6th-2硅酸盐水泥的水化硬化与性能.pdf

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1、一 、 水泥的凝结硬化过程 水泥加水拌成的浆体，起初具有可塑性和流动性。随 着水化反应的不断进行，浆体逐渐失去流动能力，转变为具 有一定强度的固体，即为水泥的凝结和硬化。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结果。硬化 水泥浆体是一非均质的多相体系，由各种水化产物和残存熟 料所构成的固相以及存在于孔隙中的水和空气所组成，所以 是固一液一气三相多孔体。它具有一定的机械强度和孔隙率 ，而外观和其他性能又与天然石材相似，因此通常又称之为 水泥石。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 2 1887 年吕一查德里提出 结晶理论 。他认为水泥之所 以能产生胶凝作用，是由于水化生成

2、的晶体互相交叉 穿 插 ， 联结成整体的 缘故 。 按照 这种理论，水泥的水化、硬化过 程是：水泥中各 熟料矿物首先溶解于水 ，与水反应，生成 的水化产物由于溶解度小于反应物的溶解度，所以就 结晶 沉淀 出来随后熟料矿物继续溶解，水化产物不断沉淀， 如此溶解一沉淀不断进行也就是认为水泥的水化和普通 化学反应一样，是通过液相进行的，即所谓 溶解一沉淀过 程 ，再由水化产物的结晶交联而凝结、硬化，其情况与石 膏相同 。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 3 结晶理论 1887 ， 吕一查德里 熟料矿物 溶解于水 、 水 化 反应 ，产物溶解度 反应 物溶解度， 结晶沉淀 ， 交联 而 凝

3、结、硬化 。 熟料矿物水化生成的 晶体互相交叉穿插，联结成 整体 胶体理论 1892 米哈艾利斯 水泥 水化生成大量胶体 物质 ， 干燥 或未水化的水泥 顺粒继续水化产生 “内吸作 用”而失水 ， 凝聚变硬 。 无溶解过程，直接水化； 通过水分 扩散作用 ，反应界 面由 颗 粒表面向内延伸，继 续水化 。 拜依柯夫 1）溶解期 ，水泥遇水颗粒表面开始 水化 ，可溶性物 质溶于水中至 溶液达饱和 ； 2）胶化期 ，固相生成物从 饱 和溶液中析出 。因为过饱和程度较高，所以沉淀为胶体颗 粒，或者直接由固相反应生成 胶体析出 ； 3）结晶期 ，生 成的胶粒并不稳定，能 重新溶解再结晶 而产生强度 结

4、晶理论和胶体理论的对立，现在有了比较统一的认识。在某种程度上 看，仅仅是 术语的问题 ，也就是 如何理解凝胶 的问题，从现代观点来看，许 多水化产物实际上是 胶体尺寸的晶体 ，即其水化产物 尺寸是属于胶体 ，但其 内部结构仍然是晶体 ，只不过 晶体细小，不完整而已 。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 洛赫 尔等从 水化产物形成及其 发展分为三阶段 第一 阶段：大约从水泥加水起到初凝 为止 C3S和水迅速反应生成 CH过饱和 溶液，并析出 CH晶体 。同 时石膏也很快进入溶液与 C3A和 C4AF反应，生成细小的钙矾石 晶体。 在这一阶段，由于生成的产物层阻碍了反应进一步进行 ，同时

5、，水化产物尺寸细小，数量又少，不足以在颗粒间架 桥连接形成网络状结构，水泥浆体仍呈塑性状态。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 5 第二阶段：大约从初凝到加水 24h为止 水泥水化开始加速，生成较多的 CH和 钙矾石晶体，同 时水泥颗粒上升开始长出纤维状的 C-S-H。由于钙矾石晶体 的长大和 C-S-H的大量形成、增长而相互交错连接成网状结 构，水泥开始凝结，随网状结构不断加强，强度也相应增 长，将剩留在颗粒之间空隙中的游离水逐渐分割成各种尺 寸的水滴，填充在相应大小的孔隙之中。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 第三阶段：加水 24h以后，直到水化结束 这一阶段，石膏已

