水硬性胶凝材料.ppt

1、水 泥 Cement,水泥的定义和分类 水泥是一种细磨成粉末状，加入适量水后成为可塑性的浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等材料牢固地胶结成具有一定强度的整体的水硬性胶凝材料。 按用途和性能分类,用于一般土木建筑工程中的水泥，如硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥等,具有专门用途水泥 ，如中、低热水泥，道路水泥等,具有某种性能比较突出的水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐水泥等,按其化学成分类 虽然水泥品种繁多，分类方法各异，但我国水泥产量的90%左右属以硅酸盐为主要水硬性矿物的硅酸盐水泥。,我国水泥工业现状 近年来我国水泥工业发展很快，无论是品种、产量、质量都有很大的突破，尤其是产量居世

2、界前列。但同时也存在着严重的不足，主要表现为：能耗大、污染严重。我们来看一组统计数据： 如何降低水泥能耗、减少污染物的排放量，将是今后应该研究的主要内容，绿色产业化是水泥工业的发展方向。,水泥在土木工程中的重要作用,水泥是当今产量与用量最大的土木工程材料！ 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！ 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！,学 习 目 的,学习 硅酸盐水泥的矿物组成，及其与其他水泥的差别； 水泥的生产过程及其对性质的影响。 掌握 水泥凝结硬化机理和凝结硬化过程的影响因素； 应用这些基本理论，说明水泥和混凝土的性质，指导合理选择

3、与使用水泥，改善水泥基材料的性能。 熟悉 水泥各种性质的含义和工程意义； 水泥性质的影响因素及其规律； 水泥性质的检验方法和评定标准。,3.2 硅酸盐水泥,主 要 内 容,什么是硅酸盐水泥？ 硅酸盐水泥是怎样制造？ 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？ 如何正确使用水泥？,重点论述了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(即国外通称的Portland Cement).,3.2.1 硅酸盐水泥的生产及矿物组成 现行国家标准

4、GB175-2007定义：凡由硅酸盐水泥熟料、05的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（国外统称为波特兰水泥）。,硅酸盐水泥是怎样制造的？,原 料： 硅质：粘土，(SiO2、Al2O3)， 占1/3 钙质：石灰石、白垩等，(CaO)，占2/3 调节原料：铁矿与砂，调节与补充Fe2O3 与SiO2 制造工艺： 原料经粉磨混合后得到水泥生料 生料经窑内煅烧得到水泥熟料 水泥熟料石膏(或再混合材）一起经粉磨混合后得到水泥,“两磨一烧”,水泥生料可以是： 与水混合成浆体湿法工艺 加少量水制成料球半干法工艺 加稍多水制成湿球半湿法工艺 干粉混合物干法工艺,硅质 (粘土)

5、,钙 质 (石灰石),1450,调节 原料,石膏,石膏,水 泥,生 料,熟 料,混合材,水泥制造的“两磨一烧”工艺流程,粉 磨,煅 烧,粉 磨,原料采掘,原料磨细,原料混合,反应物产物中间产物,预热器 回转窑,产 物,熟料冷却,熟料储存,硅酸盐水泥熟料制造工艺流程,水泥制造厂全貌,水泥的制造工艺全貌,水泥生料煅烧回转窑,回转窑尾,14501500C,3.2.1.2 硅酸盐水泥熟料的矿物组成,生料,SiO2,CaO,化合反应,8001450,800左右,分解反应,Al2O3,Fe2O3,2CaOSiO2,3CaOSiO2,3 CaO Al2O3,4 CaOAl2O3Fe2O3,化学组成： 主要成

6、分：CaO(=C)，SiO2(=S)， Al2O3(=A)， Fe2O3(=F) 少量杂质：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。 矿物组成： 硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：,硅酸盐水泥熟料的组成,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,3.2.2 硅酸盐水泥的水化和凝结硬化 3.2.2.1 水化 水泥加水拌和后，水泥颗粒立即分散于水中并与水发生化学反应，生成各种水化物。 硅酸三钙 水化硅酸钙 氢氧化钙 硅酸二钙 水化硅酸钙 氢氧化钙 铝酸三钙 水化铝酸钙 铁铝酸四钙 水化铝酸钙水化铁酸钙,水泥中的石膏也很快与水化铝酸钙反应生成难溶的水化硫铝酸钙

