《道路建筑材料》教学教案02石灰水泥稳定土.docx

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《道路建筑材料》教学教案02石灰水泥稳定土

学习情境二石灰、水泥、稳定土性能检测与分析

工程上用来将松散材料（如沙或石子）粘结为一个整体的材料，统称为胶凝材料（或胶材料），胶材料分为两大类：

有机胶凝材料（沥青和树脂）和无机胶凝材料。

无机胶凝材料按其硬化条件不同可分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。

气硬性胶凝材料只能在大气中硬化，并且只能在大气中保持一定的强度（如石灰、石膏）。

水硬性胶凝材料既能用在大气中，又能用在水中的胶凝材料（如水泥）。

胶凝材料根据化学成分分为无机胶凝材料和有机胶凝材料两大类。

石膏

石灰

气硬性胶凝材料水玻璃

镁质胶凝材料

无机胶凝材料

胶凝材料水硬性胶凝材料

有机胶凝材料：

沥青、树脂、橡胶等

情景导入：

石灰广泛应用于公路与城市道路的基层与底基层中，水泥则大量应用与路面面层，桥梁工程中，水泥石灰的技术性质直接影响施工质量。

教学单元一石灰的技术性质及应用

学习目标：

通过本章的学习要求掌握石灰的生产，石灰的技术要求和技术标准以及石灰的应用和储存。

教学内容：

阐述石灰的生产工艺，石灰的分类，石灰的消化和硬化，有效氧化钙和有效氧化镁的含量，石灰的应用与储存。

重点难点：

石灰技术性能检测，及“欠火石灰”和“过火石灰”对施工影响。

在道路工程中，随着半刚性基层在高等级路面中的应用，近年来石灰稳定土、石灰粉煤灰稳定土及其稳定碎石等广泛用于路面基层。

在桥梁工程中，石灰砂浆、石灰水泥砂浆、石灰粉煤灰砂浆广泛用于圬工砌体。

石灰是建筑上最早使用的气硬性胶凝材料之一，根据成品加工方法的不同，可分为：

根据成品加工方法的不同，可分为

（1）块状生石灰由原料煅烧而成的原产品，主要成分为CaO；

（2）生石灰粉由块状生石灰磨细而得到的细粉，其主要成分亦为CaO；

（3）消石灰将生石灰用适量的水消化而得到的粉末，亦称熟石灰，其主要成分为Ca（OH）2；

（4）石灰浆将生石灰加多量的水（约为石灰体积的3～4倍）消化而得可塑性浆体，称为石灰膏，主要成分为Ca（OH）2和水。

如果水分加得更多，则呈白色悬浊液，称为石灰乳。

一、石灰的生产工艺概述

将主要成分为碳酸钙和碳酸镁的岩石经高温煅烧（加热至900℃以上），逸出CO2气体，得到白色或灰白色的块状材料即为生石灰，其主要化学成分为氧化钙（CaO）和氧化镁。

化

学反应如下：

↑

优质的石灰，色质洁白或略带灰色，质量较轻，其堆积密度为（800～1000）kg/m3。

石灰在烧制过程中，由于石灰石原料尺寸过大或窑中温度不均等原因，使得石灰中含有未烧透的内核，这种石灰即称为“欠火石灰”。

欠火石灰的颜色发青且未消化残渣含量高，有效氧化钙和氧化镁含量低，使用时缺乏粘结力。

另一种情况是由于煅烧温度过高，时间过长而使石灰表面出现裂缝或玻璃状的外壳，体积收缩明显，颜色呈灰黑色，块体密度大，消化缓慢，这种石灰称“过火石灰”。

“过火石灰”使用时消解缓慢，甚至用于建筑结构物中仍能继续消化，以致引起体质膨胀，导致灰层表面剥落或产生裂缝等破坏现象，故危害极大。

二、石灰的消化和硬化

1、石灰的消化

烧制成的生石灰为块状的，在使用前必须加水消解，这一过程称为“消化”或“熟化”。

消化后的石灰称为“消石灰”或“熟石灰”。

其化学反应式如下：

/mol

“过火石灰”的危害

“陈伏”

2、石灰的硬化

石灰的硬化过程包括干燥硬化和碳化硬化两部分。

三、石灰的技术要求和技术标准

（一）技术要求

用于道路或桥梁工程的石灰，应符合下列技术要求：

1、有效氧化钙和氧化镁含量

石灰中产生粘结性的有效成分是活性氧化钙和氧化镁。

其含量愈多，活性愈高，质量也愈好。

有效氧化钙和氧化镁含量的测定方法，按我国现行行业标准《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ057-94规定），有效氧化钙含量用中滴定法测定，氧化镁含量用络合滴定法测定。

