第3章水泥清华版土木工程材料.pptx

清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESSu教学目教学目标掌握：掌握：普通硅酸盐水泥组成材料、熟料矿物基本特性，通用硅酸盐水泥的技术要求及选用原则。熟悉熟悉：水泥的水化、凝结和硬化，水泥性能指标、水泥石的腐蚀及预防了解了解：水泥的分类，其他品种水泥，新型胶凝材料。u教学重点教学重点通用硅酸盐水泥的矿物组成、性能及选用原则水泥主要性能指标及检测方法水泥石的腐蚀及预防本章主要教学内容与要求清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS水泥（Cement）u水泥概述u通用硅酸盐水泥通用硅酸盐水泥的生产水泥组成材料水泥技术要求水泥水化与凝结硬化水泥石的腐蚀与预防通用硅酸盐水泥的性能特点及选用u其他品种硅酸盐水泥u其他品种水泥u新型胶凝材料及其在土木工程中的应用清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS 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。水泥概述 u什么是水泥(cement)？水泥是以水化活性水泥是以水化活性矿物物为主要成分的主要成分的水硬性胶凝材料水硬性胶凝材料。u水泥的种类有哪些？按安用途和性能：通用水泥通用水泥、特性水泥特性水泥和专用水泥用水泥。水泥的化学成分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,镁清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS 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。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。水泥概述 u什么是水泥(cement)？水泥是以水化活性水泥是以水化活性矿物物为主要成分的主要成分的水硬性胶凝材料水硬性胶凝材料。u水泥的种类有哪些？按安用途和性能：通用水泥通用水泥、特性水泥特性水泥和专用水泥用水泥。水泥的特性膨胀水泥快 硬 水 泥低 热 水 泥抗腐蚀水泥硬化时膨胀硬化速度快水化热低耐腐蚀性好清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS 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。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。水泥概述 u什么是水泥(cement)？水泥是以水化活性水泥是以水化活性矿物物为主要成分的主要成分的水硬性胶凝材料水硬性胶凝材料。u水泥的种类有哪些？按安用途和性能：通用水泥通用水泥、特性水泥特性水泥和专用水泥用水泥。u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！用于各种土木工程和钢筋混凝土结构！其性能和正确选用对土木工程功能与质量至关重要！其性能和正确选用对土木工程功能与质量至关重要！清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESSu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制造工艺的制造工艺的“两两磨磨一一烧烧”工艺流程：工艺流程：硅酸盐水泥的生产硅质(粘土)钙 质(石灰石)1450调节原料(铁质)石膏水水 泥泥生生 料料熟 料混合材粉粉 磨磨煅煅 烧烧粉粉 磨磨 清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS通用硅酸盐水泥的种类根据混合材料的用量和种类的不同，可得到不同种类的通用硅酸盐水泥u硅酸盐水泥 P（无混合材）（无混合材）P（5粒化高炉矿渣或石灰石粉）粒化高炉矿渣或石灰石粉）u普通硅酸盐水泥PO（620%混合材）混合材）u大掺量混合材硅酸盐水泥不同种类、较大用量混合材不同种类、较大用量混合材清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS掺大量混合材的硅酸盐水泥品种硅酸盐水泥熟料石膏 2070%矿 渣矿渣硅酸盐水泥2040%火山灰火山灰硅酸盐水泥2040%粉煤灰粉煤灰硅酸盐水泥2050%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！混合材的种类与掺量密切相关！清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS通用硅酸盐水泥的品种及代号 清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS硅酸盐水泥的组成u硅酸盐水泥熟料主要胶凝物质，能水化硬化u石膏适量时，调节水泥的凝结时间（延缓）；过量时，引起提价安定性不良；天然石膏天然石膏、工业副产石膏工业副产石膏u混合材料调节水泥的强度等级；降低水泥成本活性混合材活性混合材：粉煤灰、粒化高炉矿渣、火山灰质材料非活性混合材非活性混合材：石灰石等，活性未达标的活性混合材窑灰窑灰：水泥回转窑窑尾废气中收集的粉尘u助磨剂：水泥粉磨时加入，不超过水泥质量的0.5%必要组分熟料又是如何组成的呢？清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS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BeliteC2SCa2SiO42CaOSiO2铝酸三钙AluminateC3ACa3Al2O63CaOAl2O3铁铝酸四钙FerriteC4AFCa2(Al,Fe)2O54CaOAl2O3Fe2O3 含 量(mass%)366015377151018u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清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS通用硅酸盐水泥的技术要求u化学指化学指标不溶物不溶物烧失量烧失量三氧化硫三氧化硫氧化镁氧化镁氯离子氯离子u碱含量（碱含量（选择性指性指标）u物理指物理指标凝结时间凝结时间体积安定性体积安定性强度强度细度（选择性指标）细度（选择性指标）u耐腐耐腐蚀性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清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS1.化学指标清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESSu碱含量主要从水泥生产原材料，尤其是粘土中带入，碱含量高有可能产生碱-集料反应。u水泥中碱含量按Na2O+0.658K2O计算值表示，按照水泥化学分析方法（GB/T 176）进行试验检验。u若使用活性骨料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中的碱含量应不大于0.60%或由买卖双方协商确定。2.