CDP--3无机胶凝材料

1、School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology土木工程材料土木工程材料（无机胶凝材料）（无机胶凝材料）School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology掌握：胶凝材料的定义、分类；建筑石灰、 石膏、水泥技术要求、性质熟悉：石灰的凝结，石膏的熟化、硬化和应用;水泥的水化、凝结了解：石灰的生产、石灰的品种 本章教学目标School of Architectural and Civil Engine

2、eringAnhui University of Technology本章内容u胶凝材料及其分类u建筑石膏u石灰u水玻璃u水泥School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology胶凝材料u定义：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。u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。Cementitous materialsSchool of Architectural and Civil Eng

3、ineeringAnhui University of Technology胶凝材料分类School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology气硬性与水硬性胶凝材料的特点u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！u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！School of Architectural and Civil EngineeringAnhui

4、University of Technology石膏的组成与结构u石膏的矿物组成： CaSO4xH2OX为结晶水为结晶水H2Ox0，硬石膏(无水石膏)x0.5 ，熟石膏(半水石膏)x2，生石膏(二水石膏)u石膏胶凝材料的组成： CaSO4 0.5H2O或或CaSO4 。u石膏是晶体结构二水石膏晶体形貌半水石膏晶体形貌School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of TechnologyCaSO42H2O石膏的生产CC 170110生石膏工业石膏MPaC13. 0,125建筑石膏(半水石膏)OHOHCaSO22421

5、121高强石膏(半水石膏)CC 800200C800(有胶凝性的)无水石膏CC 200170(无胶凝性的)无水石膏煅烧石膏(地板石膏)School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology生产工艺与产品的组成CaSO42H2O 120180C干燥空气125180C水蒸气 -CaSO4 0.5H2O -CaSO4 0.5H2O -CaSO4()可溶 -CaSO4()可溶200360C 200360C 400800C400800CCaSO4()不溶 8001180CCaSO4()不溶CaO非密闭煅烧工艺

6、及其产品组成密闭蒸炼工艺及其产品组成School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology建筑石膏的凝结硬化u凝结硬化过程中的水化反应：凝结硬化过程中的水化反应： CaSO4 0.5H2O 1.5H2O CaSO42H2OQ 即：石膏的水化反应是由二水石膏制备半水石膏的逆反应即：石膏的水化反应是由二水石膏制备半水石膏的逆反应u凝结硬化机理凝结硬化机理“溶解沉淀理论溶解沉淀理论”l 溶解溶解l 沉淀沉淀l 硬化硬化 半水石膏的溶解度(8.16g/L)大于二水石膏(2.05g/L)，因此，前者在水中不断

7、溶解，生成Ca2+、SO42-离子的饱和溶液半水石膏的饱和溶液，对于二水石膏是过饱和溶液，后者不断结晶沉淀。 二水石膏晶体不断生长、连生、交错，构成晶体颗粒堆聚的结晶结构网School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology凝结硬化的物理化学过程 水化初期：二水石膏晶体较少随着水化反应进行二水石膏晶体量石膏硬化体中晶体堆积体School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology建筑石膏的特性School

8、 of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology建筑石膏及其制品的性质u建筑石膏的技术要求(GB977688)：密度：密度：2.502.70;强度：抗折强度、抗压强度强度：抗折强度、抗压强度; 细度：细度：0.2mm方孔筛筛余方孔筛筛余; 凝结时间：初凝、终凝时间凝结时间：初凝、终凝时间;u石膏硬化体及制品的特性：表观密度较小：表观密度较小：1.0孔隙率较大孔隙率较大强度较低强度较低耐水性和抗冻性较差耐水性和抗冻性较差防火性较好防火性较好隔热性和吸声性良好隔热性和吸声性良好装饰性装饰性 School of

9、 Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology建筑石膏的应用 School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology石灰的组成与品种u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；u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School of Architectural and

10、Civil EngineeringAnhui University of Technology如何解决它的危害？石灰的生产School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology制备工艺与产品石灰石10001200C磨细生石灰粉生石灰水喷淋熟石灰粉(水)化灰池石灰浆浓缩石灰膏陈伏煅烧温度较低，时间较短时 欠火石灰煅烧温度较高，时间较长时 过火石灰减轻或消除过火石灰的危害School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Te