7、，也称为钙矾石晶体： 水化硫铝酸钙（钙矾石） 经过上述水化反应后，主要水化产物为：水化硅酸钙(50%)、氢氧化钙(25%)、水化铝酸钙、水化铁酸钙及水化硫铝酸钙等。,硅酸盐水泥熟料的矿物组成 硅酸盐水泥熟料矿物的特性,3.2.2.2 硅酸盐水泥熟料矿物的水化特性,矿物组成对水泥性能的影响 以上是单个矿物组成的性能，水泥是几种熟料矿物的混合物，改变熟料矿物成分间的比例，水泥的性质即发生相应的变化。 硅酸三钙高强水泥 铝酸三钙、硅酸三钙 硅酸二钙 铁铝酸四钙抗折强度道路水泥,水化热大坝水泥,三、水泥浆如何转变成坚硬固体？,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,凝结水泥与

8、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”； 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。,为什么水泥能由浆体变成固体？,水泥与水能发生化学反应水化反应； 水化反应将结合占水泥质量30左右的拌和水； 水化反应的产物水化物能相互凝聚成三向网络结构； 水化反应产物有很大的表面能，而且相互间有很强的次价键力。,需学习与掌握的内容：,化学过程水泥熟料矿物的水化反应 石膏的作用 物理过程水泥浆的凝结硬化 硬化水泥浆的组成与结构 水泥浆凝结硬化的影响因素,1. 水泥熟料矿物的水化

9、反应,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。 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+1.5H2O,硅酸钙C3S与- C2S的水化,硅酸钙水化生成水化硅酸钙C3S2H3C-S-H凝胶和Ca(OH)2羟钙石，并放出热： 硅酸三钙：2C3S + 6H C3S2H3 + 3CH + 120cal/g 硅酸二钙：2C2S

10、+ 4H C3S2H3 + CH + 62cal/g (C-S-H ) + 羟钙石 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)2nH2O (x, z与温度、水灰比等有关) 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。 水化机理 溶液中反应 固相颗粒表面的局部反应。,水化度,水化时间（天）,溶液中的反应,机理：溶解 扩散 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,表面局部

11、反应,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,CSH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,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,硅酸钙矿物水化物的特征,硅酸钙的水化产物C-S-H与Ca(OH),铝酸三钙C3A的水化,铝酸钙C3A的水化行为在水泥水化早期特别重要 纯C3A与水反应迅速，生产水化铝酸钙： C3A + 18H2O C2AH8 + C4AH13 C3AH6 (不稳定的中间产物) (稳定产物) 这一反应导致水泥浆闪凝或假凝，必须避免！ 避免闪凝的

12、有效途径加入石膏CaSO42H2O,这就是硅酸盐水泥生产中，必须加入石膏与水泥熟料一起粉磨的根本原因！ 这一发明是硅酸盐水泥发展史上的一个里程碑。,铝酸三钙C3A在石膏存在下的水化反应,C3A与石膏反应首先形成三硫型硫铝酸钙钙矾石晶体，并放出大量热： C3A+ 3CH2+26H C3A3C3H32 + 300 cal / g (1) (钙钒石) 反应后期，石膏量不足时，水化生成单硫型硫铝酸钙水化物： C3A+ C3A3C3H32 +4H C3AC3H12 (2) 石膏消耗完后， C3A直接水化形成C3AH6： C3A + 18H2O C3AH6 (3),石膏缓凝机理： 钙钒石的形成反应(1)速

13、度比纯C3A的反应(3)慢； 在水泥颗粒表面析出钙矾石晶体构成阻碍层，延缓了水泥颗粒的水化，避免闪凝或假凝。,铁铝酸四钙C4AF的水化,铁铝酸四钙C4AF与水发生类似于C3A的水化反应，也形成类似的产物钙钒石和单硫型水化物： C4AF + 7H C3AFH6 CFH C4AF + 3CH2 + 26H C3(A,F)3C3H32 C4AF + CH2 + 20H C3(A,F)C3H16 C4AF水化物的组成是可变，是铝酸盐与铁酸盐的固溶体，并由铁相凝胶产生。 C4AF的水化反应对整个水泥的行为影响较小。,Summary,硅酸钙的水化 2C3S + 6H C3S2H3 + 3CH + 120c

14、al/g 2C2S + 4H C3S2H3 + CH + 62cal/g C-S-H + 羟钙石 铝酸钙的水化 C3A + 18H2O C2AH8 + C4AH13 C3A+ 3CH2+26H C3A3C3H32 + 300 cal / g （钙钒石） C3A+ C3A3C3H32 +4H C3AC3H12 铁铝酸钙的水化 C4AF + 13H C4(A,F)H13 C4AF + 3CH2+26H C3(A,F)3C3H32 C4AF + CH2+26H C3(A,F)C3H12,水泥的水化过程： 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； 几分钟内，Ca2、SO