碱含量清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS3.1 物理指标凝结时间 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。初凝初凝：从水泥加水拌和到水泥浆开始失从水泥加水拌和到水泥浆开始失去可塑性所需的时间；去可塑性所需的时间；终凝终凝：从水泥加水拌和到水泥浆完全失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。去可塑性，并开始具有强度所需的时间。u测定方法：定方法：用标准稠度准稠度的水泥净浆，在规定的温湿度下，用凝结时间测定仪来测定。u国标要求：国标要求：硅酸盐水泥：初凝硅酸盐水泥：初凝45min；终凝；终凝390min。其它通用水泥：其它通用水泥：初凝初凝45min；终凝时间；终凝时间600min。按规定的方法拌制的水泥净浆，在水泥标准稠度测定仪上，试杆沉入净浆底座（61）mm时的水泥净浆的稠度为标准稠度标准稠度。水泥净浆达到标准稠度时所需要的水量称为标准标准稠度用水量稠度用水量，通常为水泥质量的24%30%清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS试杆下降高度试杆下降高度（341）水水泥泥浆浆试试杆杆400.2水泥标准稠度测定水泥标准稠度测定清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS水泥凝结时间水泥凝结时间的测定的测定标准稠度标准稠度水泥浆水泥浆离底离底41mm为初凝，用分钟表示为初凝，用分钟表示min园弧形园弧形压痕压痕终终凝凝0.5mm清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS 答：u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；u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；u终凝时间太长，强度增长缓慢，也会影响施工。国标规定：凡初凝时间、终凝时间不符合规定的水泥为不合格品。为什么？清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESSu基本概念：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。u水泥体水泥体积安定性不良的原因：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。3.2 物理指标安定性 清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS试饼法试饼法雷氏夹法雷氏夹法合格标准：5mm。肉眼观察表面肉眼观察表面有无裂纹有无裂纹用直尺检查有无弯曲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，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。u检验方法检验方法（对于游离氧化钙引起的安定性不良）（对于游离氧化钙引起的安定性不良）对于游离氧化镁引起的体积安定性不良，必须根据水泥压蒸安定性试验方法（GB/T 750）用压蒸法压蒸法检验其危害作用清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS3.3 物理指标强度 u检验方法方法软练胶砂法，分胶砂法，分别测量抗量抗压强度和抗折度和抗折强度。度。试件尺寸：试件尺寸：4040160mm棱柱体；棱柱体；胶砂配比：胶砂配比：水泥水泥:ISO标准砂标准砂:水水=1:3:0.5；振动成型：振动成型：在频率为在频率为28003000次次/min，振幅，振幅0.75mm的振实台的振实台上成型。振动时间上成型。振动时间120s。试件养护：试件养护：在在20 C 1C，相对湿度不低于，相对湿度不低于90%的雾室或养护的雾室或养护箱中箱中24h，然后脱模在，然后脱模在20C 1 C的水中养护至测试的水中养护至测试龄期；龄期；水泥胶砂强度检验方法（ISO法）（GB/T 17671）清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS100mm160mmP抗折强度试验抗折强度试验PP抗压强度试验抗压强度试验强度度测量：量：将试件从水中取出，先进行抗折抗折强度度试验，折断后每截再进行抗抗压强度度试验。受压面积为4040=1600mm2。结果果计算：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。清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS根据3 3天天和2828天天强度测试结果，将水泥强度划分若干个强度等级 强度等级清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS3d28d时间（时间（d）强度强度（MPa）水泥强度发展规律清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESSu答答：水泥胶砂试件的强度与水泥的组成、试件的水灰比和砂灰比、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。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？清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESSu定定义 细度是指水泥粉体的粗细程度。u测量方法量方法筛析法筛析法：以80m或45m方孔筛的筛余量表示；比表面积法（勃氏法）比表面积法（勃氏法）：以1kg水泥颗粒所具有的总表面积来表示。u国国标要求要求硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥的比表面积比表面积应大于300m2/kg；其它通用硅酸盐水泥其它通用硅酸盐水泥的80m方孔筛的筛余量不得超过10.0%，或45m方孔筛的筛余量不得超过30.0%。为什么需要规定水泥的细度，是不是水泥越细越好？3.4 物理指标细度 清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS答：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，但是水化放热速度也快，水泥收缩也越大，对水泥石性能不利；u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，容易受潮结块，反而降低强度。为什么需要规定水泥的细度，是不是水泥越细越好？清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS扩展介绍：水泥的水化热 u概念：概念：水泥的水化是放热反应，放出的热量就是水化热。u放放热特征特征：水泥放热过程可持续很长时间，但大部分在3d内释放。u水化水化热的益的益处与危害：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。