6、基本耗尽，钙矾石开始转化为 单硫型水化硫铝酸钙，还可能会形成 C4(AF)H13。 随着水化的进行，各种水化产物的数量不断增加，晶体 不断长大，使硬化的水泥浆体结构更加致密，强度逐渐 提高。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 二、硬化水泥浆体 的 组成 结构 硬化 的水泥浆体是一个非均质的多相体系，是由各种 水化产物和残存熟料所构成的固相、孔隙、存在于孔隙中 的水及空气所组成。即硬化水泥浆体是 固、液、气三相共 存的多孔体 。 有 一定的机械强度和孔隙率 ，物理 结构有时比化学组 成更有影响 。即使 水泥品种相同，适当改变水化产物的形 成条件和发展情况，也可使孔结构与孔分布产生一定差

7、异 ，从而获得不同的浆体结构，相应使性能有所变化。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 1、 C-S-H凝胶 1）组成 C-S-H化学 组成是不固定，还存在着不少种类的其他 离子； C/S随液相中 CH浓度 的提高而 增加； 随着 水化进程而改变， 其 C/S随 龄期 的延长而降低。 2）结构 结晶程度 极差，无 定型的胶体 状。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 3）形貌 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 纤维状粒子 细长条物质 水化初期从水泥颗粒向外辐射生长 网络状粒子 互相联锁的网状构造 粒子间叉枝的交结，并在交 结点相互生长，形成连续的 三维空间网。 等大粒

8、子 小而不规则、三向尺寸近乎相等的球状颗粒 水化过程包裹膜中较多孔的 部分、沉积在膜内侧的 C-S- H 内部产物 斑驳状 处于水泥粒子原始周界以内 的，通常认为是通过局部化 学反应的产物，比较致密， 具有规整的孔隙。 2、 CH 1）组成 与 C-S-H不同， 氢氧化钙具有固定的化学组成 .纯度较 高 .仅可能含有极少量 的 Si、 Fe和 S。 2） 结构 结晶良好，属 三方晶系，具有层状构造，由彼此连接的 CH八面体 组成。结构层内为离子链。结合较强 ;而结构 层之间则为分子 键，层 间联系较弱，可能为硬化水泥浆 体受力时的一个裂缝发源地 。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构

9、3）形貌 当水化过程到达加速期后，较多的 CH晶体 即在充水空 间中成核结晶析出。其 特点 是只在现有的空间中生长，如 果遇到阻档。则会朝另外方向转向长大，甚至会绕过水化 中的 水泥颖粒而将其完全包裹起来，从而使其实际所占的 体积有所 增加。在 水化 初期， CH常 呈薄的六方板 状，宽 约 几十微米，用普通光学显微镜即可清晰分 拼；在 浆体 孔隙 内生长 的 CH晶体 ，有时长得 很大 ，甚至肉眼 可见，随后长 大 变厚 成叠片状 。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 13 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 3、钙矾石 1）组成 阴离子 能与氧化钙、氧化铝和水结合 成 的

10、 ”三盐 ” 或 “ 高”盐 型四 元水化物。其通式 如 下 。 2）结构 结晶 完好，属三方晶系，为柱状结构 。 一般呈六方梭柱状 结晶，水化开始 几小时内，常以凝 胶状 析出，然后 长成针棒状，棱面 清晰。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 3、钙矾石 1）组成 阴离子与 氧化钙、氧化铝和水结合 成 的 ”三盐 ” 或 “高” 盐 型四 元水化物。其通式 如 下 。 C3A 3CaY mH2O 式 中 Y 2价 阴离子，为 SO42-、 CO32-,如为 1价 阴离子 ，则为 Cl-、 OH-等 。 m 在完全水化状态 下，通常为 1012。 Y为其它盐时，在结构上与 钙矾石也大

11、致 相同， A可被 F 置换。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 16 2）结构 结晶完好，属三方晶系，为柱状结构 。 一般呈六方梭 柱状结晶，水化开始几小时内，常以凝胶状析出，然后 长成针棒状，棱面清晰 。 钙矾石的脱水温度较低，在 50 已有少量结晶水脱出 ;74 下脱水 相当 强烈，结构破坏 ;在 97 经过 5h左右 ，会 失去 20mol的 结晶水 ;而当温度达 113114 后 ，很快成为 8水钙矾石 。也有资料表明：在 100 110 以下，钙矾石能稳定存在，当温度更高时， 则 分解 成单硫型 水化硫 铝酸钙和半水石膏 。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 1

