岩土工程基础：硅酸盐水泥凝结硬化过程

1、岩土工程基础：硅酸盐水泥凝结硬化过程     32硅酸盐水泥凝结、硬化过程凝结：水泥加水拌和最初形成具有可塑性的浆体，然后逐渐变稠失去可塑性的过程称为凝结。硬化：水泥凝结后，强度逐渐提高并变成坚硬的石状固体水泥石，这一过程称为硬化。从整体来看，凝结与硬化是同一过程中的不同阶段，凝结标志着水泥浆体失去流动性而具有一定塑性强度。硬化则表示水泥浆体固化后所建立的结构具有一定机械强度。有关水泥凝结、硬化过程，历来有不同的观点。目前主要有结晶理论、胶体理论，以及在此基础上发展起来的各种理论和观点。水泥的凝结、硬化过程是一个非常复杂的过程，实际上，水化过程

2、中不同情况下会有不同的水化机理，不同的矿物在不同阶段，水化机理也不完全相同。要更清晰地揭示水泥凝结、硬化的机理与过程，还有待于进一步研究。硅酸盐水泥的水化产物包括结晶度较差似无定形的水化硅酸钙凝胶、结晶良好的氢氧化钙、钙矾石、单硫型水化硫铝酸钙以及水化铝酸钙等晶体。水泥水化产物本身的化学组成和结构影响着硬化浆体的性能，各种水化产物的形貌及其相对含量在很大程度上决定着相互结合的坚固程度，与浆体结构的强弱密切相关。从力学性质看，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异，从而获得不同的浆体结构，性能也发生相应的改变。硬化

3、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，是固液气三相多孔体。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。水泥石的结构相当复杂，而且不均匀，目前还不能完全阐明其结构的真相，只能从水泥石组成、形貌、构造等各个方面，从不同层次进行研究与理解。下面我们简单说一下水泥石的的组成。水泥石的组成：水泥浆硬化后的水泥石是由未水化的水泥颗粒、凝胶体的水化产物、结晶体的水化产物（Ca2等）、以有未被水泥颗粒和水化产物所填满的原充水窨（毛细孔和毛细孔水）及凝胶体中的孔（凝胶孔）的组成。水泥石的工程性质决定于水泥石

4、的结构组成，即决定于水化物的类型和相对含量，以及孔的大小，形状和分布状态等。例如，当水泥的品种一定时，则水化产物的类型也是确定的，这时，水泥石的强度主要决定于水化产物的相对含量和孔隙的数量、大小、形状及分布状态。后者与拌和时用不量的大小（可用水灰比表示，即拌和时的用水量与水泥用量之比）密切相关。水灰比相同时，水化程度愈高，则水泥石结构中水化物愈多，而毛细孔和未水化水泥的量相对减少，因此水泥石结构密实、强度高、耐久性好，对水化程度相同而水灰比不同的水泥石结构而言，则水灰比大的浆体，毛细孔所占的比例相对增加，因此该水泥石的强度和耐久性下降。为此，降低水灰比，提高水泥浆或混凝土成型时的密实度以及加强

5、养护等是非常重要的。影响水泥凝结硬化的因素：湿度和温度。若水泥处于干燥环境，浆体中水分蒸发完毕后，则水泥无法继续水化，因而强度也不再增长，因此混凝土工程在浇灌后23周内必须加强洒水养护，以保证水化时所必需的水分。温度对水泥凝结硬化的影响也很大。温度愈高，凝结硬化的速度愈快，因此采用蒸汽养护是加带凝结硬化的方法之一。当温度较低时，凝结硬化速度比较缓慢，当温度为0度以下时，硬化将完全停止，并可能遭受冰冻破坏，因此，冬季采取保温等措施。下面说一下硅酸盐水泥性能4、硅酸盐水泥性能硅酸盐水泥性能主要有：强度、体积变化、凝结时间、水化热、保水性与泌水性，下面我们一一讲一下。41强度：水泥强度是评价水泥质量