u水化水化热和放和放热速度的影响因素：速度的影响因素：水泥矿物组成水泥细度 清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS初初始始放放热热峰峰放热主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清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS水泥的水化和凝结硬化u水水化化水泥加适量水拌合后，立即发生化学反应，水泥的各组分开始溶解并产生复杂的物理、化学与力学的变化，可称之为水泥的水化。u凝凝结结从水泥加水搅拌开始到水泥浆体失去塑性的过程，此时水泥浆体还不具备强度。u硬硬化化随着水泥水化反应的继续进行，凝结的水泥浆体产生明显的强度并逐渐发展而成为坚硬水泥石的过程。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。水泥水化是其凝结硬化的前提，而凝结硬化则是水泥水化的结果。清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS水泥的水化和凝结硬化u水泥与水能发生化学反应水化反应；u水化反应将结合占水泥质量30左右的拌和水；u水化反应的产物水化物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。u水泥熟料矿物的水化反应u水泥浆的凝结硬化u水泥浆凝结硬化的影响因素清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS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BeliteC2SCa2SiO42CaOSiO2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（回顾）水化速度较快慢最快快放热量多少最多中强度较高后期高低较低耐侵蚀中良差优清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS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+1.5H2O清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESSC3S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。水水化化度度水化时间（天）水化时间（天）清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESSCSH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清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS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)清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS铝酸三钙C3A的水化u铝酸钙C3A的水化行为在水泥水化早期特别重要u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！u避免闪凝的有效途径加入石膏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。u石膏缓凝机理：石膏缓凝机理：v 钙钒石的形成反应(1)速度比纯C3A的反应(3)慢；v 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。清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS铁铝酸四钙C4AF的水化u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)C3H16uC4AF水化物的组成是可变的，属于铝酸盐与铁酸盐的固溶体，并由铁相凝胶产生。uC4AF的水化反应对整个水泥的行为影响较小。水泥熟料矿物强度增长曲线示意图清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS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晶体清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS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。清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESSu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清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS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。清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS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壳层清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS水泥浆中氢氧化钙的生长3 天7 天28 天365 天清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS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。清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESSu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清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS（1）水泥）水泥矿物物组成成（2）水泥）水泥细度度（3）养）养护条件（温度、湿度）与条件（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（6）水泥外加）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)清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS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，凝结硬化速度越慢；清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS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。清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS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放放热热速速度度时间时间/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)清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS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。