土木工程材料复习资料

第二章 无机胶凝材料

胶凝材料：经过一系列物理、化学作用，能由浆体变成坚硬的固体，并能将散粒或片、块状材料胶结成整体的物质。

? 特征：

? 严格意义上胶凝材料应指浆体； ? 能在常温下凝结硬化为固体； ? 有较强的胶结能力； ? 具有一定的使用性能。

? 按其化学组成：

? 有机胶凝材料：沥青、树脂等。 ? 无机胶凝材料：水泥、石膏、石

灰等。

? 复合胶凝材料：牙齿水泥、酸－

碱水泥。

? 按其硬化条件：

? 气硬性胶凝材料 石膏、石灰

等；

? 水硬性胶凝材料 各种水泥等。? 气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，并且

在空气中保持和发展其强度；

关键：干燥状态下，其硬化体才有较好的性能！

? 水硬性胶凝材料不仅能在空气中，而且能

更好地在水中硬化，保持并发展其强度。

关键：干燥或潮湿状态下，其硬化体均有很好的性能！ 一、 石膏

原料：天然二水石膏（CaSO4.2H2O）又叫生石膏、天然无水石膏（CaSO4）以及含CaSO4.2H2O或CaSO4.2H2O与CaSO4混合物的化工副产品。

生产：将天然二水石膏或化工石膏经加热煅烧、脱水、磨细即得石膏胶凝材料。由于加热温度和方式的不同，可以得到具有不同性质的石膏产品。先简述如下：

当常压下加热温度达到107~170℃时，二水石膏脱水变为β型（β—CaSO4·

12H2O）半水石膏

（即建筑石膏，又称为熟石膏），反应式为：

CaSO4?2H2O?CaSO4?12H2O?112H2O

若在压蒸条件下（0.13MPa，125℃）加热可产生α型（α—CaSO4·

12H2O）半水石膏（即高强

石膏）。

? 石膏硬化体及制品的特性：

? 表观密度较小：～1.0 ? 孔隙率较大 ? 强度较低

? 耐水性和抗冻性较差 ? 防火性较好

? 隔热性和吸声性良好 ? 装饰性

? 建筑石膏的技术要求(GB9776－88)：

? 密度：2.50~2.70;

? 强度：抗折强度、抗压强度; ? 细度：0.2mm方孔筛筛余; ? 凝结时间：初凝、终凝时间;

凝结时间：初凝时间不早于6min，终凝时间不迟于30min

为什么石膏制品的防火性好Why?

答：石膏制品的孔隙率大，隔热性较好；二水石膏晶体含有两个结晶水分子，在受热后，二水石膏晶体脱去水分子，并蒸发吸收和带走热量；硫酸钙分子的分解温度很高，因此，在高温下，主要发生脱水和烧结。

? 性质——石膏是气硬性胶凝材料，建筑石

膏的主要成分是?-半水石膏CaSO4?0.5H2O;

? 生产方法——建筑石膏可用天然二水石

膏或化学石膏在120~180 ?C干燥下脱水制备；

? 凝结硬化机理——“溶解—沉淀”理论，即

通过半水石膏在水中不断溶解，二水石膏不断结晶，晶体不断生长、相互交错与连生构成晶体网络结构而硬化；

? 性能——浆体需水量较大，凝结硬化快、

凝结时有微膨胀、表观密度较小、孔隙率较大、强度低、耐水与抗冻性差、容易吸水和吸潮、导热系数低、隔热与吸声性好、耐火、对人体和环境无害。

? 应用——各种板材、粉刷砂浆、雕饰等。

二、 石灰

? 气硬性石灰

粘土杂质含量＞8%的石灰石热分解物及其水化物：? 生石灰粉：CaO； ? 熟(消)石灰粉：Ca(OH)2； ? 石灰膏(浆)：Ca(OH)2、H2O；

? 水硬性石灰

粘土杂质含量＞8%的石灰石热分解物： CaO、活性Si2O、Al2O3等 石灰的制备 ? 原料：

以CaCO3为主要成分的天然岩石，如：石灰石、白垩等。

? 石灰的制备：

? 石灰石的热分解反应： CaCO3

→CaO＋CO2

? 制备工艺：

岩石 破碎 煅烧粉磨(消解) 石灰的硬化 ? 结晶作用

? 生石灰或熟石灰＋水成为

Ca(OH)2浆体；

? 浆体中游离水的不断损失，导致

Ca(OH)2结晶；

? 晶粒长大、交错堆聚成晶粒结构

网—硬化。

? 碳化作用

? Ca(OH)2与空气中的CO2气体

反应，在表面形成CaCO3膜层。 ? 提高耐久性。

石灰的性质

? 建筑石灰的技术要求：

CaO的含量 CO2的含量(欠火石灰) 细度 体积安定性(过火石灰)