12、7 4、单 硫型水化硫铝酸钙及其 固溶体 1）组成 阴离子与氧化钙、氧化铝和水结合成的 ”三盐 ” 或“高” 盐型四元水化物。其通式如下。 C3A 3CaX mH2O 式中 X 2价阴离子，为 SO42-、 CO32-,如为 1价阴离子， 则为 Cl-、 OH-等。 m 在完全水化状态下，通常为 3032。 X为其它盐时，在结构上与钙矾石也大致相同， A可被 F 置换 。 18 2）结构 单硫型水化硫铝酸钙也属三方晶系，但呈层状结构。 与 钙矾石相比，单硫酸盐中的结构水少，占总量的 34.7%，但 其密度较大， 达 1.95，所以 当接触到各 种来源 的 SO42-而 转变成钙石时，结构水增加

13、，密度 减小，从而产生相当 的体积 膨胀，是引起硬化水泥浆 体体积变化的一个主要原因。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 19 3）形貌 在水泥浆体中的单硫型水化硫铝酸钙，开始为不规则的 板状，成簇生长或呈花朵状，再逐渐变为发展很好的六 方板状； C4AH13、 C2AH8和 单硫型水化硫铝酸钙等由于结构类 同，都具有 相似的 结晶形态，故单依形貌就很难区分。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 水化 产物的基本特征 各种水化产物的相对含量为： C-S-H凝胶约 70%， Ca(OH)2约 20% ，钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙约 7%，未完全水化的残留 熟料和其他微量组分约

14、3%。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 21 5、孔及其结构特征 1）分类 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 22 浆体 中区别毛细孔与凝胶孔是有用的。毛细孔是存在于 部分水化水泥粒子 之问 的水分蒸发后残留所 致； 凝胶 孔可认为是 C-S-H的 一部分；在扫描电镜照片中看 到 的孔是毛 细孔；凝胶 孔用扫描电镜无法分辨，包含在 被 C-S-H占有 的体积内 。 有 大量的孔隙存在于成熟浆体的 C-S-H内，因孔的尺寸 分布是连续的，故毛细孔与凝胶孔之问尺寸的划分在很 大 程度上是 主观的 。 毛细孔体系是个互相连通的网，其中容积水的流动以及 离子的扩散相对容易进行 。

15、 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 C-S-H中的层间空间 （又称凝胶孔） C-S-H中的层间空间的宽度为 1.8nm，在固体 C-S- H中孔隙率占 28。该尺寸太小不会对水化水泥浆体 的强度和渗透性起不良影响。 但水在这些小孔隙中为氢键所固定，在某些条件下会 移去，可以造成干缩和徐变。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 毛细孔 毛细孔代表未被水化水泥浆固体组分所填充的空间。 水化良好的低水灰比浆体中，毛细孔在 10 50nm范 围内；在高水灰比浆体中，水化早期毛细孔可大至 3 5um。 大于 50nm的毛细孔已被假定为是危害强度和抗渗性 的，而小于 50nm的孔则对干缩

16、和徐变有更大的重要 性。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 气孔 气孔一般呈圆形，而毛细孔则呈不规则形状。 在水化水泥浆体中，陷进的气孔可大至 3mm，对水 泥石强度和抗渗性影响非常大 ； 混凝土 中常常掺入引气剂，其目的是在水泥浆体中 引入非常细小的气孔，引入的气孔大致范围在 50 200um，有利于抗渗性的改善。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 6. 水及其存在形式 结晶水：是各种水化产物结构的整体部分，在干燥时不 会失去。当水化产物受热分解时化学结合水才会放出。 吸附水：细毛细管（ 5 50nm）中毛细张力所固定的 水；固体表面物理吸附水； C-S-H层间为氢键所牢

17、固固 定的水等。失去吸附水将引起水化水泥浆体的收缩。 自由水：在 50nm数量级的大孔中的水，可视为自由 水。失去自由水不会造成任何体积改变。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 为了研究方便，可将水泥 浆体中的水分为可蒸发水和非 蒸发水 。 在 105 或 (用 干冰 -79 )D-干燥 的条件下能除去的水 ，称为 可蒸发水 。它主要是毛 细孔水 、自由水和凝胶水， 还有水化硫铝酸钙和 C-S-H凝胶中一部分结合不牢的结 晶水， 这些水 的比容基本上 为 1.0 cm3/g 。 在 105 或 (用 干冰 -79 )D-干燥 仍 不能除去的水分称 为 非蒸发水 ，有 人称 这部分水为