6、的主要指标之一。由于水泥的强度随着龄期逐渐增长变化，因此必须先说明一下养护龄期问题。早期强度：通常将水泥28天以前的强度称为早期强度；后期强度：28天及其以后的强度称为后期强度；长期强度：也有将三个月、六个月或更长时间的强度称为长期强度。水泥强度的测定，必须按照国家标准规定进行。水泥强度与水泥的组成、水灰比、水化程度、环境温度、湿度以及压力等有关。（1）强度与水泥组成硅酸盐水泥是由水泥熟料加适量石膏经磨细而成，因此水泥熟料的组成实际上决定了水泥水化速度、水化产物本身的强度、形态与尺寸，对水泥强度的增长起着重要作用。研究表明，硅酸盐矿物含量是决定水泥强度的主要因素，水泥强度不是几种熟料矿物强度的

7、简单加和。硬化水泥浆体28天强度基本上依赖于C3S含量。C3S含量高的水泥，在28天已经能发挥出最高强度的绝大部分，以后强度增长不大。而C2S含量高的水泥，虽然其强度增长速度开始时很慢，但能持续发展，到180天时其强度与前者已经非常接近。C3A对水泥强度的影响，存在着不同看法。从单矿物强度发展来看，C3A主要对极早期的强度有利，但也有人认为它对于28天强度仍有相当贡献。c4AF是硅酸盐水泥熟料的几个基本矿物组成中强度最差的一种，但有资料表明，C4AF不仅对水泥的早期强度有相当贡献，而且更有助于后期强度发展，其含量大小也是影响水泥各龄期强度的一个主要因素。（2）强度与水灰比水泥水化时，水灰比越大

8、，产生的毛细孔隙越多。水泥浆体越不密实，硬化水泥浆体强度越低。因此，水灰比直接影响硬化水泥浆体的孔隙率，并且与水泥的强度密切相关。硬化水泥浆体的密实程度也用胶空比来表示。胶空比：是指凝胶固相在浆体总体积中所占的比例，也就是凝胶体填充浆体内原有孔隙的程度。随着水泥水化程度的提高，凝胶体积不断增加，毛细孔隙率相应减少，水泥浆体强度提高。因此，水泥浆体的强度与水泥水化程度之间也存在着相似的关系。当水灰比一定时，水泥水化程度越高，浆体孔隙率越低，水泥强度越高；当水泥的水化程度相同时，水灰比决定了浆体的孔隙率，水灰比越大，孔隙率越高，强度越低。（3）、温度和压力的影响提高养护温度，水泥的水化加速，强度在

9、初期能较快发展，但以后的强度发展可能有所降低，特别是抗折强度更为显著。相反，在较低温度时，虽然水化硬化速率变慢，但可能获得较高的最终强度。提高养护温度必须不使水泥浆体干燥，否则水化作用可能停止，因此，一般宜用饱和蒸汽进行养护。如果将养护温度提高到100以上，就必须采用高压饱和蒸汽。但是，在蒸压条件下，高温对强度的损伤比较严重，而且水化产物的化学组成和物理性质都会发生变化。42体积变化体积安定性也是水泥的一项很重要性能指标。如果水泥在水化、硬化过程中产生剧烈而不均匀的体积变化，其安定性不良，该水泥就不得使用。另一方面，水泥水化、硬化前后，其体系的总体积缩小，而固相体积增大；环境的温度和湿度变化以

10、及大气作用等各种原因，也会引起水泥浆体在水化、硬化前后的体积变化，如：湿胀干缩和碳化收缩等，这些体积变化都会不同程度影响到硬化水泥浆体的物理力学和耐久性能。特别要重视水泥浆体的体积变化均匀性，如果体积变化很不均匀，影响将更为严重。硬化水泥浆体的体积随含水量而变。干燥使硬化水泥浆体产生体积收缩，潮湿时则会发生体积膨胀。干缩和湿胀大部分是可逆的，硬化水泥浆体在第一次干燥收缩后，再在潮湿环境中，其体积收缩会部分得到恢复，因此干湿循环可导致硬化水泥浆体反复胀缩，但还遗留有部分不可逆收缩。干燥与失水有关，但两者并不成线性关系。相对湿度不同，硬化水泥浆体的收缩也不同。目前对于干燥引起收缩的确切原因有不同解

