水泥及玻璃的制备应用

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1、第 二节 硅 酸 盐 水 泥 Portland Cement,水泥的发展史,胶凝材料的发展可分为四个时期：,天然粘土：,新石器时代，距今400010000年,石膏-石灰：,公元前20003000年,石灰-火山灰：,公元初,人工配料制得水硬性胶凝材料：,1756年以后,用石灰、石膏作为 胶凝材料,水泥的发明,19世纪初（18101824年），用人工配合粘土与石灰石经煅烧、磨细以制造水硬性胶凝材料已经开始组织生产。1824年，英国人阿斯普丁将粘土与石灰石配合烧制成块（熟料），再经磨细而成水硬性胶凝材料，加水拌和后能硬化制成人工石，并具有较高强度，其外观与当时建筑上常用的英国波特兰岛上出产的岩石相似

2、，故称之为“波特兰水泥”（Portland Cement)，并于1824年10月21日首先获得该产品的专利权。,世界水泥工业简史及发展趋势,间歇式土窑（后发展成土立窑） 1877年：回转窑 1905年：湿法回转窑 1910年：机械化立窑 1928年：立波尔窑 1950年：悬浮预热器窑 1971年：预分解窑。,发展简史,概 述,什么是水泥(cement)？水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。 水泥的种类有哪些？,水泥中的主要矿物,硅酸盐系水泥,铝酸盐系水泥,硫铝酸盐系水泥,磷酸盐系水泥,硫铝酸钙,硅酸钙,铝 酸 钙,磷 酸 钙 镁,根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水

3、泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。,概 述,什么是水泥(cement)？水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。 水泥的种类有哪些？,水泥的特性,膨胀水泥,快 硬 水 泥,低 热 水 泥,抗腐蚀水泥,根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。,硬化时膨胀,硬 化 速 度 快,水化热低,耐 腐 蚀 性 好,根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。,水泥在土木工程中的重要作用,水泥是当今产量与用量最大的土木工程材料！ 水泥及其砂浆、混凝土与纤维水泥等水泥基材料普遍用于各种土木工程和钢筋混凝土结构！ 水泥的性能和正确选

4、用对土木工程的功能与质量至关重要！,水泥的分类,按性能和用途分,水 泥,通用水泥,专用水泥,特性水泥,硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥,矿渣硅酸盐水泥,粉煤灰硅酸盐水泥,火山灰质硅酸盐水泥,复合硅酸盐水泥,如砌筑水泥、油井水泥、道路水泥、大坝水泥等,如白色硅酸盐水泥、快凝快硬硅酸盐水泥等,二、硅酸盐水泥的组成,硅酸盐水泥是由下列物质混合组成的水泥 硅酸盐水泥熟料 Clinkers 石膏(CaSO42H2O) Gypsum 混合材(矿渣或石灰石粉末) Mineral Additives 各物质的作用 熟料：主要胶凝物质，能水化硬化； 石膏：调节水泥的凝结时间； 混合材：调节水泥的强度等级；,必要组分,

5、化学组成： 主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)， Al2O3(=A)， Fe2O3(=F) 少量杂质：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。 矿物组成：硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：,硅酸盐水泥熟料的组成,二、硅酸盐水泥的生产工艺及矿物组成,1、生产工艺 主要原料：（1）石灰质原料：提供CaO，天然石灰石。也可采用与天然石灰石化学成分相似的材料如白垩、贝壳石灰质凝灰岩等。（2）粘土质原料：提供SiO2、Al2O3，少量Fe2O3，有粘土、黄土、页岩、泥岩、粉砂岩、河泥等、（3）铁矿粉：提高Fe2O3的含量，有赤铁矿、黄铁矿渣。（4）石 膏：主要为天然石膏矿、无水硫酸钙等 。（

6、5）混合材料 包括活性混合材料（粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材料等）和非活性混合材料（石灰石粉、磨细石英砂等）。另外还有少量的矿化剂（如萤石）改善煅烧条件。,生产过程：,水泥的生产方法,水泥生产先后经历了仓窑、立窑、回转窑和新型干法回转窑等发展阶段，最终形成现代的预分解窑新型干法。,2、矿物组成,硅酸盐水泥熟料的主要化学组成如下：,名 称,氧化钙,CaO,C S A F,SiO2,Al2O3,Fe2O3,氧化硅,氧化铝,氧化铁,62% 67%,20% 24%,4% 7%,2.5% 6%,化学式,缩写式,含量范围,2、矿物组成,硅酸盐水泥的主要矿物组成包括：,名 称,硅酸三钙,3CaOSi