18、“化学结合水”，实际上 它不是真正的化学结合水，而仅仅代表化学结合水 的一 个 近似值。由于它们已成为晶体结构的一部分，因此比容较 自由水 小，只有 0.73cm3/g。化学结合水比容比自由水 小，是水泥水化过程中体积减缩的主要原因。 6.3 水泥 浆体的凝结硬化及其组成 结构 硅酸盐水泥的性能包括 : 密度 容积密度 细度 凝结时间 泌水性 强度 体积变化 水化热 耐久性 建筑性能 物理性能 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 1、 凝结速度和水化速度 初凝 :水泥浆体失去流动性 和部分可塑性 ,开始凝结 . 终凝 :水泥浆体逐渐硬化 , 完全失去可塑性 ,并具有一 定的机械强度 ,能抵抗一定 的

19、外来压力 . 初凝 时间 :从水泥加水拌 和到水泥初凝所经历的 时间 . 终凝时间 :从水泥加水拌 和到终凝所经历的时间 . 凝结 凝结时间 凝结时间有什么用？ 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 1）、 凝结速度 影响凝结速度的因素 （ 1） 、 矿物组成： C3A 快凝； 快凝是由 C3A造成的 C3S 凝结快 ， 但正常 正常凝结受 C3S的制约 （ 2） 、 熟料矿物和水化产物的结构 ： 晶体 慢冷 快 玻璃体 快冷 正常 凝胶状 能延缓水泥的凝结 。 （ 包裹 ） 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 （ 3）、温度： 温度升高， 水化加快，凝结时间缩 短。（冬、夏） （ 4）、 水灰比 （ 5）

20、、 细度 （ 6）、 外加剂 温度对水泥凝结时间的影响实例 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 2、 石膏的作用及其适宜掺量的确定 1） 、 石膏的作用： 调节凝结时间； （ 缓凝机理 ） 提高早期强度； 降低干缩变形； 改善水泥的性能 。 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 2）、 石膏掺量的确定 （ 1）确定石膏的最佳掺量要同时考虑 : 凝结时间 ； 强度 ；安定 性。 石膏 对水泥凝结时间的影响 水泥强度 与 SO3掺入量的关系 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 （ 2）影响石膏掺量的因素有： A、 石膏的种类： 不同 石膏溶解速度不同 ， 缓凝作用不同 。 如 硬石膏比二水石膏溶解度大 ， 但溶解速度

21、慢 ， 掺量要适当增加 。 一般 硅酸盐水泥 、 普通水泥中石膏掺量以 SO3计 ， 掺量为 1.5%2.5%。 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 B、 熟料中 C3A含量： C3A含量高 ， 石膏掺量应相应增加 ， 反之则减少 。 C、 熟料中 SO3含量 ： 熟料 中 SO3含量高时 ， 要相应减少石膏掺量 。 D、 水泥细度 ： 相同 矿物组成的水泥 ， 细度增大 ， 比表面积增大 ， 水 化加快 ， 应适当增加石膏掺量 。 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 E、 混合材料的品种和掺量： 混合材料不同 ， 石膏掺量不同 。 如混合材料为矿渣时 ， 应多掺石膏 ， 因为石膏是矿渣的活性激发剂 。

22、F、 碱含量： 水泥中碱含量高时 ， 凝结速度加快 ， 石膏应适当多掺 。 实际 生产中影响石膏掺量的因素很多，很难精确计算 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 （ 3）确定最佳掺量的可靠方法 是 强度和有关性能试验。 具体如下 ： 按 不同石膏掺量配制几组试样并磨细 分别测凝结时 间、安定性、强度 找出安定性合格、凝结时间正常 、强度最高的一组即为最佳掺量。 SO3含量在 3.5以下 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 3）、快 凝现象、假凝现象 快凝现象 假凝现象 定 义 水泥加水拌和后，很快出现不可逆 的固化现象。（初凝时间太短） 水泥加水拌和后，在几分钟内既 迅速凝结变硬，经剧烈搅拌后， 又重新恢

