土木工程材料：第3次课 硅 酸 盐 水 泥

1、土木工程材料 硅 酸 盐 水 泥Portland Cement水泥石组成与性能之间的关系 固相：C-S-H凝胶，铁相凝胶，CH，AFT，AFM晶体，未水化水泥颗粒 液相：自由水，吸附水，凝胶水 气相：毛细孔，凝胶孔水泥石结构与性能之间的关系 多孔结构 多物相组成，物相分布不均，尺寸不一，形貌各异水泥石的组成与结构随着水泥水化度的变化而变化2.3.3 硅酸盐水泥石的组成与结构1材料组成、结构与性能的关系熟料矿物水化反应小结硅酸钙的水化2C3S + 6H C3S2H3 （C-S-H） + 3CH + 120cal/g2C2S + 4H C3S2H3 （C-S-H） + CH + 62cal/g铝酸

2、钙的水化C3A + 18H2O C2AH8 + C4AH13C3A+ 3CH2+26H C3A3C3H32 （钙钒石） + 300 cal / gC3A+ 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)C3H122.3.2 硅酸盐水泥的凝结硬化D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2.3.3 硅酸盐水泥石的组成与结构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（1）硅酸钙水化物 Calciu

3、m Silicate HydrateC-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 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。2.3.3 硅酸盐水泥石的组成与结构水泥水化物的组成与结构特点2C-S-H形貌硅酸钙水化物C-S-H的胶体结构C-S-H形貌2.3.3 硅酸盐水泥石的组成与结构C-S-H 凝胶分子结构模型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2.3.

4、3 硅酸盐水泥石的组成与结构水泥浆中的固体相( 2 )羟钙石 (portlandite) 氢氧化钙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(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。2.3.3 硅酸盐水泥石的组成与结构水泥水化物的组成与结构特点2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水泥石中的羟钙石晶体2.3.3 硅酸盐水泥石的组成与结构（3）水化硫铝酸钙Calcium Sulfoaluminate Hydrates两种：钙矾石Aft

5、、单硫型水化硫铝酸钙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2.3.3 硅酸盐水泥石的组成与结构水泥水化物的组成与结构特点22.3.3 硅酸盐水泥石的组成与结构典型Afm六方片状晶体和Aft针状晶体的形貌针状钙钒石晶体形貌生长在水泥石孔隙中的针状的钙钒石晶体（4）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2.3.3 硅酸盐水泥石的组成与结构水泥

6、水化物的组成与结构特点2水泥石中的孔隙3黑色代表孔隙C-S-H凝胶中的层间孔隙凝胶孔 gel pores尺寸 = 0.5 2.5 nm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引入的空气泡: 50 200 m对强度和抗渗性非常有害2.3.3 硅酸盐水泥石的组成与结构水泥石中孔分布与水化龄期2.3.3 硅酸盐水泥石的组成与结构水泥石中孔分布与水灰比2.3.3 硅酸盐水泥石的组成与结构水泥石中的水水蒸气 大的

7、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。化学结合水量可用于测定水泥水化度。 (105C)可蒸发水(105C)不可蒸发水42.3.3 硅酸盐水泥石的组成与结构2.3.4 水泥石强度如何产生？水泥石强度来自其内聚力水泥石的内聚力 来自水化硅酸钙C

8、-S-H颗粒的巨大内比表面积（约为200000m2/kg）的表面能胶粒间很大的范得华力凝胶内层间准单分子水、Ca2、OH等离子间的化学键力分布在CSH凝胶中的水化物晶体（如羟钙石、AFt、AFm等）颗粒间的次价键力也对水泥石强度有所贡献铝酸钙水化物对水泥石的早期（13 d）强度有贡献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水泥石强度随熟料矿物的水化反应、水泥石结构的密实不断增长1水泥强度发展规律时间（d）强度（MPa）3d28d3d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2.3.4 水泥石强度如何

9、产生？2.3.4 水泥石强度如何产生？水泥石强度的影响因素影响水泥浆凝结硬化的因素均影响水泥石的强度熟料矿物与水泥物相组成 硅酸钙含量高，强度较高水泥颗粒细度 颗粒越细，早期强度越高水灰比 水灰比越小，强度越高养护条件 合适养护可保证强度发展，养护不良将损害强度；龄期 水泥石强度随龄期不断增长，早期快，后期逐渐减慢外加剂 不同外加剂有不同的影响毛细孔隙率 孔隙率越大，强度越低2水泥颗粒越细，强度发展越快，越高C3S和C2S含量高强度高，C3S含量高强度发展快2.3.4 水泥石强度如何产生？2.3.4 水泥石强度如何产生？毛细孔隙率对水泥石强度的影响应用水泥凝结硬化机理分析与解答问题为什么水泥硬

10、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。 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。问 题硅酸盐水泥的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

11、和烧失量碱含量耐腐蚀性软水侵蚀盐类侵蚀酸类腐蚀强碱腐蚀防腐措施2.3.5 水泥的技术性质与正确选用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。 12.3.5 水泥的技术性质与正确选用 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。以45 m方孔筛筛余不大于30 %作为选择性指标细度不符

12、合要求的水泥为不合格品！ 22.3.5 水泥的技术性质与正确选用为什么需要规定水泥的细度？解答：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。2.3.5 水泥的技术性质与正确选用 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

13、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%。 32.3.5 水泥的技术性质与正确选用2.3.5 水泥的技术性质与正确选用试锥下降高度水泥浆试锥标准稠度用水量与什么因素有关？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。 2.3.5 水泥的技术性质与正确选用凝结时间 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

14、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。42.3.5 水泥的技术性质与正确选用水泥凝结时间的测定标准稠度水泥浆离底12mm为初凝园弧形压痕终凝2.3.5 水泥的技术性质与正确选用 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

15、格品。2.3.5 水泥的技术性质与正确选用体积安定性 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，则体积安定性良好若水泥石发生翘曲、开裂等不均匀体积变化，则体积安定性不良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 体积安定性不良的水泥为废品！为什么？52.3.5 水泥的技术性质与正确选用检测

16、方法：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体积安定性 合格标准：用直尺检查有无弯曲肉眼观察表面有无裂纹试件煮沸后合格标准：5mm52.3.5 水泥的技术性质与正确选用强 度 检验方法软练胶砂法，分别测量抗折和抗压强度试件尺寸：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0.75

17、mm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2.3.5 水泥的技术性质与正确选用6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。100mm160mmPPP强 度 2.3.5 水泥的技术性质与正确选用6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、试件的水灰比和砂灰比、水泥的水化程

18、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2.3.5 水泥的技术性质与正确选用水化热 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 72.3.5 水泥的技术性质与正确选用问 题？为什么要限制水泥的不溶物含量和烧失量？

19、 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。2.3.5 水泥的技术性质与正确选用试从应用的角度，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。问 题？2.3.5 水泥的技术性质与正确选用水

20、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2.3.5 水泥的技术性质与正确选用水泥的耐腐蚀性 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)

21、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82.3.5 水泥的技术性质与正确选用软水侵蚀（溶出性侵蚀） 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。 2.3.5 水泥的技术性质与正确选用1盐类腐蚀 硫酸盐的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。镁盐的腐蚀机