11、释，一般认为与毛细孔张力、表面张力以及层间水的变化等因素有关。碳化收缩是引起硬化水泥浆体体积变化的主要方面。空气中的二氧化碳，在有水汽存在条件下，可以与水泥浆体内所含氢氧化钙作用，生成碳酸钙和水，从而引起硬化水泥浆体体积减少，这种体积收缩称为碳化收缩，是不可逆收缩。硬化水泥浆体体积的变化，不论是收缩还是膨胀，最重要的是体积变化的均匀性，剧烈而不均匀的体积变化，是使浆体整体性变差，甚至开裂破坏的一个主要因素。43凝结时间水泥浆体的凝结时间，对于工程施工具有重要意义。水泥浆体结构的形成过程实际上就是水泥水化产物长大、增多到足以将各种颗粒初步联接成网的过程。因此，凡是影响水泥水化速度的各种因素，基本

12、上也同样地影响着水泥的凝结时间，如矿物组成、细度、水灰比、温度和外加剂等。从矿物组成来看，Ga3A水化最为迅速，C3S水化快，数量也多，因而这两种矿物与水泥的凝结、硬化速度关系最为密切。一般如果是水泥熟料经磨细后遇水，会迅速发生凝结，因此常在水泥熟料中加入适量石膏，以调节凝结时间。44水化热水化热是水泥水化作用而产生。对于尺寸较大的构筑物，由于水泥水化产生的热量不易散失，内部温度升高，与其表面温差过大，就会产生较大的温度应力而导致裂缝。因此，对于大型基础以及堤坝等大体积混凝土工程，水化热是水泥一个相当重要的性能。水泥水化放热的周期相对较长，但大部分的热量释放是发生在3天以内，特别是在水泥浆体发

13、生凝结、硬化初期。水化热大小以及放热速率，首先取决于水泥的矿物组成。不同熟料矿物，其水化热大小及放热快慢不同，因此可以通过调整熟料矿物组成，来配制低热水泥。水化热不仅与矿物组成有关，而且还与水泥的细度、水灰比、养护温度等有关。实际上，凡能够加速水泥水化的因素，均能相应提高放热速率，影响水泥的水化热，从而影响构筑物的温升。45保水性与泌水性水泥保水性：是指水泥浆体在静置条件下保持水分的能力。泌水性：则是指水泥浆体所含水分从浆体中析出的难易程度，又称析水性。在混凝土制备过程中，实际拌和用水往往比水泥水化所需的水量多，如果所用水泥的泌水性大，则导致混凝土分层离析，破坏混凝土均一性；同时使水泥浆体和集

14、料、钢筋之间不能牢固粘结，并形成较大孔隙。所以用泌水性大的水泥所配制的混凝土，孔隙率提高，特别是连通的毛细孔较多，质量不均，抗渗性、抗冻性以及耐蚀等性能较差；由于分层、离析，导致混凝土界面薄弱层的出现，使混凝土整体力学强度等性能降低。如果水泥的保水性不好，则拌成的砂浆在砌筑时，很容易被所接触的砖、砌块等基材吸去水分，从而降低其可塑性与粘结性，不能形成牢固的粘结：而且施工也不方便。一般情况下，凡是能够改善水泥泌水性的因素，一般都能提高其保水性。例4、影响水泥强度的因素有A、水泥的组成B、水灰比C、环境温度D、湿度。答案：ABCD我们知道水泥的强度与水泥的组成、水灰比、环境温度、湿度、水化程度以及压力等有关例5、下列关于硅酸盐水泥凝结、硬化过程是正确的A、水泥加水拌和最初形成具有可塑性的浆体的过程叫做水泥的凝结B、凝结与硬化是同一过程中的不同阶段，C、凝结标志着水泥浆体失去流动性而具有一定塑性强度。D、硬化表示水泥浆体固化后所建立的结构具有一定机械强度。答案：BCD凝结的概念是这样的水泥加水拌和最初形成具有可塑性的浆体然后逐渐变稠失去可塑性的过程称为凝结。例6、下列说法正确的是A、用泌水性大的水泥，则导致