23、复塑性的现象。 现 象 很快凝结，不可逆，浆体已产生一 定强度，重新搅拌也不能恢复塑性； 放热量多，温度急剧上升。 很快凝结，可逆，经剧烈搅拌后 浆体可重新恢复塑性，并达到正 常凝结；放热量很少； 对强度无影响，但增加施工难度。 原 因 C3A含量高，或石膏等缓凝剂掺量过 少 1、水泥粉磨时受高温，二水石膏 脱水形成半水石膏 2、碱含量较高 措 施 1、控制 C3A含量 2、掺适量石膏 1、降低水泥磨温度 2、控制水泥中碱含量 3、施工时延长搅拌时间 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 4）、 调凝外加剂： 除石膏外 ， 许多无机盐或有机化合物也可以调节凝结时间 。 通常分为缓凝剂和促凝剂 (早强剂

24、 )两种 。 A 缓凝剂： 能延缓凝结时间 ， 并对后期强度发展无不利影响的 外加剂 。 缓凝剂主要有四类： 糖类 ， 如糖钙等； 木质素磺酸盐类 ， 如木质素磺酸钙 、 木质素磺酸钠等； 羟基羟酸及其盐类 ， 如柠檬酸 、 酒石酸钾钠等； 无机盐类 ， 如锌盐 、 硼酸盐 、 磷酸盐等 。 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 适用范围 主要适用于大体积的混凝土和炎热气候下施工， 以及需长时间停放或长距离运输的混凝土。 缓凝剂不宜用于日最低气温 5 以下施工的混凝 土，也不宜单独用于有早强要求的混凝土及蒸养 混凝土。 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 B 促凝剂 指减少水泥浆由塑性变为固态所需时间 ，

25、提高早 期强度 ， 并对后期强度无显著影响的外加剂 。 促凝剂主要有三类： 氯盐类 ， 如氯化钙 、 氯化钠等； 硫酸盐类 ， 如硫酸钠 、 硫代硫酸钠等； 有机胺类 ， 如三乙醇胺 、 三异丙醇胺等； 但 CaCl2会使钢筋锈蚀 。 常与阻锈剂亚硝酸钠复合使用 。 Na2S04与 CH作用 生成强碱 NaOH， 易与活性 集料中发生碱集 料反应 。 但三乙醇胺 掺过多 反而会造成混凝土严重缓凝和强度 下降 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 适用范围 促凝剂可以在常温、低温、负温（不低于 5 ）条件下 加速混凝土的硬化过程，多用于冬季施工和抢修工程。 注意 事项 在实际生产中，使用调凝剂时应注意其

26、掺量及其对水泥性 能的影响等问题。 在选择外加剂和其适宜的掺量时，应根据工程需要，现场 的材料条件，参考有关资料，通过试验确定。 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 3、强度 1）、 形成： 水化、凝结、硬化 2） 、表达方式： (单位： MPa） 按龄期不同分： 抗压强度 抗折强度 早期强度：指 28d以前 的强度 后期强度：指 28d及以后 的强度。 如 1d 3d 7d强度 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 3）、影响 水泥强度的因素 熟料 的矿物 组成 水泥 的细度 ： 施工 条件： 水灰比 ： 骨料 级配： 搅拌 振捣的程度： 养护 温度和湿度： 外加剂 的使用： 6.4 硅酸盐水泥 的 性能

27、 养护对水泥强度发展的影响 4、 体积 变化与水化 热 1） 、 体积 变化 水泥浆体在硬化过程中产生的体积变化有： 化学减缩 湿胀干缩 碳化收缩 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 （ 1） 化学减缩： A、 定义 ： 水泥 在水化硬化过程 中 ， 无水的熟料矿物转变 为水化产物 ， 固相体积大 大增加 ， 而水泥浆体的总 体积却在不断缩小 ， 由于 这种体积减缩是化学反应 所致 ， 故称 化学减缩 。 B、 减缩量： 水泥 熟料的减缩大小 顺序： C3A C4AF C3S C2S 水泥 的化学减缩 量常 与 C3A 量 成线性关系 ， 一般 100g水 泥水化的减缩量为 79cm3。 若每 m3