7、O2,C3S C2S C3A C4AF,3CaOAl2O3,4CaOAl2O3Fe2O3,硅酸二钙,铝酸三钙,铁铝酸四钙,37% 60%,15% 37%,7% 15%,10% 18%,水泥中的其它成分：,潜在危害非常严重影响水泥体积安定性,化学式,缩写式,含量范围,2CaOSiO2,硅酸盐水泥熟料矿物组成的特性：,水泥应用快硬水泥：3d抗压强度高，熟料中C3A、C3S含量高。适用于紧急抢修工程、军事工程、冬季施工工程。 道路水泥：抗折强度高，耐磨、抗冲击、抗冻和抗硫酸性好、干缩性小。 C4AF、C2S含量高。适用于道路路面、机场道面、城市广场等工程。,大坝水泥：简称中热水泥 低热矿渣水泥：加入

8、矿渣,水化放热较低， C2S含量高， C3A含量低,适用于大坝工程、大型构筑物、大型房屋的基础等大体积工程。,三、硅酸盐水泥的水化、凝结和硬化,1、水化 水化反应石膏作用原理水化产物2、 凝结与硬化何为凝结硬化？ 凝结硬化过程 影响因素,水化反应,硅酸盐水泥遇水后，水泥中的各种矿物成分会很快发生水化反 应，生成各种水化物。,2C3S + 6H2O = C-S-H + 3Ca(OH)2水化硅酸钙凝胶 2C2S + 4H2O = C-S-H + Ca(OH)2水化硅酸钙凝胶 C3A + 6H2O = 3CaOAl2O36H2水化铝酸三钙 4C4AF + 7H2O = 3CaOAl2O3 6H2O

9、+ CaOFe2O3H2O水化铝酸三钙 水化铁酸一钙,水化硅酸钙凝胶,六方板结晶,水化速度最快；闪凝,立方板状结晶,水化速度快，早强,水化速度慢，后强,立方体结晶,水化速度适中,石膏作用原理,石膏也很快与水化铝酸钙反应生成难溶的水化硫铝酸钙针状结晶体（称为钙矾石）。 该晶体难溶，包裹在水泥熟料的表面上，形成保护膜，阻碍水分进入水泥颗粒内部，从而阻碍了铝酸三钙的水化，降低了水泥的水化速度，使水泥的凝结时间得以延缓。 所以，石膏在水泥中起调节凝结时间的作用。 为什么石膏用量不能过多，这个问题将通过水泥石腐蚀的学习得到答案。,3CaOAl2O36H2O + CaSO42H2O + H2O = 水化铝

10、酸三钙 3CaOAl2O33CaSO4 32H2O高硫型水化铝酸钙（AFT）,水化产物,硅酸盐水泥水化后生成的主要水化产物有：,水化硅酸钙（C-S-H）：70% 氢氧化钙（Ca(OH)2）：20% 水化铝酸钙（ 3CaOAl2O36H2O ） 水化铁酸钙（ CaOFe2O3H2O ） 水化硫铝酸钙（钙矾石）（CaOAl2O33CaSO4 32H2O ）,凝结与硬化,凝结水泥加水拌合后形成具有一定流动性和可塑性的浆体，随着水化的不断进行，水分的不断蒸发，起润滑作用的自由水分逐渐减少，水泥浆逐渐变稠失去可塑性的过程。有初凝和终凝之分,硬化失去可塑性的浆体随着时间的增长产生明显的强度，并逐渐发展成为

11、坚硬的水泥石的过程。,水泥的凝结硬化过程由以下四个过程组成。,凝结硬化过程,初始反应期,潜伏期,凝结期,硬化期,初始的水解和水化，约持续510分钟。,流动性可塑性好凝胶体膜层围绕水泥颗粒生长，1h。,凝胶膜破裂、水化产物长大并连接，水泥颗粒进一步水化 6h。多孔的空间网络-凝聚结构，失去可塑性。,凝胶体填充毛细管， 6h 若干年硬化石状体密实空间网。,凝结硬化过程示意图,（a）分散在水中未水化的水泥颗粒 （b）在水泥颗粒表面形成水化物膜层 （c）膜层长大并互相连接（凝结） （d）水化物进一步发展，填充毛细孔(硬化)1水泥颗粒 2水分 3凝胶 4晶体 5水泥颗粒的未水化内核6毛细孔,影响水泥凝结

