材料化学-无机非金属材料(水泥)

• 硬软水泥 菲律宾科学家研制的这一新 型水泥，在凝固之后变得硬邦邦的， 像普通水泥一样结实；但在上面钉钉 子时，却如同钉木板一样，能够毫不 费力地钉进去。
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• 焊接水泥 它是英国科技人员发明的，可
以如同电焊条焊接钢材似的，用于修补 断裂的水泥构件，它的牢固程度比未损 坏的部分还要高。这种新型水泥很有实 用价值，能够使许多断裂的水泥构件得 到修补，重新利用，避免了浪费。
非金属材料
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第五节 水泥
• 一、概述 • 二、硅酸盐系水泥概述 • 三、其它品种水泥
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一、概述
➢ 水泥呈粉末状，与适量水拌合成塑性浆体，经过物 理化学过程浆体能变成坚硬的石状体，并能将散粒 状材料胶结成为整体。
➢ 公元前2000-3000年，石膏、石灰砂浆，古代埃及金 字塔
➢ 公元初，古希腊人和罗马人、在石灰中掺入火山灰
• 在凝结期后，水泥水化仍在继续进行，水化铁铝 酸钙形成；由于石膏的耗尽，高硫型水化硫铝酸 钙转变为低硫型水化硫铝酸钙，水化硅酸钙凝胶 形成纤维状。水化产物继续填充孔隙且彼此间的 结合亦更加紧密，使得水泥浆体产生强度，这一 过程称为水泥的硬化。
• 水泥石强度发展的一般规律是：3～7天内强度增 长最快，28天内强度增长较快，超过28天后强 度将继续发展但增长较慢。
水化是水泥产生凝结硬化的前提，而凝结 硬化则是水泥水化的必然结果。
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a、硅酸盐水泥的水化
• 硅酸盐水泥与水拌合后，其熟料颗粒表面 的四种矿物立即与水发生水化反应，生成 水化产物。各矿物的水化反应如下：
• 2(3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O(水化硅酸 钙凝胶)+3Ca(OH)2(氢氧化钙晶体)
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5、硅酸盐水泥的特性与应用
1．凝结硬化快，早期强度与后期强度均高。 2．抗冻性好。 3．水化热高。 4．耐腐蚀性差。 5．耐热性差。 6．抗碳化性好。 7．干缩小。
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三、其它品种水泥
1、铝酸盐水泥
• （1）定义
凡以铝酸钙为主的铝酸盐水泥熟料，磨细制成的 水硬性胶凝材料，称为铝酸盐水泥，代号CA。铝 酸盐水泥的主要化学成分是：CaO、Al2O3、SiO2， 生产原料是铝矾土和石灰石。
（AFm）铝胶和水化硅酸盐，由于C4A3、C2S和
CaSO4·2H2O在水化反应时互相促进，因此水泥
的反应非常迅速，早期强度非常高。
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• （2）快硬硫铝酸盐水泥的技术性质
参见标准《快硬硫铝酸盐水泥》（JC7141996）规定的技术要求。
• （3）快硬硫铝酸盐水泥的特性与应用
1）凝结快、早期强度很高 2）水化放热快 3）硬化时体积微膨胀 4）耐蚀性好 5）耐热性差
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4、水泥石的结构
• 在常温下硬化的水泥石，通常是由水化产 物、未水化的水泥颗粒内核、孔隙等组成 的多相（固、液、气）的多孔体系。
• 在水泥石中，水化硅酸钙凝胶对水泥石的 强度及其他主要性质起支配作用。水泥石 具有强度的实质，包括范德华键、氢键、 原子价健等的作用力以及凝胶体的巨大内 表面积的表面效应所产生的粘结力。
• I型硅酸盐水泥（P·I）：不掺加混合材料
• II型硅酸盐水泥（P·II）：掺加<5%的混合材 料
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硅酸盐水泥的水化和凝结硬化
水泥加水拌合后，最初形成具有可塑性的 浆体（称为水泥净浆），随着水泥水化反 应的进行逐渐变稠失去塑性，这一过程称 为凝结。此后，随着水化反应的继续，浆 体逐渐变为具有一定强度的坚硬的固体水 泥石，这一过程称为硬化。
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特种水泥观奇
• 玻璃水泥 俄罗斯研究人员在混凝土构 件上钻出许多小孔，将特制的玻璃纤 维和水泥沙浆拌合，填入孔中可以使 构件达到钢筋混凝土的硬度。
• 轻型水泥 捷克建筑行业正在用这种水 泥来建筑住房，并以它为材料制成的 预制，板轻巧、结实，强度高，在水 中不会下沉。
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• 橡胶水泥 英国科学家在搅拌混凝土时 用一种含有合成橡胶的悬浮液水取水 代水，这种水泥能防水、防油和防各 种化合物。
• 医用水泥 德国推出的这种水泥可塑性 很强，与建房的普通水泥不一样，它 主要在医院里使用，例如填补蛀牙。
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第六节 耐火材料
• 一、耐火材料概述 • 二、耐火材料的组成 • 三、耐火材料的结构 • 四、耐火材料的性能 • 五、我国的新型耐火材料 • 六、世界耐火材料的新动态
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一、耐火材料概述
37～60 15～37 7～15
10～18
• （2）石膏
• （3）混合材料
返10回
3、硅酸盐水泥的水化和凝结硬化
• 硅酸盐水泥的定义：按《硅酸盐水泥、
普通硅酸盐水泥》（GB175-1999）规定： 凡由硅酸盐水泥熟料、0～5%石灰石或粒 化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性 胶凝材料，称为硅酸盐水泥（即国外通称 的波特兰水泥）。
• 稻壳水泥 印度科技专家用稻壳燃烧后