2、生石灰产浆量和未消化残渣含量

产浆量是单位质量（1kg）的生石灰经消化后，所产石灰浆体的体积（L）。

石灰产浆量愈高，则表示其质量越好。

测定产浆量时，试样的准备、取样及消解与未消化残渣含量的测定方法相同。

残渣含量愈多，石灰质量愈差，须加以限制。

3、二氧化碳（CO2）含量

CO2含量越高，即表示未分解完全的碳酸盐含量越高，则（CaO+MgO）含量相对降低，导致石灰的胶结性能下降。

4、消石灰游离水含量

5、细度

（二）技术标准

建筑石灰按现行标准《建筑生石灰》（JC/T479-92）、《建筑生石灰粉》（JC/T480-92）和《建筑消石灰粉》（JC/T481-92）的规定，按其氧化镁含量划分为钙质石灰和镁质石灰两类，其分类界限按表3-1规定。

钙质石灰和镁质石灰分类界限表3-1

品种

氧化镁含量（%）

类别

生石灰

生石灰粉

消石灰粉

钙质石灰

≤5

≤5

＜4

镁质石灰

＞5

＞5

≥4

四、石灰的应用与储存

（一）石灰的应用

1、石灰砂浆：

2、作半刚性材料的粘结构：

稳定路基。

3、加固软土地基：

（二）石灰的储运

1、磨细的生石灰粉应储存于干燥仓库内采取严格防水措施。

2、如需较长时间储存生石灰，最好将其消解成石灰浆并使用表面隔绝空气，以防碳化。

3、能侵蚀呼吸器官及皮肤，在进行施工及装卸石灰时，应披带必要的防护用品。

教学单元二水泥的技术性质及应用

水泥承是一种水硬性胶凝材料，也是建筑工程中用量最大的建筑材料之一。

在道路和桥梁工程中常用的是通用硅酸盐水泥。

通用硅酸盐水泥是以硅酸盐水泥熟料和适量石膏，及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。

按混合材料的品种和掺量分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。

学习目标：

通过本章的学习要求掌握硅酸盐水泥性质及其应用，硅酸盐水泥的凝结和硬化，熟悉六大通用水泥的特点及其应用，水泥的储存于运输。

教学内容：

阐述水泥的生产工艺，水泥的分类，硅酸盐水泥的技术性质，硅酸盐水矿物成分的性质及其应用，硅酸盐水泥的物理性质等。

重点难点：

硅酸盐水矿物成分的性质及其应用，初凝与终凝，水泥强度等级的确定。

一、硅酸盐水泥

硅酸盐水泥（即国外通称的波特兰水泥）是通用硅酸盐水泥品种之一。

根据我国现行标准《通用硅酸水泥》（GB175-2007）的规定，硅酸盐水泥分两种类型，P·I；P·II。

（一）硅酸盐水泥产生工艺概述

硅酸盐水泥生产工艺概括起来为“两磨一烧”。

（二）硅酸盐水泥熟料的矿物组成

1、硅酸盐水泥的矿物组成

矿物名称

化学成分

常用缩写

大致含量（%）

硅酸三钙

3CaO·SiO2

C3S

37～60

硅酸二钙

2CaO·SiO2

C2S

15～37

铝酸三钙

3CaO·Al2O3

C3A

7～15

铁铝酸四钙

4CaO·Al2O3·Fe2O3

C4AF

10～18

2、硅酸盐水泥矿物质组成的性质及

矿物组成

硅酸三钙

（C3S）

硅酸二钙

（C2S）

铝酸三钙

（C3A）

铁铝酸四钙（C4AF）

与水反应速度

中

慢

快

中

水化热

中

低

高

中

对强度作用

早期

高

低

低

中

后期

后期均高

后期高

低

低

耐化学侵蚀性

中

良

差

优

干缩性

中

小

大

小

水泥是由多种矿物组分组成的，改变各矿物组分的含量比例以及它们之间的匹配，则可生产各种性能各异的水泥。

例如，提高C3S和C4AF含量可制得高强度抗折强度的道路水泥。

（三）硅酸盐水泥的凝结和硬化

水泥加水拌和后称为可塑的水泥浆，由于水泥的水化作用，水泥浆逐渐变稠失去流动性和可塑性而未具的强度的过程，称为水泥的“凝结”；随后产生强度逐渐发展称为坚硬的人造石的过程称为水泥的“硬化”。