12、硬化的因素,影响水泥凝结硬化的因素：水泥的矿物组成、细度、石膏掺量、水灰比、温度、湿度和龄期等,四、硅酸盐水泥的技术性质,2、标准稠度,3、凝结时间,4、体积安定性,5、强度,6、水化热,1、细度,1、细度,（1）定义：水泥颗粒的粗细程度或分散度。 （2）细度与性质关系：细度决定了水泥与水接触的表面积，从而影响水泥的凝结时间和性质。,水泥细度和性质关系,（3）指标（ GB175-2007）,比表面积：是指单位质量的水泥粉末所具有的表面积的总和（m2/kg，cm2/g）勃氏法（适用于硅酸盐水泥比表面积300 m2/kg ） 筛 余 量: 通过0.08mm方孔筛的筛余量（%） 负压筛法（适用于其它

13、水泥）,细度不合格者为不合格品,勃氏透气仪,筛分仪,2、标准稠度,（1）目的：为了使水泥凝结时间、体积安定性等的测定具有准确的可比性 （2）测定：试验仪器：维卡仪试验方法：标准法/代用法 （3）标准稠度净浆标准:标准法：试杆距底板距离为 6mm1mm的稠度代用法：试锥下沉深度为28mm2mm的稠度 （4）标准稠度用水量P（%）:调整水量:达到标准稠度净浆时的用水量。不变水量: P=33.4-0.185s(试锥下沉深度） （5）标准稠度用水量的测定方法：不变水量法：初学者采用调整水量法：有争议时多采用此法。 水泥净浆是指水泥加水拌和而成的具有一定的可塑性能的混合物。标准稠度用水量一般在 24%-

14、30%之间。,:BS67-NJ-160水泥净浆搅拌机,水泥标准稠度及凝结时间测定仪,2、标准稠度,3、凝结时间,（1）定义：水泥加水拌和起至水泥浆失去可塑性所需的时间, 称为凝结时间,（2）两种状态,初凝状态：水泥加水起至水泥浆刚刚失去可塑性 所需的时间初凝时间 终凝状态：水泥加水起至水泥浆完全失去可塑性所需的时间终凝时间,水泥的初凝时间不宜过早，以便施工时有充分时间搅拌、运输、浇注和砌筑等操作；否则在施工前已失去流动性和塑性而无法施工。 水泥的终凝不宜过迟，以便施工完毕后尽快硬化，达到一定的强度，以利于下一步施工工艺的进行；否则将延长施工进度和模板的周转率。,初凝时间不得早于45min，终凝

15、不得迟于390min 初凝时间不符合规定者为废品；终凝时间不符合规定者为不合格品。,（3）工程意义,（4）标准要求,3、凝结时间,（5）凝结时间测定,仪器：采用凝结时间测定仪（维卡仪）水泥浆体：采用水泥标准稠度净浆。初凝时间：试针距底板距离为4mm1mm。终凝时间：当试针沉入试体0.5mm时，即环形附件开始不能在试体上留下痕迹时。,初凝不合格者为废品； 终凝不合格者为不合格品,4、体积安定性,（1）定义：安定性：水泥浆在硬化过程中，体积变化均匀的性能。体积安定性不良：水泥硬化后产生不均匀的体积变化（裂缝） （2）安定性不良的原因：熟料中f-CaO过多熟料中f-MgO 过多石膏掺量过多：硬化后，仍有CaSO4存在，则CA、水化铝酸钙与之反应，形成钙矾石（水泥杆菌），体积膨胀1.5倍，引起水泥石开裂。（3）测定方法（沸煮法加速实验法）饼法：观察水泥净浆在煮沸后的外形变化雷氏夹法：测量水泥石煮沸后的膨胀值,雷氏夹法 雷氏夹试件的成型：标准稠度水泥净浆。 测量 A：取下试件，测量雷氏夹指针尖端间的距离A。 沸煮 测量 C 沸煮后，冷却，取出试件测量雷氏夹指针尖端的距离C。 结果判定 当两个试件煮后增加距离C-A平均值 5.0mm时，安定性合格； 当两个试件C-A值相差超过4.0mm时，应重做一次试验。再如此，则认为该水泥安定性不合格。,