11、chnologykjOHCaOHCaO8 .64)(22水化过程中体积增大1-2.5倍，迅速放出大量热生石灰+水熟石灰工程上使用的石灰大都是熟石灰，有时需要使用石灰膏，有时使用熟石灰粉。School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology熟化为石灰膏：将生石灰放入水中，注意水要过量池中透明液体为氢氧化钙饱和溶液，下部沉淀即为熟石灰生石灰要在水中放置两周以上，此过程即为“陈伏”。在这段时间里生石灰会完全和水反应，不会因含有过火石灰造成熟化推迟而导致墙面鼓泡的现象。熟化为熟石灰粉：将生石灰块分层堆放淋

12、水，使石灰充分熟化，又不会过湿成团，此时得到的产品就是熟石灰粉。School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology石灰的硬化结晶和碳化两个过程同时进行，但极为缓慢。碳化过程长时间只限于表面，结晶过程主要在内部发生。School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology石灰的技术要求有效成分含量未消化残渣含量生石灰的技术要求欠火程度产浆量有效成分含量游离水含量熟石灰粉的技术要求体积安定性细度School

13、 of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology可塑性好和保水性好吸湿性好凝结硬化慢Ca(OH)2粒子表面可以吸附水膜生石灰可以用来做干燥剂强度低体积收缩大耐水性差石灰硬化收缩产生的裂缝石灰砂浆墙面因受潮而脱落School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology石灰的应用三合土用作铺筑步道砖的垫层三合土用作铺筑步道砖的垫层三三合合土土桩桩灰灰土土桩桩 配制石灰砂浆、石灰乳 配制石灰土、三合土 生产碳化石灰板

14、加固含水的软土地基School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technologyu什么是水玻璃？什么是水玻璃？ 碱金属硅酸盐的水溶液：碱金属硅酸盐的水溶液： R2O nSiO2 + H2O 其中其中R=Na、Ku什么是水玻璃的模数？什么是水玻璃的模数？ n: 氧化硅氧化硅SiO2与碱金属氧化物与碱金属氧化物R2O的摩尔比。的摩尔比。u模数对水玻璃性能的影响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。模数越大，粘度与粘结力越大，耐水性越好。u水玻璃的制备方法：水玻璃的制备方法： 湿法：湿法

15、： R2OnSiO2 + H2O 水玻璃水玻璃 干法：干法： R2OnSiO2 R2O nSiO2 R2O nSiO2 + H2O 水玻璃水玻璃School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technologyu水玻璃硬化过程水玻璃硬化过程 水玻璃与空气中的水玻璃与空气中的CO2反应，生成无定型的硅酸凝胶，反应，生成无定型的硅酸凝胶，随着水分挥发干燥，硅酸凝胶转变成随着水分挥发干燥，硅酸凝胶转变成SiO2而硬化。而硬化。u水玻璃的促硬剂：氟硅酸钠水玻璃的促硬剂：氟硅酸钠 其原理是氟硅酸钠加速水玻璃中硅酸凝胶的析

16、出和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。的形成。u水玻璃的特性水玻璃的特性 良好的胶结能力良好的胶结能力 耐热性好、不燃烧耐热性好、不燃烧 较好的耐酸性能较好的耐酸性能 耐水性和耐碱性差耐水性和耐碱性差School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology水玻璃硬化过程水玻璃硬化过程水玻璃溶液水玻璃溶液 硅酸凝胶硅酸凝胶 二氧化硅玻璃体二氧化硅玻璃体RSiO4-4RRSiO4-4RRRRRH4SiO4H4SiO4H4SiO4H4SiO4RCO3SiO2SiO2SiO2SiO2

17、R2CO3酸 化脱水交联School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technologyu水玻璃在建筑上应用水玻璃在建筑上应用u 配制耐酸混凝土与砂浆配制耐酸混凝土与砂浆u 配制耐热混凝土与砂浆配制耐热混凝土与砂浆u 配制快凝防水剂配制快凝防水剂u 加固地基基础加固地基基础School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology水泥概述 u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。

18、u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、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technologyu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。u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

