、石灰乳和砂浆、石灰乳和砂浆 将消石灰粉或