15、4 、 Al3 、 OH离子间反应，形成钙钒石； 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； 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。 此后，水化物不断形成，不断填充孔隙或空隙。,石膏的作用,避免水泥浆的闪凝和假凝现象。 调节水泥的凝结时间。 导致钙钒石和单硫型硫铝酸钙水化物的形成。,水 泥,水,溶 解,沉 淀,水泥浆的凝结硬化过程,扩 散,2. 水泥浆的凝结硬化物理过程,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CSH,Ca(OH)2 晶体,水泥颗

16、粒,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。,水化物膜层随水化时间向内不断增厚，水泥颗粒粒径缩小,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。,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； 早期水化物在颗粒上形成

17、表面膜层，阻碍了进一步反应进入潜伏期； 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； 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； 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,证据一：熟料矿物水化物量随时间的增长,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

18、渐形成。,证据二：水泥浆凝结硬化过程的放热曲线,熟料矿物和水泥的水化放热量,水泥熟料矿物的水化反应是放热过程,初始放热峰,放热主峰,放热速度逐渐减慢,实测的水泥水化放热全曲线,放热速度很低,水泥水化度与放热量呈线性关系,水化放热量（J/g),水化度,硅酸盐水泥水化时的放热曲线,水化放热速度,溶解：钙钒石形成,诱导期： Ca2浓度增加,C-S-H和CH快速形成,初凝,终凝,单硫型硫铝酸钙形成,扩散控制反应,水泥浆水化放热过程,水泥熟料矿物的水化是放热反应，C3S和C3A放热最大，最快；而C2S放热最小，最慢。 水泥水化放热有明显的四个阶段： 初始放热水泥与水一接触，立即放热，放热速度dQ/dt

19、很快，表明反应激烈。 放热停滞期 放热很慢，接近停滞，表明反应停顿。 放热加速期 放热速度逐渐加快，达到放热峰值，表明反应逐渐加快。 放热减速期 放热达到峰值后，放热速度逐渐减慢，表明反应逐渐减速。,水灰比0.55的水泥浆水化1天 黑色箭头指示部分水化物壳层； 白色箭头指示完全水化物壳层。,证据三、水泥浆凝结硬化过程的微观观察,a: C3S,b: C2S,水灰比0.55的水泥浆水化9个月 I,：C-S-H内产物相; A：铁相/CH; B：水化 belite; 白色箭头指示完全水化物壳层,水泥浆中氢氧化钙的生长,3 天,7 天,28 天,365 天,红色：未反应的水泥颗粒 蓝色：氢氧化钙CH 黄

20、色：C-S-H 黑色：孔隙 左上：水化度0； 右上：水化度20； 左下：水化度50； 右下：水化度87。,水泥水化过程模型,水化度0%,水化度20%,水化度50%,水化度87%,应用水泥凝结硬化机理分析与解答问题,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，反应速度减缓，并减少了溶液中的Al3浓度，延缓了水泥浆的凝结速度。 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

21、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。,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。 为什么强度发展与环境温、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。 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。,3、硬化水泥浆体水泥石的组成与结构,水泥石的组成 固相水泥水化物与未水化的水泥颗粒 胶体相

22、：水化硅酸钙C-S-H凝胶和铁相凝胶等； 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 凝胶孔 毛细孔 工艺空隙 液相水或孔溶液 自由水 吸附水 凝胶水 水泥石的组成随水泥水化度而变,水泥石中固体和孔隙的尺寸范围,硬化水泥浆体水泥石的微结构,水泥浆体凝结硬化后形成的固体称为水泥石 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(110

23、0nm)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或空隙，尺寸在10nm m 。,背散射扫描电镜照片,未水化水泥颗粒,C-S-H,氢氧化钙,单硫型硫铝酸盐,水泥浆扫描电镜照片(7d龄期),C-S-H,钙矾石,水泥浆中的固体相,水泥石中有四种主要固体相 硅酸钙水化物 氢氧化钙 硫铝酸钙水化物 未水化的水泥颗粒,水泥浆中的固体相,（1）硅酸钙水化物 Calcium Silicate Hydrate 缩写: C-S-H 体积含量: 占水泥石体积的5060 %。 主要特性: 高比表面积(100 to 700

