09-硅酸盐水泥的性能

1、1,第九章,硅酸盐水泥的性能,2,硅酸盐水泥的性能包括:,密度 细度,凝结时间 强度 安定性 水化热 耐久性,建筑性能,物理性能,3,9-1 凝结时间,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？,4,一、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（石膏的影响） 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

2、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。（包裹作用）,凝结速度和水化速度,（3）、温度：温度升高，水化加快，凝结时间缩短。（冬、夏） （4）、水灰比： （5）、细度： （6）、外加剂：,图9-1温度对水泥凝结时间的影响实例,6,二、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。,7,2、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；（图9.4） 安定性。,图9.3石膏对水泥凝结时间的影响,石膏最佳掺入量是指使水泥凝结正常、强度高、安定性良好的掺量。,图10-3水泥强度

3、与SO3掺入量的关系,8,（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%。,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。,10,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。 F、碱

4、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,11,（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为1.52.5。 SO3含量在3.5以下,三、快凝现象、假凝现象,13,图10-4 不正常凝结的典型特性曲线,14,四、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)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

5、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。,15,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。,B 促凝剂指减少水泥浆由塑性变为固态所需时间，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

6、与阻锈剂亚硝酸钠复合使用。 Na2S04与Ca(OH)2作用生成强碱NaOH，易于活性集料中发生碱集料反应。 但三乙醇胺掺量过多反而会造成混凝土严重缓凝和强度下降。,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。,18,某工地使用某厂生产的硅酸盐水泥，加水拌和后，水泥浆体在短时间内迅速凝结。后经剧烈搅拌，水泥浆体又恢复塑性，随后过三小时才凝结。请讨论形成这种现象的原因

7、。,19,9-2 强 度,一、强度的形成 1、形成：水化、凝结、硬化,20,2、表达方式：(单位：MPa）,按所受压力不同分：,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,如：28d强度,水泥胶砂强度检验方法（ISO法）（GB/T17671-1999）,21,二、影响水泥强度的因素,1、熟料的矿物组成： 211表9.1 2、水泥的细度 ： 3、施工条件： （1）、水灰比： （2）、骨料级配： （3）、搅拌振捣的程度： （4）、养护温度和湿度： （5）、外加剂的使用：,22,1、熟料的矿物组成：,4种单矿物28d强度

8、排序：C3SC4AFC3AC2S 表9-1 C3S早强高，C2S后期强度增幅大。 图9-13 C3A早期强度增长很快，对早强有利，但后期强度增长不大。甚至倒缩，C3A存在最佳含量。 C4AF对早强及后强均有利。,23,2、水泥的细度 ：,不同细度的水泥水化活性不同。 不同细度的水泥对强度的影响具体如下： 1m以下颗粒由于在搅拌过程中就完全水化，对强度没有贡献。其含量增加，说明存在过粉磨，浇筑时会显著增加需水量，降低浇筑性能。因此，该组分颗粒是有害的，应尽可能降低。 13m颗粒含量高，3天强度就高，同时需水量会增加，浇筑性能下降。因此，该组分颗粒在3天强度能满足要求的前提下，应尽可能低。 132

9、m颗粒含量，决定了28天强度。由于13m颗粒含量不宜太高，因此332m颗粒含量应越高越好。如果强度指标有较大幅度的富余，可以增加混合材添加量。 3265m颗粒含量对强度有贡献，但贡献率较低。 65m以上颗粒基本上只起骨架作用。大于65m颗粒含量增加，水泥泌水性会增大，应保持适度。,24,图10-7养护温度对水泥浆体强度增长的影响,25,养护对水泥强度发展的影响,26,9-3 体积变化与水化热？,一、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,27,（一）化学减缩：,1、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

10、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。,2、减缩量： 水泥熟料各单矿物的减缩作用大小顺序： C3AC4AFC3SC2S 表9.6 水泥的化学减缩量的大小，常与C3A含量成线性关系，一般100g水泥水化的减缩量为79cm3。 若每m3混凝土用水泥300kg，则减缩量将达到（2127）103cm3。,28,以C3S的水化反应为例： 2(3CaOSiO2) + 6H2O = 3CaO2SiO23H2O + 3Ca(OH)2 密度(g/cm) 3.14 1.00 2.44 2.23 摩尔质量(g/mol) 228.23 18.02 342.48 74.10 摩尔体积(cmm