28、混凝土用水泥 300kg ， 则减缩量将达到 （ 2127 ） 103cm3。 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 以 C3S的水化反应为例： 2(C3S) + 6H = C-S-H + 3CH 密 度 3.14 1.00 2.44 2.23 摩尔质量 228.23 18.02 342.48 74.10 摩尔体积 72.71 18.02 140.40 33.23 体系 中体积 145.42 108.12 140.40 99.69 253.54 240.09 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 （ 2） 湿胀干缩 现象 ： 硬化 水泥浆体的体积随 其含水量而变化 。 浆体结构 含水量增加时 ， 其中凝胶粒

29、子由于分子吸附作用而分开 ， 导致体积膨胀 ， 如果含水 量减少 ， 则会使体积收缩 。 影响因素 ： C3A的含量： C3A含量增加 ， 硬化浆体的 干缩提高 。 石膏 掺量： 水灰比 ： 一般早期干缩发 展较快 ， 但水灰比对其影 响不大 ， 28d后 ， 干缩随 水灰比减小而明显降低 。 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 湿 胀干缩示意图 水灰比 对水泥浆体干缩的影 响 水泥 浆体干缩率随时间的 变化 1 C3A4%； 2 C3A6%； 3 C3A8% （ 3） 碳化收缩： 定义 ： 在一定的相对 湿度 下 ， 硬化水泥浆体中的水化产 物如 Ca(OH)2、 C-S-H等 会与空气中的 CO

30、2作用 ， 生成 CaCO3和 H2O， 造成硬化浆体的体积减少 ， 出现不可逆的 收缩现象 ， 称为 碳化收缩 。 反应式 ： Ca(OH)2 +CO2 = CaCO3+ H2O 3CaO 2SiO2 3H2O+CO2=CaCO3+2(CaOSiO 2H 2O) + H2O 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 反应 速度： 一般 在大气中，碳化速度 很慢 ，且只在表面进行， 大约在一年后才会在硬化水泥浆体表面产生微裂缝，只 影响外观质量，不影响强度。 体积变化，均匀性 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 2）、 水化热： 定义 ： 水泥 水化时会放出热 量 。 水化过程中所放出的热 量 ， 称为水泥的水

31、化热 。 危害 ： 水化 热对冬季施工有利 。 在 大体积混凝土工程中 ， 因混凝土 的热传导率低 ， 水化 放出的热量聚集在混凝土内部 不易散失 ， 使其内部温度升高 ， 导致混凝土结构内外温差较 大而产生应力 ， 致使混凝土结 构不均匀膨胀而产生裂缝 ， 给 工程带来严重的危害 。 有利有害？ 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 影响因素 熟料 矿物组成 ： C3A C3S C4AF C2S 熟料 矿物固溶状态： 同一熟料矿物呈玻璃态时水化热小 ， 呈晶体态时水化热大 。 熟料 煅烧与冷却制度： 冷却速度越快 ， 玻璃体含量越高 ， 水化热越小 。 水泥 细度： 细度主要影响水化时的放热速度 ，

32、 水泥越细 ， 放热速度越快 。 水灰比 ： 养护 温度： 水泥 储存时间 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 C3A 含量对水泥水化热的影响 （ C3S%基本相同 ） C3S 含量对水泥水化热的影响 （ C3A %基本相同 ） 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 以下是 A、 B两种硅酸盐水泥熟料矿物组成百 分比含量，请分析 A、 B两种硅酸盐水泥的早期 强度及水化热的差别。 矿物组成 C3S/ C2S/ C3A/ C4AF/ A水泥 60 15 16 9 B水泥 47 28 10 15 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 挡墙开裂与水泥的选用 某大体积的混凝土工 程，浇注两周后拆模，发现挡墙有多道贯穿型 的

33、纵向裂缝。该工程使用某立窑水泥厂生产 42.5 型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下： C3S 61； C2S 14； C3A 14； C4AF 11。 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 5、硅酸盐水泥 的耐久性 耐久性： 硬化水泥浆体结构在 一定环境条件 下长期保 持 稳定质量 和 使用功能 的性质 。 影响耐久性的因素： 抗渗性 抗冻性 抗蚀性 碱集料反应等。 如何评定耐久性 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 1）、 抗渗性 定义： 硬化 水泥石或混凝土抵抗各种有害介质渗透的能力 。 有害介质主要有： 流动水 、 溶液 、 气体 等 孔隙和裂缝（ 连通） 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 抗渗性的大小以渗