24、 m2/ g) 次价键（范得华力）很强 强度。 结构特点： 结晶性很差，呈折叠层状结构； 组成特点： 组成可变，钙/硅(C/S)比=1.5 2.0 ，结构水不等。 形貌： 结晶性差的纤维网状，胶体尺寸颗粒的聚集体。,C-S-H形貌,C-S-H的分子结构,硅酸钙水化物C-S-H的胶体结构,C-S-H 凝胶结构模型,A=结合键次价键 B=C-S-H片 C=分散的层 O=物理吸附水 X=层间水,水泥浆中的固体相,( 2 ) Ca(OH)2羟钙石(portlandite) 缩写：CH 体积含量: 占水泥石体积的20 25 %； 特征： 表面积较小、次价键力弱 耐久性和强度。 组成特点： 组成确定Ca(

25、OH)2。 结构特点： 六方片状晶体，与天然羟钙石Portlandite 相似。 形貌： 大片状晶体的堆积体。,氢氧化钙晶体形貌,生长在水泥石孔隙中的六方片状的羟钙石晶体,（3）水化硫铝酸钙Calcium Sulfoaluminate Hydrates 缩写：Aft、Afm 含量： 占水泥石体积的 15 20 %。 组成特点： 开始时，形成三硫型硫铝酸钙钙钒石 ettringite(Aft) 后期，转变为 单硫型硫铝酸钙 monosulfate hydrates(Afm) 结构特点： 结晶性好的晶体 形貌： Aft针状晶体；Afm六方片状晶体,水泥浆中的固体相,典型Afm六方片状晶体和Aft针

26、状晶体的形貌,水泥浆中的钙钒石,生长在水泥石孔隙中的针状的钙钒石晶体,未水化的水泥颗粒内核 处于水化物包裹中 水灰比越小，其含量越多,未水化的水泥内核,水泥浆中的固体相,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,水泥石中的孔隙,C-S-H凝胶中的层间孔隙凝胶孔 gel pores 尺寸 = 5 25 含量：约占C-S-H凝胶的28% 对强度和抗渗性无害，对干缩和徐变有一定影响 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 空隙 Air Voids 夹杂的空气泡: 3 mm 引入的空气

27、泡: 50 200 m 对强度和抗渗性非常有害,黑色代表孔隙,凝胶孔,毛细孔,凝胶,水泥石的孔结构模型,水泥石中孔分布与水灰比,水泥石中孔分布与水化龄期,水泥石中的水,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。 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的孔隙中的水毛细张力水 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。 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。 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9001000C才会失去。化学结

28、合水量可用于测定水泥水化度。,(105C)可蒸发水,(105C)不可蒸发水,水泥石中的水的分布模型,层间水,毛细孔水,吸附水,（1）水泥矿物组成 （2）水泥细度 （3）养护条件（温度、湿度）与时间 （4）拌合用水量 （5）水泥中的混合材 （6）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)f(T)f(W/C),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,水泥熟料矿物的水化速度： C3A C3ACaSO42H2O C3S C4AF C2

29、S 水泥的C3A和C3S含量越高，凝结硬化速度越快； 水泥的C3A和C3S含量越低，凝结硬化速度越慢；,石膏掺量的影响,石膏主要降低C3A的水化速度； 掺量太少，凝结较快； 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C3A与硅酸钙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。,水泥颗粒细度的影响,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

30、，界面区越大，反应点越多，因此水化速度越快。,比表面积 m2/kg,放热速度,时间/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,水化度(%),比表面积(m2/cm3),水泥细度 Fineness of Cement,粒径： 90 m 几乎接近惰性。,温度与湿度的影响,温度升高，水化反应加快，凝结硬化加速，为什么？ 温度升高10C，速度加快一倍。 温度低于0C时，水化反应基本停止。 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,未水化 水泥,毛细孔,水泥凝胶,体积比,水灰比,长时间放置在水中的水泥

31、浆体水化最终生成物,体积比,未水化 水泥,水泥凝胶,毛细孔,长时间密封放置的水泥浆体水化最终生成物,水灰比,拌和用水量的影响,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)； 水泥熟料矿物完全水化的理论水灰比0.23； 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； 水灰比越大，水泥石中孔隙越多，强度越低。,水灰比对水泥浆体中水化物与孔隙体积的影响,Summary,C3S、C3A含量多，凝结硬化快，反之亦然。 掺加混合材，熟料减少，凝结硬化速度减慢。 有些化合物可以使水泥浆体促凝或缓凝。 细度越小，水化反应越快，凝结硬化越快。 水灰比越大，浆体需填充的孔隙越多，凝