11、ol) 72.71 18.02 140.40 33.23 体系中所占体积（cm）145.42 108.12 140.40 99.69,253.54,240.09,29,（二）湿胀干缩,1、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。,2、影响因素： （1）C3A的含量：C3A含量增加，硬化浆体的干缩值提高。图9.24 （2）石膏掺量： （3）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。,图98湿胀干缩示意图,图910水灰比对水泥浆体干缩的影响,图

12、9-9水泥浆体干缩率随时间的变化 1C3A含量4%；2C3A含量6%； 3C3A含量8%,31,（三）碳化收缩：,1、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CO2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。 2、反应式： Ca(OH)2 +CO2 = CaCO3+ H2O 3CaO2SiO23H2O+CO2= CaCO3+2(CaOSiO2H2O) + H2O,32,3、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

13、度。,体积变化，均匀性,33,二、水化热：,1、定义： 水泥水化时会放出热量。水化过程中所放出的热量，称为水泥的水化热。,2、危害： 一般工程水化热对冬季施工有利。 在大体积混凝土工程中，由于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？,34,3、影响因素：,（1）熟料矿物组成： 熟料中各单矿物的水化热大小顺序为： C3AC3SC4AFC2S （2）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。 （3）熟料煅烧与冷却制度：冷却速度

14、越快，玻璃体含量越高，水化热越小。 （4）水泥细度：细度主要影响水化时的放热速度，水泥越细，放热速度越快。 （5）水灰比： （6）养护温度： （7）水泥储存时间,35,36,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。,37,大体积混凝土开裂与水泥的选用 某大体积的混凝土工程，浇注两周后拆模，发现有多道贯穿型的纵向裂缝。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；C2S14；C3A14；C4AF11。,38,39,40,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

15、响耐久性的因素： 抗渗性 抗冻性 抗蚀性 碱集料反应等。,(什么样的环境),如何评定耐久性,第十章硅酸盐水泥的耐久性,41,一、抗渗性,1、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）,42,2、影响因素：,抗渗性的大小以渗透系数K表示抗渗性的高低，K值越小越好。 （1）孔隙大小： K r2 （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。,43,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,44,影响水泥石

16、孔隙率及孔径大小的因素主要有：,（1）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。 （2）水泥水化程度（即水化龄期）：在水灰比合适时，龄期越长，渗透系数越小。 （3）养护条件（温度湿度）,45,3、提高抗渗性的措施,（1）适当降低水灰比 （2）选用适当的骨料 （3）施工中加强振捣，采用适宜的养护制度。 （4）外加剂（减水剂，引气剂）,46,二、抗冻性（-15和20季节交替，北方）,1、定义：硬化水泥浆体抵抗冻融循环的能力。 2、危害：冻融循环是寒冷地区混凝土，尤其是港口混凝土破坏的主要原因之一。,3、原理： 材料有孔且

17、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,47,什么样的情况才会发生冻融破坏,抗冻性取决于孔隙率、孔隙特征及充水程度。 水 粗大孔隙 闭口孔隙 毛细管孔隙,48,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。,4、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小于25%时的最

18、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 F300,50,5、影响抗冻性的因素：,（1）矿物组成： （2）水泥强度： （3）水灰比：,51,5、影响抗冻性的因素：,（1）矿物组成： （2）水泥强度： （3）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。,52,5、影响抗冻性的因素：,（1）矿物组成： （2）水泥强度： （3）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。,53,6、如何改善抗冻性,54,三、环境介质的侵蚀,对水泥耐

19、久性有害的环境介质主要有：,1 淡水 2 酸和酸性水 3 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,雨水、雪水、内陆河水、湖水 腐蚀机理： 1、长期饱水水泥石中Ca(OH)2晶体逐渐溶出； 2、在静水、无水压下溶液饱和溶解作用停止； 3、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；,（一）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。,56,碳酸腐蚀工业污水、地下水 Ca(OH

20、)2+CO2+H2OCaCO3+2H2O CaCO3+CO2+H2OCa(HCO3)2 一般酸的腐蚀工业建筑 HCl+ Ca(OH)2CaCl+2H2O H2SO4+ Ca(OH)2CaSO4.2H2O,（二）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。,57,（三）硫酸盐侵蚀（又称膨胀侵蚀）,Ca(OH)2+Na2SO410H2OCaS042H20+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)2CaSO4.2H2O+Mg(OH)2 Mg2+还会进入水化硅酸钙凝胶，使其胶结性能变差。,58,减小侵蚀怎么办？,59,四、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发生化学反应，从而导致水泥石产生