34、透系数 K表 示抗渗性的高低， K值越小越好 。 孔隙 大小： K r 2 空隙率 ： K 可见，渗透系数主要决定于毛 细孔率的大小，尤其是大毛细孔。 影响因素 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 孔隙那里来？ 施工 振捣不密实 水泥浆 中多余水分的蒸发而留下的气孔 水泥浆 泌水所形成的毛细孔 粗 骨料下部界面水富集所形成的孔穴 水化 不充分 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 影响水泥石孔隙率及孔径大小的因素主要有： 水灰比 ： 水灰比越大 ， 孔隙 率越大 ， 孔径尺寸越大 ， 渗 透系数越大 。 一般 认为 ， 水 灰比在 0.5以下时 ， 硬化水 泥浆体的抗渗性较好 。 水泥 水化程度 （ 即水化

35、龄 期 ） ： 龄期 越长 ， 渗透系数 越小 。 养护 条件 （ 温度湿度 ） 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 提高 抗渗性的措施 适当 降低水灰比 选用 适当的骨料 施工 中加强振捣 ， 采用适宜的养护制度 。 外加剂 （ 减水剂 ， 引气剂 ） 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 2）抗 冻性（ -15 和 20 季节交替，北方） 定义 ： 硬化水泥浆体抵 抗冻融循环的能力。 危害 ： 冻融循环是寒冷 地区 混凝土破坏 的主要 原因之一。 原理： 材料有孔且孔隙含水 水 冰体积膨胀 9，结冰压力 高达 100MPa 结冰压力超过材料的抗拉强度 时，材料开裂 裂缝的增加也进一步增加了材 料的饱水程

36、度 饱水程度的增加进一步加剧了 冻融破坏 反复多次进一步加剧最终 材料崩溃 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 化合水： 不结冰 吸附水： 硬化水泥浆体中水的形式： 结冰，影响抗冻性 自由水： 凝胶水： 毛细水： -78 才结冰 可见，硬化水泥浆体中水的冰点受水成分和孔径大小 的影响，孔径越小，冰点越低。 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 抗 冻性的表示方法： 以 试块能经受 -15 和 20 的循环冻融而 抗压强度 损失率 25%， 质量损失率 5%时 的最高冻融循环次数表 示。次数越多，抗冻性越好 。 F10 、 F15、 F25、 F50、 F100、 F150、 F200、 F250和 F300

37、 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 影响 抗冻性的因素： 矿物 组成： 水泥强度 ： 水灰比 ： 增加 C3S含量，适当增 加水泥中石膏掺入量， 可以改善抗冻性。 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 矿物 组成： 水泥强度 ： 水灰比 ： 其他条件相同时，水 泥的强度越高，浆体 抵抗结冰时膨胀应力 的能力就越强，其抗 冻性越好。 影响 抗冻性的因素： 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 矿物 组成： 水泥强度 ： 水灰比 ： 水灰比越小，硬化水泥浆 体中毛细孔率越小，孔径 尺寸越小，抗冻性越好。 影响 抗冻性的因素： 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 3）、 环境介质的侵蚀 对水泥耐久性 有害的环境介 质主要有：

38、 淡水 酸和酸性水 硫酸盐溶液和碱溶液 为什么水泥会被淡水侵蚀？ 结构受到破坏，强度降低 结果 表现形式 体积膨胀膨胀型腐蚀 体积收缩溶出型腐蚀 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 雨水、雪水、内陆河水、湖水 腐蚀机理： 1.3g/L 长期饱水水泥石中 Ca(OH)2晶体逐渐溶出； 在静水、无水压下溶液饱和溶解作用停止； 在有压、流动的水下 Ca(OH)2不断溶出并带走并引 起在一定碱度下稳定的 C-S-H的分解溶出水泥石崩溃； 淡水侵蚀（又称溶出侵蚀）： 水泥石中的孔缝系统，产生有害介质的侵蚀、交换作用。 对抗渗性较好的水泥石溶出侵蚀很慢，可忽略。 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 碳酸腐蚀工业污水、