32、结硬化速度越慢。 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,问题？,水泥凝结硬化速度快，好吗？,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。,水泥宜在什么条件下凝结硬化？,答：水泥宜在常温(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。,四、硅酸盐水泥应满足哪些技术性质,密度与堆积密度 细度 标准稠度用水量 凝结时间 体积安定性 强度 水化热 不溶物和烧失量 碱含量,耐腐蚀性

33、软水侵蚀 盐类侵蚀 酸类腐蚀 强碱腐蚀 防腐措施,1.密度与堆积密度,密度 3.053.20，混凝土配合比计算时，一般取3.10。 堆积密度 10001600kg/m3，在工地计算水泥仓库时，一般取1300 kg/m3 。 密度的测量方法 排液法，用煤油作为测量液体。,2. 细 度,定义 细度是指水泥粉体的粗细程度。 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。 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%。 细度不符合要求的水泥为不合格品！,问题：为什么需要规定水泥的细度？,解

34、答： 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； 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，对水泥石性能不利； 水泥越细，生产能耗越高，成本增加； 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。,3. 标准稠度用水量,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。 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%。,试锥下降高度,水泥浆,试锥,问题：标准稠度用水

35、量与什么因素有关？为什么？,解答： 与水泥细度、水泥矿物组成、混合材掺量等有关。因为水泥颗粒越细，比表面越大，表面吸附水越多；水泥矿物组成和混合材掺量不同，颗粒的表面吸附特性不同，吸附水量不同。,4. 凝结时间,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 从水泥加水拌和到水泥浆开始失去可塑性所需的时间； 终凝时间 从水泥加水拌和到水泥浆完全失去可塑性，并开始具有强度所需的时间。 测定方法： 用标准稠度的水泥净浆，在规定的温湿度下，用凝结时间测定仪来测定。 国标要求：硅酸盐水泥 初凝时间45min； 终凝时间390min。,水泥凝结时间的测定

36、,标准稠度水泥浆,离底12mm为初凝,园弧形压痕,终凝,国标 规定：凡初凝时间不符合规定的水泥为废品；终凝时间不符合规定的水泥为不合格品。为什么？,答： 水泥凝结时间的规定是为了有足够的时间进行施工操作和硬化的混凝土质量； 初凝时间太短，来不及施工，水泥石结构疏松、性能差，水泥无使用价值，即为废品； 终凝时间太长，强度增长缓慢，也会影响施工，即为不合格品。,5. 体积安定性,基本概念： 水泥凝结硬化过程中，体积变化是否均匀适当的性质称为体积安定性。 若水泥石的体积变化均匀适当，则水泥的体积安定性良好； 若水泥石发生不均匀体积变化：翘曲、开裂等，则水泥的体积安定性不良。 体积安定性不良的水泥为废

37、品！,为什么？,水泥体积安定性不良的原因： 水泥熟料中含有过多的游离CaO、MgO和石膏。 因为水泥熟料中的游离CaO、MgO都是过烧的。水化速度很慢。在已硬化的水化石中继续与水反应，其固体体积增大1.98%和2.48倍。产生不均匀体积变化，造成水泥石开裂、翘曲。 石膏量过多，在水泥凝结硬化后，会有钙钒石形成，产生膨胀 。,5. 体积安定性,检测方法： 试饼法 雷氏夹法,5. 体积安定性,试饼法,雷氏夹法,合格标准：5mm。,肉眼观察表面有无裂纹,用直尺检查有无弯曲,合格标准： 无裂纹、无弯曲。,试饼法 用标准稠度的水泥净浆做成试饼，在水中经恒沸3h后，用肉眼观察没有裂纹，用直尺检查没有弯曲，

38、则体积安定合格，反之，体积安定性不合格。,雷氏夹法 测量雷氏夹中的水泥净浆，经沸煮3h后的膨胀值。该值不大于5.0mm时，则体积安定性合格，否则，为体积安定性不合格。,6. 强 度,检验方法软练胶砂法，分别测量抗压强度和抗折强度。 试件尺寸：4040160mm棱柱体； 胶砂配比： 水泥 : ISO标准砂 : 水= 1 : 3 : 0.5； 振动成型： 在频率为28003000次/min，振幅0.75mm的振实台上成型。振动时间120s。 试件养护： 在20 C 1C，相对湿度不低于90%的雾室或养护箱中24h，然后脱模在20C 1 C的水中养护至测试龄期；,100mm,160mm,P,抗折强度