19、。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。水泥概述 School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technologyu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。u水泥的种类有哪些？硅酸盐系水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥掺混合材硅酸盐水泥特性硅酸盐水泥 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。 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。u硅酸

20、盐系水泥品种 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥； 掺混合材的硅酸盐水泥 特性硅酸盐水泥u硅酸盐水泥有P和P两类，后者含有混合材。 水泥概述 School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology水泥在土木工程中的重要作用u水泥是当今产量与用量最大的土木工程材料！u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！u水泥的性能和正确选用对土木工程的功能与质量至关重要！School of Architectural and Civil EngineeringAnhui Unive

21、rsity of Technology主 要 内 容u硅酸盐水泥硅酸盐水泥是怎样制造的？硅酸盐水泥的组成？水泥浆如何转变成坚硬固体？水泥应满足哪些技术性质？u掺混合材的硅酸盐水泥u其它品种水泥u重点论述硅酸盐系水泥的矿物组成、凝结硬化机理和基本性质及其检测方法，以及硅酸盐水泥的应用。 凡由硅酸盐水泥熟料、05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，称为硅酸盐水泥硅酸盐水泥(即国外通称的Portland Cement). 分为：P和PSchool of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technolog

22、yu原原 料：料：硅质：粘土，硅质：粘土，(SiO2、Al2O3)， 占占1/3 钙质：石灰石、白垩等，钙质：石灰石、白垩等，(CaO)，占占2/3调节原料：铁矿与砂调节原料：铁矿与砂，调节与补充，调节与补充Fe2O3 与与SiO2u制造工艺：制造工艺：原料经原料经粉磨粉磨混合后得到混合后得到水泥生料水泥生料生料经窑内生料经窑内煅烧煅烧得到得到水泥熟料水泥熟料水泥熟料石膏水泥熟料石膏(或再混合材）一起经或再混合材）一起经粉磨粉磨混合混合后得到后得到水泥水泥“两磨一烧”水泥生料可以是：u 与水混合成浆体湿法工艺u 加少量水制成料球半干法工艺u 加稍多水制成湿球半湿法工艺u 干粉混合物干法工艺硅酸

23、盐水泥的生产School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology硅质(粘土)钙 质(石灰石)1450调节原料石膏石膏石膏石膏水水 泥泥生生 料料熟熟 料料混合材混合材水泥制造的“两磨一烧”工艺流程粉粉 磨磨煅煅 烧烧粉粉 磨磨 原料采掘原料采掘原料磨细原料磨细原料混合原料混合反应物产物反应物产物中间产物中间产物预热器回转窑产产 物物熟料冷却熟料冷却熟料储存熟料储存硅酸盐水泥熟料制造工艺流程School of Architectural and Civil EngineeringAnhui Univ

24、ersity of Technology硅酸盐水泥的组成u硅酸盐水泥熟料 Clinkersu石膏(CaSO42H2O) Gypsumu混合材(矿渣或石灰石粉末) Mineral Additivesu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；降低水泥成本必要组分熟料又是如何组成的呢？School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology矿物名称英文名称缩写分子式矿 物 式硅酸三钙AliteC3SCa3SiO53CaOSiO2硅酸二钙BeliteC

25、2SCa2SiO42CaOSiO2铝酸三钙AluminateC3ACa3Al2O63CaOAl2O3铁铝酸四钙FerriteC4AFCa2(Al,Fe)2O54CaOAl2O3Fe2O3含 量(mass%)376015377151018u化学组成：化学组成：主要成分：主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)， Al2O3(=A)， Fe2O3(=F)少量杂质：少量杂质：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。等。u矿物组成：矿物组成： 硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：硅酸盐水泥熟料的组成School of Architectural and Civil

26、EngineeringAnhui University of Technology水泥颗粒宏观形貌水泥颗粒的结构水泥熟料颗粒细观形貌水泥熟料矿物微观结构School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology 硅酸盐水泥的品种及矿物含量C3S 48 65 31 42C2S 24 11 40 34C3A 13 8 12 2C4AF 9 9 12 15 特点： 普通 早强 低热 抗硫酸盐 A B C D CaO 66 67 64 64 SiO2 21 21 22 23 Al2O3 7 5 7 4 Fe2O