? 建筑石灰的特性：

表观密度较小 浆体的可塑性好 硬化后的强度较低 耐水性差 浆体硬化中容易开裂

? 过火石灰的危害 与水反应很慢，石灰硬化后再与水反应发生体积膨胀而引起开裂 。

石灰的应用

? 配制建筑砂浆和石灰乳 ? 配制无熟料水泥

石灰＋火山灰活性材料

? 配制三合土

石灰＋粘土＋砂＋水

? 作为其它建材制品的原料

如：硅酸盐制品、灰砂制品、碳化板等。

? 软土地基加固 什么是水玻璃？

碱金属硅酸盐的水溶液：

R2O· nSiO2 + H2O 其中R=Na＋、K＋ 什么是水玻璃的模数？

n: 氧化硅SiO2与碱金属氧化物R2O的摩尔比。

? 模数对水玻璃性能的影响

模数越大，粘度与粘结力越大，耐水性越好。

? 水玻璃的制备方法：

湿法： R2O＋nSiO2 + H2O →水玻璃 干法： R2O＋nSiO2→ R2O· nSiO2 R2O· nSiO2 + H2O →水玻璃 水玻璃硬化过程

水玻璃与空气中的CO2反应，生成无定型的硅酸凝胶，随着水分挥发干燥，硅酸凝胶转变成SiO2而硬化。

? 水玻璃的促硬剂：氟硅酸钠

其原理是氟硅酸钠加速水玻璃中硅酸凝胶的析出和SiO2的形成。

? 水玻璃的特性

良好的胶结能力 耐热性好、不燃烧 较好的耐酸性能 耐水性和耐碱性差

? 水玻璃在建筑上应用

? 配制耐酸混凝土与砂浆 ? 配制耐热混凝土与砂浆 ? 配制快凝防水剂 ? 加固地基基础

1. 为什么水玻璃能配制耐酸混凝土和砂

浆？

答：水玻璃溶液的凝结硬化是在酸作用下，使硅酸根离子逐步缩聚交联成二氧化硅玻璃体，因此，酸性条件只会使水玻璃中硅酸根离子的交联度提高，更加密实和耐水。

2. 为什么水玻璃模数n越大，粘结力越强，

耐水性越好？

答：n是SiO2/R2O的摩尔比，n越大，表明SiO2含量越大，硬化后的玻璃体中SiO2的交联密度越大，所以，粘结力越强，耐水性越好。

第三章 水泥

1、水泥是一种水硬性胶凝材料。

2、水泥的品种很多，按化学成分可分为硅酸盐、

速度

水化

铝酸盐、硫铝酸盐等多种系列水泥。硅酸盐系

热

列水泥按其性能和用途，可做如下分类：

??????常用水泥???????特种水泥?硅酸盐水泥??普通水泥??矿渣水泥??火山灰水泥?粉煤灰水泥???复合水泥多 少 最多 较多

早低

强度

高

后高

低

低

硅酸盐系列水泥抗腐

好

蚀性

好

差

极好

1、 硅酸盐水泥熟料主要由四种矿物组成，其名称

收缩

如下：

硅酸三钙（3CaO·SiO2，简写为C3S） 硅酸二钙（2CaO·SiO2，简写为C2S） 铝酸三钙（3CaO·Al2O3，简写为C3A） 铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3，简写为C4AF）

水 化 机 理

水泥颗粒与水接触时，其表面的熟料矿物立即与水发生水解或水化作用，生成新的水化产物并放出一定热量的过程。 硅酸三钙水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体。