39、试验,P,P,抗压强度试验,强度测量： 将试件从水中取出，先进行抗折强度试验，折断后每截再进行抗压强度试验。受压面积为4040=1600mm2。 结果计算： 抗折强度以三个试件的平均值，抗压强度以六个试件的平均值。,强度等级：根据3天和28天强度测试结果，将水泥强度划分若干个强度等级,3d,28d,时间（d）,强度（MPa）,水泥强度发展规律,早期增长快，随后逐渐减慢； 28天，基本达到极限强度的80以上； 在合适的温湿度条件下，强度增长可以持续几十天 乃至几十年。,问题：为什么水泥强度检验方法要规定试件尺寸、试件配比、养护条件、养护时间等？,解答： 水泥胶砂试件的强度与水泥的组成、试件的水灰

40、比和砂灰比、水泥的水化程度，以及试件的大小有关，而水泥的水化程度与养护条件和养护时间有关； 水泥强度检验目的是检验具有确定组成的水泥的强度，因此，为排除其它因素的影响，将这些因素统一规定，以便相互比较。,水泥石强度的影响因素,水泥石强度来自水化物颗粒间的相互作用力次价键力在整个表面积上的积分和； 水泥石内部水化物颗粒的表面积很大，因此，理论强度大于600MPa； 影响水泥石强度的关键因素是孔隙率P： Powerss公式：k(1-P3) 影响孔隙率的因素均影响水泥石的强度 水灰比 水灰比越大，孔隙率越大，强度越低 水泥组成：熟料矿物、混合材 养护条件：温度、湿度、龄期 水泥细度：水泥颗粒越细，强

41、度发展越快,水泥石强度与孔隙率的关系,水泥熟料矿物组成对强度的影响,水泥品种对强度的影响,水泥细度对强度的影响,7.水化热,概念： 水泥的水化是放热反应，放出的热量就是水化热。 放热特征： 水泥放热过程可持续很长时间，但大部分在3d内释放。 水化热的益处与危害： 水化热有利于水泥的快硬，尤其是在冬天施工，但如果水化热发散不均匀，容易在混凝土中引起裂缝，尤其是大体积混凝土，更是如此。 水化热和放热速度的影响因素： 水泥矿物组成 水泥细度,问题？,为什么水泥颗粒越细，水化放热越快？ 答: 水泥矿物的水化反应是放热反应，水泥颗粒越细，水化反应速度越快。 硅酸盐水泥熟料的四种矿物中，哪一种水化热最大？

42、哪一种水化热最小？ 答： 铝酸三钙C3A水化热最大；硅酸三钙C3S次之；硅酸二钙C2S水化热最小。 为什么要限制水泥的不溶物含量和烧失量？ 答：不溶物是指水泥经酸和碱处理后，不能被溶解的残余物；烧失量是指水泥经高温灼烧后的质量损失率。这两项指标超标表示水泥中不能水化的杂质含量大，影响水泥硬化后的性能。,问题？,试从应用的角度，分析水泥的技术性质及其要求？ 答： 水泥是一种胶凝材料，是主要的结构材料之一，因此，它必须具有强度和体积安定性； 细度和标准稠度用水量是相互关联的，用水量大将影响强度； 为了浇注成型施工，应对凝结时间有所限制； 水化热对水泥硬化过程和硬化后的水泥石体积稳定性有影响； 碱含

43、量、不溶物和烧失量影响水泥的品质； 为了结构物自重的计算，必须知道水泥的密度。,水泥质量的判定,技术性质 不符合要求 细 度 不合格品 凝结时间 （初凝）废品 （终凝）不合格品 体积安定性 废 品 强 度 不合格品或降低等级 不溶物和烧失量 不合格品,8. 水泥的耐腐蚀性,基本概念： 在使用环境中，硅酸盐水泥石受某些腐蚀性介质的作用，其组成和结构会逐渐发生变化或受到损害，导致性能改变、强度下降等。水泥石抵抗这种作用、而保持不变的能力称为其耐腐蚀性。,导致水泥石腐蚀性破坏的原因,外因： 环境中的腐蚀性介质，如：软水；酸、碱、盐的水溶液等。 内因： 水泥石内存在原始裂缝和孔隙，为腐蚀性介质侵入提供

44、了通道； 水泥石内有在某些腐蚀性介质下不稳定的组分，如：Ca(OH)2，水化铝酸钙等； 腐蚀与毛细孔通道的共同作用 加剧水泥石结构的破坏。,软水侵蚀（溶出性侵蚀）,机理： 当水泥石处在软水中，软水能使水泥石中的Ca(OH)2溶解，并溶出水泥石，留下孔隙； 另一方面，水泥石中游离的钙离子的减少，使钙离子的浓度低于水化物的溶度积，导致水化物分解、溶失和转变，产生大量孔隙。尤其是处于压力水或流水条件下，腐蚀越快。 破坏形式： 水化物的分解、溶失，造成水泥石密实度下降，孔缝增多、强度降低，直至整体破坏。,盐类腐蚀,硫酸盐的腐蚀 腐蚀机理： 硫酸盐与水泥石中的氢氧化钙反应，生成硫酸钙。硫酸钙再与水泥石中