27、3 3 3 4 5 f-CaO 1 1 1 1 SO3 2 2 2 2School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology水泥的水化和凝结硬化 水泥浆通过水泥熟料矿物的水化反应、浆体的凝结硬化过程变成坚硬固体u凝结水泥与水混合形成可塑浆体，随着时间推移、可塑性下降，但还不具备强度，此过程即为“凝结”；u硬化随后浆体失去可塑性，强度逐渐增长，形成坚硬固体，这个过程即为“硬化”。 水泥浆体转变成坚硬固体的过程是一个复杂的物理化学变化过程。School of Architectural and Civi

28、l EngineeringAnhui University of Technology水泥的水化和凝结硬化u水泥与水能发生化学反应水泥与水能发生化学反应水化反应；水化反应；u水化反应将结合占水泥质量水化反应将结合占水泥质量30左右的拌和水；左右的拌和水；u水化反应的产物水化反应的产物水化物水化物能相互凝聚成三向网络结构能相互凝聚成三向网络结构很大的表面能，而且相互间有很强的次价键力。很大的表面能，而且相互间有很强的次价键力。u化学过程水泥熟料矿物的水化反应u物理过程水泥浆的凝结硬化u水泥浆凝结硬化的影响因素u硬化水泥浆的组成与结构 School of Architectural and Civ

29、il EngineeringAnhui University of Technology水泥熟料矿物的水化反应u特征：水泥熟料颗粒中的四种主要矿物同时进行水化反应；其水化反应均是放热反应；水化反应是固液异相反应。u反应速度序列：半水石膏CaSO40.5H2O和游离氧化钙f-CaO的水化铝酸三钙C3A的水化铁铝酸四钙C4AF的水化硅酸三钙C3S的水化硅酸二钙 - C2S的水化来自水泥粉磨过程中二水石膏的脱水分解：CaSO42H2O CaSO40.5H2O+1.5H2OSchool of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of

30、TechnologyC3S与- C2S的水化u水化生成水化硅酸钙C3S2H3C-S-H凝胶和Ca(OH)2,并放热 硅酸三钙：2C3S + 6H C3S2H3 + 3CH + 120cal/g 硅酸二钙：2C2S + 4H C3S2H3 + CH + 62cal/g (C-S-H ) + 羟钙石u特征：形成相同的水化物组成不确定的C-S-H凝胶，组成为： CaxH6-2xSi2O7.zCa(OH)2 nH2O(x, z与温度、水灰比有关) 其中钙硅比(C/S)： CaO/SiO2 = (xz)/2 C3S反应速度比C2S快，其放热量比C2S大。u水化机理溶液中反应固相颗粒表面的局部反应。水化度

31、水化度水化时间（天）水化时间（天）School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology溶液中的反应u机理：溶解机理：溶解 扩散扩散 沉淀沉淀离子在水中的扩散C3S表面离子水化弱化晶体中的化学键，增加pH值水化产物成核CSH析出、凝聚、脱水离开水相，形成凝胶，CH结晶生长School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology表面局部反应u机理：颗粒表面水化物层的形成与扩散 水化物层在固液界面上形成，并不断

32、增厚颗粒表面离子的水化和水解C-S-H的成核Ca(OH)2的成核和生长School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of TechnologyCSH凝胶体结构水化硅酸钙的形成重新排列和凝聚后的凝胶体结构School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology硅酸钙矿物颗粒的电镜照片硅酸钙矿物颗粒的电镜照片硅酸钙矿物水化后的电镜照片硅酸钙矿物水化后的电镜照片硅酸钙矿物水化物的特征硅酸钙的水化产物C-S-H与Ca(OH)Scho

33、ol of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of TechnologySummarySummaryu硅酸钙的水化2C3S + 6H C3S2H3 + 3CH + 120cal/g2C2S + 4H C3S2H3 + CH + 62cal/g C-S-H + 羟钙石羟钙石u铝酸钙的水化C3A + 18H2O C2AH8 + C4AH13 C3AH6C3AH6+ 3CH2+20H C3A3C3H32 （钙钒石）（钙钒石）C3A+ C3A3C3H32 +4H C3AC3H12u铁铝酸钙的水化C4AF + 13H C4(A,F)H