含有二氧化硅的灰烬与石灰发生化学
反应，成功地生成出硅酸盐水泥化合
物，很适合于水利工程和低层建筑。
它的生产成本很低，仅为普通水泥的
20%。
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• 维尼纶水泥 瑞士用维尼纶作为增强材 料，研制出这种新型水泥，以代替对 人体有害的石棉水泥。它耐热、抗寒、 无毒、有粘性，被广泛用于建筑行业。
• 地板水泥 日本开发的这种新型水泥几乎
与木材相差无几，既可以用锯子去锯， 也能够用刨子去刨。用它为材料制作的 家具别具一格，像木制家具一样耐用。
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• 变色水泥 美国研制的这种水泥不但是 理想的建筑材料，而且还可以用于预 报天气，故有“气象水泥”之称。在 天气干燥时，它呈蓝色；一旦变潮湿， 即成紫色；如果下雨，则在吸收水份 后变作明亮的玫瑰色。它之所以会变 色，是因为在水泥中加入了二氧化钴。
• 2(2CaO·SiO2)+4H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2 • 3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O（水化铝酸
钙晶体）
• 4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+CaO· Fe2O3·H2O（水化铁酸钙凝胶）
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和铝胶（Al2O3·3H2O）。
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• （2）铝酸盐水泥的技术性质：
参见国家标准《铝酸盐水泥》（GB2012000）规定的技术要求。
• （3）铝酸盐水泥的特性与应用（与硅酸盐 水泥相比）
1）快硬早强 2）水化热大 3）抗硫酸盐侵蚀性好 4）耐热性好 5）长期强度要降低
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2、硬硫铝酸盐水泥
• （1）快硬硫铝酸盐水泥的定义
➢ 1796年罗马水泥天然水泥岩(粘土含量为20%-25% 的石灰石)煅烧、磨细
➢ 人工配制水泥，波特兰水泥(Portland Cement ) ）
➢ 1824年，英国泥瓦工约瑟夫·阿斯普丁取得专利权
➢ 上世纪初 ，各种专用水泥
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1、硅酸盐系水泥的生产
• （1）原料 • 石灰质原料——主要提供CaO，常采用 石灰石、白垩、石灰质凝灰岩等。 • 粘土质原料——主要提供SiO2、Al2O3 及Fe2O3。 • 校正原料——调整，常采用黄铁矿渣等。
• 加糖水泥 它是由俄罗斯建筑科学院的 研究人员开发出来的，硬度为普通水 泥的5倍。它的材料是榨糖的下脚料和 蔗糖，掺入水泥原料后经过烧结而成。
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• 速凝水泥 美国推出的这种水泥能在极 短的时间里凝固，特别适用于正在行 驶的水泥船意外地穿洞漏水或者飞机 跑道因损坏出现凹坑等紧急情况。它 能在几分钟内凝固，使得洞口或凹坑 修补如新。
相之间的结晶矿物和玻璃相。
• 常见的耐火材料，多按主晶相和基质的矿物成分
分为两类，一类是晶相和玻璃相共存的多成分材 料制品，其基质可以是玻璃相，也可以是晶体和 玻璃体二相的混合物；另一类为仅含晶相的多成 分制品，其基质为细微的结晶体，制品靠这种微
小结晶体来实现主晶相之间的粘接。
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三、耐火材料的结构
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2、硅酸盐系水泥的组成
• （1）硅酸盐水泥熟料
化学成分 含量（%）
矿物成分
含量（%）
CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3
62～67 19～24 4～7
2～5
3CaO·SiO2，（C3S） A324Cl2aOO3
2CaO ·SiO2，（C2S）
3CaO ·Al2O3，（C3A）
4CaO ·Al2O3 ·Fe2O3， （C4AF）
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耐火材料由于长期使用于各种不同加热条件的高 温设备，因此，必须具有以下主要性能：
➢ 1、高的耐火度。 ➢ 2、良好的荷重软化温度。 ➢ 3、具有高温下的体积稳定性。 ➢ 4、好的热震稳定性。 ➢ 5、良好的抗蚀性。 ➢ 此外，要求耐火材料具有一定的耐磨性，在某
些特殊条件下有一定的透气性、导热性、导电 性和硬度等，同时要求外形和尺寸准确。
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（2）生产工艺——“两磨一烧”
• A.生料配制——各种原料比例确定之后， 可同时或分别将这些原料磨细到规定的细 度，并且使它们混合均匀。
干法——原料粉碎、混合、磨细 →生料粉 湿法——石灰石颗粒与粘土泥浆湿磨→生料浆
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B.熟料的煅烧
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C.水泥粉磨
• 水泥熟料冷却后，将与适量的石膏(约3％) 共同磨细，所形成的产品称硅酸盐水泥。 水泥粉磨越细，水化速度越快，愈易水化 完全，对水泥胶凝性质的有效利用率越高， 水泥强度也愈高，而且还能改善水泥泌水 性、和易性、粘结力等。但干缩率随水泥 细度提高而增加。
b、硅酸盐水泥的凝结硬化过程
• 1）初始反应期。水泥与水接触后初始的5～ 10min。硅酸三钙水化→水化硅酸钙凝胶，释放 出氢氧化钙溶于水中 →结晶析出。铝酸三钙也 溶于水并与已溶解的石膏反应→钙矾石结晶析出。