酸四

种类

三钙

二钙

钙

钙

成早期水化热。

缩写

C3S

C2S

C3A

C4AF

3CaO·SiO2+H2O

含量

37-60

（%）

2、 硅酸二钙水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化

水化

快

慢

最快

快

钙晶体。

15-37

7-15

10-18

CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2

→

该水化反应的速度快，形成早期强度并生

中

较大

大 小

铁铝

矿物

硅酸

硅酸

铝酸三

3、 水化反应的速度慢，对后期龄期混凝土强度的

发展起关键作用。水化热释放缓慢。 4、 氢氧化钙的含量减少时，可以生成更多的水化

产物。 5、 O·SiO2+H2O

→

3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2 6、

7、 铝酸三钙水化生成水化铝酸钙晶体。

8、 该水化反应速度极快，并且释放出大量的热量。9、 如果不控制铝酸三钙的反应速度，将产生闪凝

现象，水泥将无法正常使用。

10、 通常通过在水泥中掺有适量石膏，可以避免上

述问题的发生。 11、 3CaO·Al2O3+H2O

→ 3CaO·Al2O3·6H2O

12、 硅酸二钙水化生成水化铝酸钙晶体和水化铁

酸钙凝胶

该水化反应的速度和水化放热量均属中等。

4CaO·Al2O3·Fe2O3+H2

O →

3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O 石膏调节凝结时间的原理

? 石膏与水化铝酸钙反应生成水化

硫铝酸钙针状晶体（钙矾石）。 ? 该晶体难溶，包裹在水泥熟料的表

面上，形成保护膜，阻碍水分进入水泥内部，使水化反应延缓下来，从而避免了纯水泥熟料水化产生闪凝现象。

? 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。

3CaO·Al2O3·6H2O+ H2O+CaSO4·2H2

O

→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2

O

水泥熟料水化后的主要水化产物有

? 水化硅酸钙(70%)

? 氢氧化钙 (20%) ? 水化铝酸钙

? 水化铁酸钙 ? 水化硫铝酸钙 ? 何为凝结？

? 水泥加水拌和形成具有一定流动性和可

塑性的浆体，经过自身的物理化学变化逐渐变 稠失去可塑性的过程。

? 何为硬化？

? 失去可塑性的浆体随着时间的增长产生

明显的强度，并逐渐发展成为坚硬的水泥

石的过程。

? 水泥的凝结与硬化过程由以下四个过程

组成。

凝结硬化过程

? 初始反应期 始的溶解和水化，约持续

5-10分钟。

? 潜伏期 动性可塑性好凝胶体膜层围绕水

泥颗粒成长，1h

? 凝结期 凝胶膜破裂、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

? 硬化期 凝胶体填充毛细管，6h-若干年

硬化石状体密实空间网

? 影响常用水泥性能的因素

? 水泥组成成分的影响 ? 水泥细度的影响

? 养护条件（温度、湿度）的影响 ? 龄期的影响

? 拌合用水量的影响

? 贮存条件的影响

细度

与水接触的细度 凝结和硬化速度 性质 表面积 < 40μ 大 高 强度高 过细 很大 很高 成本高 D >100μ 小 低 低

比表面积及筛余量

?

硅酸盐水泥的细度用比表面积表示

? 按照 GB175-1999的规定 ? 硅酸盐水泥的比表面积 >300 m2/kg ?

用比表面积测定仪测试颗粒粒径分布情

况。 ?

测量一定量空气通过水泥石时，流速变化.

? 筛余量可采用筛析仪测定

标准稠度及标准稠度用水量

标准稠度

? 试锥下沉深度为28±2mm时的

稠度

标准稠度用水量P(%)

? 按一定的方法将水泥调制成具

有标准稠度的净浆所需的水量。

P%=水量ml/水泥1g。

标准稠度用水量测试方法有不变(固定)水量法和调整水量法2种。

初学者多用前者，有争议时以后者为准。

初始凝结时间

概念：从水泥加水拌和起至标准稠度的水泥净浆开始失去可塑性所需的时间 标准要求≮45min

国产水泥一般为1-3h

实验：测试时以试针距底板4±1mm为准。 工程意义：水泥的初凝时间不宜过早，以便施工时有充分的时间搅拌、运输、浇捣

和砌筑等操作。

终凝时间

?

概念：从水泥加水拌和起至水泥净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。 ?

标准要求≯390min

? 国产水泥一般为5-6h

?

实验 ? 测试时以试针下沉0.5mm为准。

?

工程意义

? 终凝时间不宜过迟，以便施工完

毕后更快硬化，达到一定的强度，以利于下一步施工工艺的进行。

硅酸盐水泥的体积安定性

定义：指水泥硬化过程中体积变化小且均匀的性能。

体积安定性不良 水泥硬化后产生不均匀的体积变化（裂纹后弯曲）。

使建筑质量下降，甚至引起严重的建筑事

故。

体积安定性不良的原因

? 过量游离的CaO ? 过量游离的MgO ? 过量石膏

体积安定性不良的原因

水泥中的游离氧化钙或氧化镁都是过烧的它们的水速度慢，在水泥硬化后才开始水化，使已经硬化的水泥石膨胀开裂。

当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，它还

能继续与水化铝酸钙反应，生成高硫型水

化硫铝酸钙，体积增大1.5倍，引起水泥

石开裂。此时，水化 硫铝酸钙被称为水泥杆菌。

体积稳定性的测定

? 煮沸法-加速实验法

? 测量体积安定性的两种方法：

– 饼法

?