34、13 C4AF + 3CH2+26H C3(A,F)3C3H32 C4AF + CH2+26H C3(A,F)C3H12水泥的水化过程：u当水泥颗粒分散在水中，石膏和熟料矿物溶解进入溶液中，液相被各种离子饱和；u几分钟内，Ca2、SO4 、 Al3 、 OH离子间反应，形成钙钒石；u几小时后，Ca(OH)2晶体和硅酸钙水化物C-S-H开始填充原来由水占据、并溶解熟料矿物的空间；u几天后，因石膏量不足，钙钒石开始分解，单硫型硫铝酸钙水化物开始形成。u此后，水化物不断形成，不断填充孔隙或空隙。u石膏的作用：避免水泥浆的闪凝和假凝现象;导致钙钒石和单硫型硫铝酸钙水化物的形成。School of Ar

35、chitectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology水 泥水 溶 解沉 淀水泥浆的凝结硬化过程扩 散水泥浆的凝结硬化物理过程School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology单一水泥颗粒在大量水中的水化过程模型新拌1小时后数小时后几天后几周后拌合水未水化的核水化物CSHCa(OH)2晶体School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Tech

36、nology水泥颗粒水泥颗粒水水水泥颗粒分散在水中形成水泥浆体硅酸盐水泥水化物理过程模型水泥水化物膜层水泥水化物膜层水泥颗粒的水化从表面开始，在表面形成水化物膜层诱导期水化物膜层随水化时间向内不断增厚，进入潜伏期。在渗透压的作用下，膜层破裂、扩展，占据原来被水占据的空间，进入凝结期。凝结期：水化物不断填充被水占据的空间，成为连续相，拌和水不断减少，并被水化物分割成非连续相。随着水泥颗粒的不断水化，水化物不断填充毛细孔和水所占据的空间，固体相成为连续相，并具有一定强度。进入硬化期。School of Architectural and Civil EngineeringAnhui Univers

37、ity of Technologyu先在固液界面发生，水化物围绕每颗水泥颗粒未水化的内核区域沉积；u早期水化物在颗粒上形成表面膜层，阻碍了进一步反应进入潜伏期；u因渗透压或Ca(OH)2的结晶或二者，水化物膜层破裂，导致水化继续迅速进行进入水化的加速期；u随着水化的不断进行，水占据的空间越来越少，水化物越来越多，水化物颗粒逐渐接近，构成较疏松的空间网状结构，水泥浆失去流动性，可塑性降低凝结；u由于水泥内核的继续水化，水化物不断填充结构网中的毛细孔隙，使之越来越致密，空隙越来越少，水化物颗粒间作用增强，导致浆体完全失去可塑性，并产生强度硬化。水泥浆凝结硬化的物理过程School of Archi

38、tectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology熟料矿物水化物量随时间的增长情况 随着水泥的水化，水化产物量不断增加，水化物固相所占据的空间越来越多，而原来由水占据的空间越来越少，固体连续相逐渐形成。School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technologylyj040224 opc10 water3 (2021-2-24)dQ/dtQ(t)J/ghJ/g024681012141618202224262830323436384042

39、4446485052545658606264666870727476-1.50-1.00-0.500.000.501.001.502.002.503.003.504.004.505.005.506.006.507.007.508.008.509.009.5010.0010.5011.00-10.000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.00100.00110.00120.00130.00140.00150.00160.00170.00180.00190.00200.00210.00220.00初初始始放放热热峰峰放热主峰放热主峰放热速度逐

40、渐减慢实测的水泥水化放热全曲线放热速度很低School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology水灰比水灰比0.55的水泥浆水化的水泥浆水化1天天黑色箭头指示部分水化物壳层；黑色箭头指示部分水化物壳层；白色箭头指示完全水化物白色箭头指示完全水化物壳层。壳层。水泥浆凝结硬化过程的微观观察a: C3Sb: C2S 水灰比水灰比0.55的水泥浆水化的水泥浆水化9个月个月I,：C-S-H内产物相内产物相; A：铁相：铁相/CH; B：水化：水化 belite;白色箭头指示完全水化物壳层白色箭头指示完全水化物