（1）初始反应期

水泥与水接触后立即发生水反应。

初期C3S水化，释放出Ca（OH）2，立即溶解于溶液中，浓度达到过饱和后，Ca（OH）2结晶析出。

暴露在水泥颗粒表面的铝酸三钙也溶解于水，并与已溶解的石膏反应，生成钙矾石结晶析出。

在此阶段的1%左右的水泥产生水化。

（2）诱导期

在初始反应期后，水泥微粒表面覆盖一层以C-S-H凝胶为主的渗透膜，使水化反应缓慢进行。

这期间生成的水化产物数量不多，水泥颗粒仍然分散，水泥浆体基本保持塑性。

（3）凝结期

由于渗透压的作用，包裹在水泥微粒表面的渗透膜破裂，水泥微粒进一步水化，除继续生成Ca（OH）2及钙矾石外，还生成了大量的C-S-H凝胶。

水泥水化产物不断填充了水泥颗粒之间的空气，随着接触点的增多，结构趋向密实，使水泥浆体逐渐失去塑性。

（4）硬化期

水泥继续水化，除已生成的水化产物的数量继续增加外，C4AF的水化物也开始形成，硅酸钙继续进行水化。

水化生成物以凝胶与结晶状态进一步填充孔隙，水泥浆体逐渐产生强度，进入硬化阶段。

只要温度、湿度适合，而且无外界腐蚀，水泥强度在几年、甚至几十年后还能继续增长，图3-4为硅酸盐水泥凝结硬化过程示意图。

12345

a）b）c）d）

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-水泥颗粒的未水化内核；5-毛细孔

（四）硅酸盐水泥的技术性质和技术标准

按照我国现行国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）规定：

（1）化学性质

水泥的化学指标主要是控制水泥中有害的化学成分含量，若超过最大允许限量，即意味着对水泥性能和质量可能产生有害或潜在的影响。

①氧化镁含量

水泥中氧化镁的含量（质量分数）不允许超过5%。

②三氧化硫含量

水泥中三氧化硫的含量（质量分数）应不大于3.5%。

③烧失量

I型硅酸盐水泥中不溶物（质量分数）应不大于5.0%。

④不溶物

I型硅酸盐水泥中不溶物（质量分数）应不大于0.75%；II型硅酸盐水泥中不溶物（质量分数）应不大于1.50%。

（2）物理性质

①细度

水泥细度有两种表示方法：

1、筛析法以80μm方孔筛上的筛余量百分率表示。

2、比表面积法以每千克水泥总表面积（㎡）表示，其测定采用勃氏透气法。

②水泥净浆标准稠度

水泥净浆标准稠度是对水泥净浆以标准方法拌制、测试达到规定的可塑性程度时的稠度。

水泥净浆稠度用水量是指水泥净浆达到标准稠度时水的用量，常以水和水泥质量之比的百分数表示。

为使水泥凝结时间和安定性的测定结果具有可比性，在此两项测定时必须采用标准稠度的水泥净浆。

③凝结时间

硅酸盐水泥初凝不小于45min，终凝不大于390min。

④体积安定性

水泥体质安定性是反映水泥浆在凝结硬化过程中，体积膨胀变形的均匀程度。

各种水泥在凝结硬化过程中，如果产生不均匀变形或变形太大，使构件产生膨胀裂缝，就是水泥体积安定性不良，影响工程质量。

影响体积安定性的因素主要为：

熟料中氧化镁含量；水泥中三氧化硫含量。

检验水泥体积安定性的标准法为雷氏法，以试饼法为代用法。

⑤强度

强度是水泥技术要求中最基本的指标，也是水泥的重要技术性质之一。

我国采用水泥胶砂强度法作为水泥强度的标准检验方法。

此方法是以1：

3的水泥和中国ISO标准砂，按规定的水灰比为0.5，用标准制作方法，制成40mm×40mm×160mm的标准试件，达到规定龄期（3d,28d）时，测其抗折强度。

1、水泥强度等级按规定龄期抗压强度和抗折强度来划分，硅酸盐水泥各龄期强度不低与表3-10数值。

在规定各龄期的抗压强度和抗析强度均符合某以强度等级的最低强度