45、未水化的铝酸钙反应，生成钙矾石，其体积增加2.22倍，引起水泥石的破坏。 当硫酸钙浓度高时，他们可直接结晶，造成膨胀压力，引起破坏。 镁盐的腐蚀 腐蚀机理： 主要是硫酸镁和氯化镁，他们与氢氧化钙反应，生成氢氧化镁和硫酸钙或氯化钙，造成双重腐蚀作用。,钙矾石,水泥石受硫酸盐侵蚀后，内部形成膨胀性结晶产物,水泥石受硫酸盐侵蚀后，因膨胀性结晶产物引起的开裂,酸类腐蚀,腐蚀机理： 水泥石中的水化物都是碱性化合物，与碳酸、盐酸、硫酸、醋酸、蚁酸等酸反应生成可溶性盐。 另一方面，氢氧化钙浓度的降低，会导致水泥石中其它水化物的分解，使腐蚀作用加剧。 破坏形式： 溶失性破坏，组成与结构发生很大改变。,水泥石受

46、酸腐蚀后，表面溶失、脱落,强碱腐蚀,腐蚀机理：氢氧化钠、氢氧化钾等强碱可与水泥石中的铝酸钙矿物或水化物反应，生成可溶性铝酸盐。当介质中强碱浓度较高是，会造成水泥石的严重破坏。,防止水泥石腐蚀的措施,主要针对引起腐蚀破坏的内因采取措施， 根据使用环境条件，选用水泥品种，降低水泥石中不稳定组分的含量； 提高水泥石的密实度，减少腐蚀性介质的通道，如降低水灰比、掺加外加剂等； 表面防护处理，堵塞通道如：防腐涂层。,问题 ？,降低水泥石中Ca(OH)2的含量，对水泥的耐腐蚀性有什么作用？为什么？,答：降低水泥石中Ca(OH)2的含量，可以提高水泥的抵抗化学腐蚀和软水腐蚀的能力。 因为，化学和软水腐蚀与水

47、泥石中的氢氧化钙密切相关。,Summary,物理力学性能 密度 强度 体积稳定性 细度 水化热,耐久性能 软水腐蚀 盐类腐蚀 酸类腐蚀 强碱腐蚀,为了满足土木工程应用的要求，水泥需具备三方面的性能,施工性能 凝结时间 标准稠度用水量,五、硅酸盐水泥的应用和存放,问题： 1.硅酸盐水泥的适用领域有哪些？不适合的领域有哪些？为什么？ 2. 硅酸盐水泥的性质中哪几项不合格为废品？哪几项不合格为不合格品？废品和不合格品应如何处理？ 3.施工工地对水泥应如何保管和存放？为什么？,第 六节 掺混合材的硅酸盐水泥,掺混合材的硅酸盐水泥品种,硅酸盐水泥熟料石膏, ,615%混合材,普通硅酸盐水泥,2070%矿

48、 渣,矿渣硅酸盐水泥,2050%火山灰,火山灰硅酸盐水泥,2040%粉煤灰,粉煤灰硅酸盐水泥,1650%两种混合材,复合硅酸盐水泥,掺混合材硅酸盐水泥的凝结硬化和性能与所掺混合材的种类与掺量密切相关！,掺混合材水泥的代号,水泥品种 组成特点 代号 普通水泥 615的混合材 P O 矿渣水泥 2070矿渣 P S 火山灰水泥 2050火山灰 P P 粉煤灰水泥 2040粉煤灰 P F 复合水泥 1550两种混合材 P C 石灰石水泥 1125的石灰石 P L,一、水泥混合材,定义： 在水泥生产过程中，为改善性能、调节强度等级所加入的天然或人工矿物材料，均称为水泥混合材料。 种类： 活性 非活性两