清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS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，诱导期时间缩短清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS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。清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS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体积积比比水灰比水灰比长时间长时间放置在放置在水中的水中的水泥浆水泥浆体水化体水化最终生最终生成物成物清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS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。清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS水泥石的腐蚀与预防 u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。水泥是结构的腐蚀可分为物理腐物理腐蚀和化学腐化学腐蚀。u水泥石腐蚀性破坏外因：水泥石腐蚀性破坏外因：环境中腐蚀性介质，如：软水；酸、碱、盐的水溶液等u水泥石腐蚀性破坏内因：水泥石腐蚀性破坏内因：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 清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS软水侵蚀（溶出性侵蚀）软水侵蚀（溶出性侵蚀）u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。u 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。u预先在空气中碳化，可一定程度上阻止溶出性侵蚀。清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS盐类腐蚀盐类腐蚀 u硫酸硫酸盐的腐的腐蚀 腐腐蚀机理：机理：硫酸盐与水泥石中的氢氧化钙反应，生成硫酸钙。硫酸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未水化的铝酸钙反应，生成钙矾石（高钙再与水泥石中未水化的铝酸钙反应，生成钙矾石（高硫型水化硫铝酸钙），其体积增加硫型水化硫铝酸钙），其体积增加1.5倍，引起水泥石倍，引起水泥石的破坏。的破坏。当硫酸钙浓度高时，他们可直接结晶，生成二水石膏晶当硫酸钙浓度高时，他们可直接结晶，生成二水石膏晶体，造成膨胀压力，引起破坏。体，造成膨胀压力，引起破坏。u镁盐的腐的腐蚀 腐腐蚀机理：机理：主要是硫酸主要是硫酸镁和和氯化化镁，他，他们与与氢氧化氧化钙反反应，生成，生成氢氧化氧化镁和硫酸和硫酸钙或或氯化化钙，造成双重腐，造成双重腐蚀作用。作用。钙矾石钙矾石水泥石受硫酸盐侵蚀后，内部形成膨水泥石受硫酸盐侵蚀后，内部形成膨胀性结晶产物胀性结晶产物水泥石受硫酸盐侵蚀后，因膨胀性结晶产水泥石受硫酸盐侵蚀后，因膨胀性结晶产物引起的开裂物引起的开裂清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS酸类腐蚀酸类腐蚀 u腐腐蚀机理：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。u破坏形式破坏形式：溶失性破坏，溶失性破坏，组成与成与结构构发生很大改生很大改变。水泥石受酸腐蚀后，表面溶失、脱落水泥石受酸腐蚀后，表面溶失、脱落清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS强碱腐蚀强碱腐蚀u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时，会造成水泥石的严重破坏。水泥耐蚀性的定量表示耐蚀系数同龄期下，水泥试件在侵蚀性溶液中养护的强度与在淡水中养护的强度之比。清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS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，u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；u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；u表面防护处理，堵塞通道如：防腐涂层。清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS问题？u降低水泥石中降低水泥石中Ca(OH)2的含量，的含量，对水泥的耐腐水泥的耐腐蚀性性有什么作用？有什么作用？为什么？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泥石中的氢氧化钙密切相关。清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESSSummaryu物理力学性能密度强度体积稳定性细度水化热u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u施工性能凝结时间标准稠度用水量清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS通用硅酸盐水泥的性能特点及选用u硅酸盐水泥水化、凝结与硬化速度快，早期强度高。水化热大，且放热较集中。抗冻性好，干缩性相对较小，耐磨性好。耐腐蚀性差。水化产物中有较多的氢氧化钙。耐热性差。环境温度100以上时，强度有所提高；温度超过250，强度开始下降；温度超过400后，强度明显下降；超过700以上后，发生严重破坏。u（普通硅酸盐水泥）普通水泥的抗冻、耐磨等性能较硅酸盐水泥稍差；同等级时，普通水泥早期硬化速度表现稍慢，3d抗压强度也稍低。清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS通用硅酸盐水泥的性能特点及选用u高掺量混合材硅酸盐水泥早期强度低，后期强度增长潜力大。水化热低。较好的软水侵蚀和硫酸盐侵蚀抵抗能力。对温度敏感，适合高温养护。抗冻性较差，耐磨性较差。抗碳化能力较差。耐热性较强。硬化后干缩较大。保水性较差，泌水性较大。清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS通用硅酸盐水泥的性能特点及选用硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣水泥火山灰水泥粉煤灰水泥特性早期强度高；水化热较大；抗冻性较好；耐蚀性差；干缩较小与硅酸盐水泥基本相同早期强度较低，后期强度增长较快；水化热较低；耐热性好