观察水泥净试饼在沸

煮后的外形变化

– 雷氏夹法

? 测量水泥石饼沸煮后的膨胀值

体积安定性的测定

? 上述测试方法仅能测出游离CaO是否过

量。

? 游离MgO和石膏不能通过加速实验的方

法检测

? 所以它们必须在生产工艺中严格控制，避

免过量。

? 标准规定：

? MgO≯5%、石膏SO3≯3.5%。 水泥在出厂和使用前必须检验的技术指标有四项：细度、凝结时间、强度和体积安定性。这四项指标

中，除强度外，其它任何一项指标不合格，则水泥

不能使用；反之，若仅强度一项指标不合格，而其

它三项指标合格，则水泥可降等级使用。

软水侵蚀

? 在硬水中会发生如下反应

? 生成的氢氧化钙几乎不溶于水，堆积在水

泥石的空隙中，形成密实的保护层

? 预防措施

? 将与软水接触的混凝土，事先在

空气中碳化－人工碳化

硫酸盐腐蚀 ? 特点

? 以硫酸盐为介质的海水、地下水

等

? 硫酸盐与水泥石中的成分反应

生成膨胀性晶体，使水泥石破坏

? 腐蚀过程举例：

4CaO?Al2O3?12H2O?3CaSO4?20H2O?3CaO?Al2O3?3CaSO4?31H2O?Ca?OH?2镁盐腐蚀

? 特点

? 以镁盐为介质的海水、地下水等

? 镁盐与水泥石中的成分反应，生

成易溶于水或松软无胶凝作用

的产物，破坏水泥石

? 腐蚀过程举例：

? MgCl2+Ca(OH)2 =

Mg(OH)2+CaCl2

? MgSO4+ Ca(OH)2+H2O =

Mg(OH)2+CaSO4·2H2O

酸的腐蚀

? 特点

– 以酸性介质为主的工业环境等

– 酸与水泥石中的成分反应，生成

易溶于水、结晶膨胀的产物，破

坏水泥石

?

腐蚀过程举例：

碱的腐蚀 ? 根据环境特点，合理选择水泥品种

?

?

特点

?

碱与水泥石中的成分反应，生成易溶于水、结

3晶膨胀的产物，破坏水泥石

提高水泥石的密实度

在混凝土表面覆盖保护层，对有特殊要求

的混凝土工程，还可以采用浸渍混凝土

CA?NaOH?Na2O?Al2Ｏ3?CH

硅酸盐水泥的特点和应用

NaOH?CO2?Na2CO3?H2O? 强度高适用于高强混凝土和预应力钢筋

混凝土工程

? 硬化快适用于要求凝结快、早强高的工程，

腐蚀原因

冬季施工，预制、现浇等工程

内因

? 水泥石中存在着易受腐蚀的氢

氧化钙和水化铝酸钙； ? 水泥石本身不密实，使侵蚀性介

质易于进入其内部； ? 腐蚀与介质相互作用；

? 抗冻性好适用于冬季施工及严寒地区遭

受反复冻融的工程

? 耐蚀性差不适用与淡水及海水等腐蚀性

介质接触的工程

? 耐热性差不适用于有耐热要求的混凝土

工程

? 水化热大不适用于大体积混凝土工程，但

有利于低温季节畜热法施工 ? 耐磨性好适用于公路、地面工程 ? 抗碳化性好对钢筋的保护作用强，适合

防止措施

CO2浓度高的环境

外因

? 腐蚀介质、温度、湿度、介质浓

度

常用活性混合材料 粉煤灰

?

粉煤灰是一种发电厂燃料废渣

粒化高炉矿渣

?

是熔融的矿渣水淬而得到。活性成分为活

性氧化硅和活性氧化铝。

火山灰质混合材料

?