49、类 作用： 在水泥中主要其填充作用，调节强度等级、节省能源、降低成本、增加产量、降低水化热等。,1.非活性混合材,定义： 与水泥矿物成分或水化产物不发生化学反应或化学反应很弱的混合材，为非活性混合材。 常见的有： 磨细石英砂 石灰石粉 粘土 慢冷矿渣,2. 活性混合材,定义具有水化活性的混合材。 活性组分：SiO2、Al2O3 常用品种： 粒化高炉矿渣炼钢铁的废料 火山灰质粉末天然岩石和人工煅烧物 粉煤灰火电厂的废料,3. 活性混合材的作用,火山灰反应： xCa(OH)2 + SiO2 + mH2O = xCaOSiO2nH2O xCa(OH)2 + Al2O3 + mH2O = xCaOAl

50、2O3nH2O 稀释作用 减少水泥中熟料矿物含量，降低水化热； 减少水泥石中Ca(OH)2的含量。 超细粉末的密实填充效应,活性矿物粉磨颗粒与石灰的反应,3d,7d,49d,182d,掺加粉煤灰的水泥的水化热,掺加粉煤灰的水泥石中Ca(OH)2的含量,矿渣掺量对硬化水泥浆中Ca(OH)2的影响,掺加粉煤灰的水泥强度发展早期强度增长减慢，但掺量小于20时，后期强度也有较多增长,矿渣掺量对矿渣水泥抗压强度的影响,矿渣水泥的凝结时间与矿渣掺量的关系,问题？,什么是活性混合材的激发剂？其激发机理是什么？,石膏激发剂对粉煤灰水泥强度的影响,抗压强度（MPa),养护龄期（天）,石膏激发剂对粉煤灰水泥强度的

51、影响,抗压强度（MPa),养护龄期（天）,石膏激发剂增加钙钒石的含量,养护龄期（天）,钙钒石含量（）,二、活性混合材水泥的共性,密度较小 2.703.10。 早期强度较低，后期强度增长率高。 对养护温湿度敏感，适合蒸汽养护。 水化热较小。 耐腐蚀性较好。 抗冻性、耐磨性不及硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥。,三、活性混合材水泥的特性,矿渣水泥： 保水性差，泌水性大，干缩较大，耐热性较好。 火山灰水泥： 易吸水，易反应，结构较致密，抗渗性和耐水性较好，体积收缩较大，抗硫酸盐能力较差。 粉煤灰水泥： 吸水能力弱，需水量较低，干缩性较小，结构致密，抗裂性较好。 复合水泥： 取决于所掺的混合材种类。,问题

52、？,各种掺混合材硅酸盐水泥的代号、组成区别、特性及使用范围是什么？ （见表214）,第 七 节其它品种水泥,一、道路硅酸盐水泥,组成特点： 水泥熟料主要矿物硅酸钙和铁铝酸钙 铁铝酸四钙高，C4AF的含量16.0。 性能特点： 初凝时间较长，1h； 抗折强度高； 耐磨性好，磨损率3.60kg/m2； 抗裂性好，28d干缩率 0.10%； 使用特点： 主要用于混凝土路面工程。,二、白色硅酸盐水泥,组成特点： 水泥中的氧化铁的含量低于水泥质量的0.5%。 性能特点： 外观为白色，按白度分为一级、二级和三级；技术要求与普通水泥同。 应用特点： 白水泥熟料与颜料、石膏共同磨细可制得彩色水泥；主要用于建筑

53、室内外装饰等。,三、快硬硅酸盐水泥,组成特点： 熟料中C3S、C3A的含量较高，石膏的掺量略大（其中SO34.0%）。 性能特点： 水泥的细度较细，凝结硬化快，早期强度增进率高。 应用特点： 早期强度要求高、紧急抢修、低温施工工程和高标号混凝土预制构件等。,四、中热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥,组成特点： 熟料中C3S、C3A的含量较低，后一种掺加2060%的粒化高炉矿渣 。 性能特点： 水化热低，凝结时间较长，中热水泥抗冻性和耐磨性较好。 应用特点： 适用于大体积混凝土，如大坝水利工程；和要求低水化热、高抗冻性和耐磨性的工程。,五、抗硫酸盐水泥,组成特点： C3S、C3A的含量低，要求C3S的含量低于50.055.0%；C3A的含量低于5.03.0%。 （为什么？） 性能特点： 具有抵抗较高浓度硫酸根离子侵蚀能力，抗蚀能力以抗硫酸盐腐蚀系数F来评定。要求F0.8。 应用特点： 主要用于受硫酸盐腐蚀的海港、水利、地下、隧道、引水、道路和桥梁基础等工程。,抗硫酸盐腐蚀系数F： 将水泥试件在人工配制的硫酸根离子浓度分别为2500mg/L和8000mg/L的硫酸钠溶液中，浸泡6个月后的强度与同时浸泡在饮用水中的试件的强度之比。,六、