41、壳层School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology水泥浆中氢氧化钙的生长3 天7 天28 天365 天School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology应用水泥凝结硬化机理分析与解答问题u水泥生产中为什么掺加石膏？C3A在水中溶解度大，反应很快，引起水泥浆闪凝；水泥的凝结速度取决于水泥浆体中水化物凝胶微粒的聚集，Al3对凝胶微粒聚集有促进作用；石膏与C3A反应形成难溶的硫铝酸钙水化物，反应速度

42、减缓，并减少了溶液中的Al3浓度，延缓了水泥浆的凝结速度。u为什么水泥硬化后能产生强度？水泥浆体硬化后转变为越来越致密的固体；在浆体硬化过程中，随着水泥矿物的水化，比表面较大的水化物颗粒不断增多，颗粒间相互作用力不断增强，产生的强度越来越高。 School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technologyu水泥浆体强度的增长规律是什么？ 水泥浆体的强度随龄期而逐渐增长，早期增长快，后期增长较慢，但是只要维持一定的温度和湿度，其强度可在相当长的时期内增长。这与水泥矿物的水化反应规律是一致的。u为什么强度发展与

43、环境温、湿度有关？ 水泥的水化需要水，如果没有水，水泥的水化就将停止；提高温度可加快水泥的凝结硬化，而降低温度就会减缓水泥的凝结硬化。u为什么水泥的储存与运输时应防止受潮？ 水泥受潮，因表面水化结块，丧失凝胶能力，强度大为降低。 应用水泥凝结硬化机理分析与解答问题School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology（1）水泥矿物组成）水泥矿物组成（2）水泥细度）水泥细度（3）养护条件（温度、湿度）与时间）养护条件（温度、湿度）与时间 （4）拌合用水量）拌合用水量（5）水泥中的混合材）水泥中的混合材

44、（6）水泥外加剂）水泥外加剂水泥凝结硬化的主要影响因素 水泥浆的凝结硬化取决于水泥的水化，水泥水化速度是矿物组成及其含量、粉磨细度、温度和水灰比的函数： R(t) = f(C3S)f(细度细度)f(T)f(W/C)School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology水泥熟料中单一矿物的水化速度水化度()时间(天)水泥熟料矿物组成的影响u水泥熟料矿物的水化速度： C3A C3ACaSO42H2O C3S C4AF C2Su水泥的C3A和C3S含量越高，凝结硬化速度越快；u水泥的C3A和C3S含量越低

45、，凝结硬化速度越慢；School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology石膏掺量的影响u石膏主要降低C3A的水化速度；u掺量太少，凝结较快；u过多，凝结硬化影响不大。石膏掺量对C3A浆体(水/固比1.0)水化速度(放热量)的影响放热速度(W/kg)试时间(h)石膏掺量增加： 放热速度减慢 放热峰延后石膏掺量对石膏掺量对C3A与硅酸钙与硅酸钙浆体初凝时间的影响浆体初凝时间的影响 石膏掺量增加，凝结硬化加快； 掺量达到一定后，再增加，影响不大。School of Architectural and C

46、ivil EngineeringAnhui University of Technology水泥颗粒细度的影响u水泥颗粒越细，水化速度越快，为什么？ 答：水泥的水化反应是液固异相反应，反应首先发生在液固界面上； 水泥颗粒越细，比表面积越大，界面区越大，反应点越多，因此水化速度越快。比表面积比表面积 m2/kg放热速度放热速度时间时间/小时小时细度(比表面积)对C3S浆体(水/固比1.0)水化速度(放热量)的影响水泥浆比表面积与水化度随时间的关系水泥浆比表面积与水化度随时间的关系水化度(%)比表面积(m2/cm3)School of Architectural and Civil Enginee

47、ringAnhui University of Technology水泥细度水泥细度Fineness of Cement粒径： 3m 水化非常迅速，需水量增大； 90 m 几乎接近惰性。School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology温度与湿度的影响u温度升高，水化反应加快，凝结硬化加速，为什么？u温度升高10C，速度加快一倍。u温度低于0C时，水化反应基本停止。u保持一定湿度，有利于水泥的水化。温度升高，放热速度加快，诱导期时间缩短温度升高，放热速度加快，诱导期时间缩短School of A