39、地下水 Ca(OH)2+CO2+H2O CaCO3+2H2O CaCO3+CO2+H2O Ca(HCO3)2 一般酸的腐蚀工业建筑 HCl+ Ca(OH)2 CaCl+2H2O H2SO4+ Ca(OH)2 CaSO4.2H2O 酸和酸性水侵蚀又称溶析和化学溶解双重侵蚀） 是 不 是 所 有 的 酸 都 具 有 侵 蚀 作 用 ？ 无机酸：盐酸、硝酸等： 形成 可溶 性钙盐，侵蚀性强。 磷酸： 形成 不溶 性的钙盐，侵蚀慢。 有机酸： 整体侵蚀程度不如无机酸强烈。其中 醋酸、蚁酸、乳酸： 形成 易溶 钙盐， 草酸： 形成不溶性钙盐。 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 硫酸 盐侵蚀（又称膨胀侵蚀）

40、2243224232 )(31.3.320312.4 OHCaOHC a S OOAlC a OOHC a S OOHOAlC a O Ca(OH)2+Na2SO410H2OCaS0 42H20+2NaOH+8H2O 析晶，体积增大 114%，（石膏侵蚀） 如果不析晶，发生 如下反应 （硫铝酸盐侵蚀） 镁盐腐蚀双重腐蚀 MgSO4+Ca(OH)2 CaSO4.2H2O+Mg(OH)2 Mg2+还会进入水化硅酸钙凝胶，使其胶结性能变差。 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 4）、碱 集料反应 碱集料反应是指当水泥 碱含量高 时 ， 在 有水 存在的 条件下 ， 水泥中的 碱 与集料中的某些 活性物质

41、发生 化学反应 ， 从而导致水泥石产生 膨胀 开裂而破坏的 现象 。 碱 氧化硅反应 碱 碳酸盐反应 碱 硅酸盐反应 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 碱 氧化硅反应 水泥中碱含量较高 （ R2O 0.6%） ， 而同时集料中又含有 活性 SiO2时 ， 碱会与集料中的活性 SiO2反应 ， 形成碱性 硅酸盐凝胶 。 反应式如下： 活性 SiO2+2mNaOHmNa 2OSiO 2nH 2O 反应生成的 碱性硅酸盐凝胶 有相当强的吸水能力 ， 在积 聚水分的过程中产生膨胀而将硬化浆体结构胀裂破坏 。 上述反应通常很慢 ， 要 经相当 长的时间后才明显出现 。 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 水泥 中

42、碱含量； 活性 集料 含量 及粒径； 水 含量 影响因素： 防止碱集料反应的 措施 ： （ 1） 尽量降低水泥中碱含量； （ 2） 采取适当粒径的集料； （ 3） 降低活性集料的含量； （ 4） 根据实际掺加适量活性 SiO2粉或火山灰 、 粉煤灰等 。 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 一个不透水，但存在非 连续微裂缝，且多孔的 水泥石 结构 环境作用（第一阶段） （无可见损伤） 1. 侵蚀作用 （冷热循环、干湿循环） 2. 荷载作用 （循环荷载、冲击荷载 ） 由于微裂缝和孔隙 连通起来，不透水性逐 渐丧失 环境作用（第二阶段） （损伤的开始与扩展） 水的渗入 O2、 CO2渗入 酸性离子 （ Cl- 、 SO4-)渗入 因为以下原因使孔隙内静水 压力增大，导致 水泥石 膨 胀：碱 -骨料反应 水结冰、硫酸盐侵蚀 混凝土强度与刚度降低 开裂、剥落与整体性丧失 水泥石耐久性降低的原因 孔隙 水、酸、碱、盐 Ca(OH)2和介稳的水化硫铝酸钙、碱 水泥石耐久性降低的原因 6.4 硅酸盐水泥 的 性能 5）、 改善水泥石耐久性的途径 1、 选择适当组成的水泥； 2、 掺适量混合材料； 3、 提高施工质量； 4、 进行表面处理 表面化学处理： 表面涂覆和贴面处理 表面碳化处理 表面用硅酸钠 或氟硅酸盐的 水溶液处理 6.4 硅酸盐水泥 的 性能