是火山喷发沉积物及其它具有类似活性

的材料的统称。分为含水硅酸质（如硅藻

土等）、铝硅玻璃质（如火山灰等）、粘

土质（烧粘土等）。

普通硅酸盐水泥是一种水硬性胶凝材料掺加少量混合材料和适量的石膏混合材料的最大掺量不超过 15%

? 特点

? 与硅酸盐水泥相近 ? 因为混合材料的掺量

少，其矿物组成仍在硅酸盐水泥的范围之内

? 不同点

? 细度采用筛余量表示

? 测量通过

0.08mm的方孔筛的筛余

量≯10%

? 强度等级

? 强度应符合

表3.3.1的要求

? 共有六个强

度等级 :32.5,

32.5R ,

42.5R , 42.5, 52.5, 52.5R

? 最终凝结时间不超过

10h

与硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥相比

? 性能与硅酸盐水泥和普通水泥有以下区

别

? 原因：水泥中混合材料掺量多，熟料成分

少，故其性能与硅酸盐水泥有一定的差别。 ? ①早期强度低，后期强度高

? 矿渣水泥的水化分两步:水泥熟

料的水化;二次水化

? 二次水化早期速度慢，生成的水

化产物少，因而强度低 ? 后期二次水化速度增长，生成产

物数量增加，强度也随之提高。 ? 矿渣水泥适用于中期养护的预

制构件以及承重迟缓的工程,不适用于早强要求高的工程。

? ②抗蚀性强，抗碳化能力差。

? 因为氢氧化钙含量低

? 适用于水工或海港混凝土工程 ? 不适用于CO2浓度高的工业厂

房（如铸造翻砂车间）

? ③水化热低。

? 适用大体积混凝土工程

? ④温度敏感性大

? 适合高温养护

? ⑤抗冻性差：早期强度低，且火山灰需水

量大。 ? ⑥耐热性好

? 适用于有耐热要求的混凝土工

程。

? ⑦干缩大，抗渗性差。

? 由于混合材料掺量大，而且高炉

矿渣有尖锐棱角，拌和用水量大，保水性差，易产生泌水通道。

? 说明：⑥⑦为P.S特性，其它为PS、PP、

PF水泥共性

火山灰质硅酸盐水泥

凡有硅酸盐水泥熟料、火山灰质混合材料和适量石膏其同磨细制成的水硬性胶凝材料。

其中混合材料的掺量为20～50%。

与P.S的相同点

? 早期强度低，后期强度高 ?

耐腐蚀性强，抗碳化性差

? 抗冻性差

? 水化热低 ? 温度敏感性大

与P.S的不同点

①在潮湿环境或水中养护时抗渗性好。

– 因为细而多孔的火山灰材料适

用于有抗渗要求工程发生膨胀

胶化作用，生成较多的水化硅酸

钙，使水泥石的结构密实

②在干燥环境中使用易裂纹、起粉。

– 因为上述水化反应在干燥的环

境中不能进行，强度不发展；且

以生成的水化硅酸钙凝胶也会

使水收缩，产生裂纹，所以不适

用于干热地区的地上建筑。

③有硫酸盐腐蚀的混凝土工程不能使用含烧粘土

的火山灰水泥。

粉煤灰硅酸盐水泥

? 凡有硅酸盐水泥熟料、粉煤灰和适量石膏

共同磨细制成的水硬性胶凝材料称为粉煤灰水泥。

? 粉煤灰掺量为20～40%。

与P.S的相同点

?

早期强度低，后期强度高

?

耐腐蚀性强，抗碳化性差 ?

抗冻性差

?

水化热低 ? 温度敏感性大

与P.S的不同点

①早强低，因为粉煤灰球形玻璃体表面密

实，1～3个月后表面活性物质才发生二次

水化作用，适应于承重迟缓的工程。

②干缩小，抗裂性好：表面结构密实，吸

水量少。

③泌水性大（快）易产生失水裂纹，抗渗

性差。

复合硅酸盐水泥 P.C

? 在硅酸盐水泥熟料中掺入2种或2种以上的混合材料制备而成的硅酸盐水泥。

?

性质

– 32.5～52.5R 6 个强度等级。 – 其它性质与P.O相同。

? 强度要求见表3.3.3（GB12958-1999）

第四章 建筑砂浆

? 砂浆是由胶凝材料、细集料、掺加料和水，

按适当比例配合、拌制并经硬化而成的土

木工程材料 。

? 建筑砂浆可认为是砂率为100%的混凝土。

? 建筑砂浆可应用于:

? 粘结块状材料

? 作管道、大板等的接缝材料

? 表面抹灰

? 防腐或防水处理

按照胶凝材料，砂浆可分为：水泥砂浆石灰砂浆混

合砂浆聚合物砂浆

按照用途，砂浆可分为： 砌筑砂浆抹面砂浆特殊砂浆

? 砌筑砂浆可用于：

? 粘结块状材料

? 作管道、大板等的接缝材料

? 广泛用于土木工程中

?

砂浆组成材料中不含粗骨料，材料的其它

要求与混凝土相近,包括：水泥、砂、石灰砂浆的组成

?

水泥品种

– 常用的六大水泥均可用于配制

砌筑砂浆

– 对特殊用途，构件接头、结构加

固和裂纹修补和砂浆可采用膨

胀水泥

?

强度等级 – 一般采用低强度等级的水泥

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