48、rchitectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology拌和用水量的影响u重要概念：水灰比水泥浆体中拌和水量与水泥质量之比(W/C)；u水泥熟料矿物完全水化的理论水灰比0.23；u水灰比越大，需要水化物固相填充的孔隙越多，凝结硬化所需时间越长；u水灰比越大，水泥石中孔隙越多，强度越低。School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology未水化未水化水泥水泥毛细孔毛细孔水泥凝胶水泥凝胶体积比体积比水灰比水灰比长时间放长时间放置在

49、水中置在水中的水泥浆的水泥浆体水化最体水化最终生成物终生成物School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of TechnologySummaryuC3S、C3A含量多，凝结硬化快，反之亦然。含量多，凝结硬化快，反之亦然。u掺加混合材，熟料减少，凝结硬化速度减慢。掺加混合材，熟料减少，凝结硬化速度减慢。u有些化合物可以使水泥浆体促凝或缓凝。有些化合物可以使水泥浆体促凝或缓凝。 u细度越小，水化反应越快，凝结硬化越快。细度越小，水化反应越快，凝结硬化越快。 u水灰比越大，浆体需填充的孔隙越多，凝结硬化速度越水灰比越大，

50、浆体需填充的孔隙越多，凝结硬化速度越慢。慢。u提高温度，加快水泥的凝结硬化；保持足够的水分有利提高温度，加快水泥的凝结硬化；保持足够的水分有利于水泥的凝结硬化于水泥的凝结硬化 School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology问题？u水泥凝结硬化速度快，有什么不利影响？ 答：水化加快，放热速率加速，升温并膨胀，凝结硬化形成的微结构体积较疏松，且在随后的降温期间，或受干燥环境作用收缩变形时产生大量微裂缝，致使结构混凝土强度与渗透性（耐久性）受到严重影响。u水泥宜在什么条件下凝结硬化？ 答：水泥宜在

51、常温(2010C)与相对湿度较高的条件下，凝结硬化。即水泥水化速度适宜的温度，水化 所需水分供应充足的条件。School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology硬化水泥浆体水泥石的组成u水泥石的组成 固相水泥水化物与未水化的水泥颗粒u胶体相：水化硅酸钙C-S-H凝胶和铁相凝胶等；u晶体相：硫铝酸钙水化物、水化铝酸钙与氢氧化钙晶体等； 气相各种尺寸的孔隙与空隙u凝胶孔u毛细孔u工艺空隙 液相水或孔溶液u自由水u吸附水u凝胶水u水泥石的组成随水泥水化度而变School of Architectural

52、 and Civil EngineeringAnhui University of Technology硬化水泥浆体水泥石的微结构u水泥浆体凝结硬化后形成的固体称为水泥石u水泥石微结构特点 多物相固体颗粒堆聚的多孔结构体； 各种物相分布不均； 各种物相的尺寸不等，形貌不一。 由水化物(胶体和晶体)颗粒、未水化的水泥颗粒内核相互聚集形成连续固体颗粒堆聚结构，大小不等的凝胶孔和毛细孔分布其中。水化良好的水泥石微结构： “A”代表结晶性差、胶体尺寸(1100nm)的C-S-H堆聚体，颗粒间隙尺寸0.53.0nm； “H”代表六方晶体相，尺寸为1m； “C”代表没有被水化物填充，原来由水占据的毛细孔隙

53、或空隙，尺寸在10nm m 。School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology硬化水泥浆体中水化物固相的分布固体相含量()C3AH6时间(天)C-S-H水泥石中的固体School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology水泥石中的孔隙uC-S-H凝胶中的层间孔隙凝胶孔 gel pores尺寸尺寸 = 5 25 含量：约占含量：约占C-S-H凝胶的凝胶的28%对强度和抗渗性无害，对干缩和徐变有一定影响

54、对强度和抗渗性无害，对干缩和徐变有一定影响u毛细孔 Capillary Voids尺寸50 nm ，与水灰比有关 对强度和抗渗性有害，对干缩和徐变有重大影响u空隙 Air Voids夹杂的空气泡: 3 mm引入的空气泡: 50 200 m对强度和抗渗性非常有害黑色代表孔隙黑色代表孔隙School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technologyu水蒸气 大的孔隙部分被水填充，剩余空间是与环境温、湿度和压力平衡的水蒸气。u毛细孔水毛细孔和 大的凝胶孔中的水孔径50nm的孔隙中的水自由水孔径50nm的孔隙中的水

55、毛细张力水u吸附水 固体表面吸附的水，5个水分子层，厚度1.3nm，干燥到30的相对湿度，可失去。u层间水 小于2.6nm的 凝胶孔中的水，强干燥到10 相对湿度时，可失去。u化学结合水 水泥水化反应所结合到水化物中的水，只有加热到900 1000C才会失去。化学结合水量可用于测定水泥水化度。 水泥石中的水(105C)可蒸发水(105C)不可蒸发水School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology硅酸盐水泥应满足哪些技术性质u密度与堆积密度密度与堆积密度u细度细度u标准稠度用水量标准稠度用水量u

56、凝结时间凝结时间u体积安定性体积安定性u强度强度u水化热水化热u不溶物和烧失量不溶物和烧失量u碱含量碱含量u 耐腐蚀性耐腐蚀性软水侵蚀软水侵蚀盐类侵蚀盐类侵蚀酸类腐蚀酸类腐蚀强碱腐蚀强碱腐蚀防腐措施防腐措施School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology1.密度与堆积密度u密度密度 3.053.20，混凝土配合比计算时，一般取，混凝土配合比计算时，一般取3.10。u堆积密度堆积密度 10001600kg/m3，在工地计算水泥仓库时，一般取，在工地计算水泥仓库时，一般取1300 kg/m3 。u

57、密度的测量方法密度的测量方法 排液法，用煤油作为测量液体。排液法，用煤油作为测量液体。 School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology2. 细细 度度u定义 细度是指水泥粉体的粗细程度。u测量方法筛分析法 以80m方孔筛的筛余量表示；比表面积法 以1kg水泥颗粒所具有的总表面积来表示。 u国标要求硅酸盐水泥的比表面积应大于300m2/kg。普通水泥80m方孔筛的筛余量不得超过10.0%。u细度不符合要求的水泥为不合格品！ School of Architectural and Civil E

58、ngineeringAnhui University of Technology问题：为什么需要规定水泥的细度？解答：解答：u水泥颗粒细度影响水化活性和凝结硬化速度，水泥颗粒水泥颗粒细度影响水化活性和凝结硬化速度，水泥颗粒太粗，水化活性越低，不利于凝结硬化；太粗，水化活性越低，不利于凝结硬化；u虽然水泥越细，凝结硬化越快，早期强度会越高，但是虽然水泥越细，凝结硬化越快，早期强度会越高，但是水化放热速度也快，水泥收缩也越大，对水泥石性能不水化放热速度也快，水泥收缩也越大，对水泥石性能不利；利；u水泥越细，生产能耗越高，成本增加；水泥越细，生产能耗越高，成本增加；u水泥越细，对水泥的储存也不利，容

59、易受潮结块，反而水泥越细，对水泥的储存也不利，容易受潮结块，反而降低强度。降低强度。School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology3. 标准稠度用水量 u标准稠度：标准稠度： 按规定的方法拌制的水泥净浆，在水泥标准稠度测定仪上，试锥下沉（282）mm时的水泥净浆的稠度。 u标准稠度用水量：标准稠度用水量： 是指水泥净浆达到标准稠度时所需要的水量，用水与水泥质量的比来表示。硅酸盐水泥的标准稠度用水泥量一般在21%28%。 School of Architectural and Civil En

60、gineeringAnhui University of Technology试锥下降高度试锥下降高度（282）水泥浆水泥浆试锥试锥School of Architectural and Civil EngineeringAnhui University of Technology4. 凝结时间 u概念：概念： 凝结时间水泥加水开始到水泥浆失去流动性，即从可塑性发展到固体状态所需要的时间。初凝时间初凝时间 从水泥加水拌和到水泥浆开始失去可塑性从水泥加水拌和到水泥浆开始失去可塑性所需的时间；所需的时间；终凝时间终凝时间 从水泥加水拌和到水泥浆完全失去可塑性，从水泥加水拌和到水泥浆完全失去可塑性，