水泥的水化和硬化解析

1、第2章 混凝土凝结与硬化3.5.1硅酸盐水泥水化硬化1. 水泥熟料矿物水化反应特征：水泥熟料颗粒中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。 来自水泥粉磨过程中二水石膏脱水分解： CaSO42H2O CaSO40.5H2O+1.5H2O水泥的水化和硬化解析第1页反应速度序列： 半水石膏CaSO40.5H2O和游离氧化钙f-CaO水化铝酸三钙C3A水化铁铝酸四钙C4AF水化硅酸三钙C3S水化硅酸二钙- C2S水化水泥的水化和硬化解析第2页水泥颗粒宏观形貌水泥颗粒结构水泥熟料颗粒细观形貌水泥熟料矿物微观结构水泥的水化和硬化解析第3页问题: 水泥浆怎样转变成坚硬固

2、体？ 水泥浆经过水泥熟料矿物水化反应、浆体凝结硬化过程变成坚硬固体凝结水泥与水混合形成可塑浆体，伴随时间推移、可塑性下降，但还不具备强度，此过程即为“凝结”；硬化随即浆体失去可塑性，强度逐步增加，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过程是一个复杂物理化学改变过程。水泥的水化和硬化解析第4页水 泥水 溶 解沉 淀水泥浆凝结硬化过程扩 散水泥浆凝结硬化物理过程水泥的水化和硬化解析第5页 水化速度快 长纤维状 短纤维状六方板结晶缓凝机理：同上针状结晶 立方板状结晶 （1）水 化 高硫型水化硫铝酸钙 3CaOAl2O331H2O单硫型水化硫铝酸钙 3CaOAl2O312H2O水

3、泥的水化和硬化解析第6页铝酸三钙C3A水化铝酸钙C3A水化行为在水泥水化早期尤其主要.纯C3A与水反应快速，这一反应造成水泥浆闪凝或假凝，必须防止！快凝:指浆体快速形成不可逆固化现象，浆体已产生一定强度，重新搅拌并不能使其恢复塑性。假凝特征：指水泥加水拌合后，几分钟内即快速凝结变硬，经猛烈搅拌后，又重新恢复塑性现象。这是一个不正常早期快速固化现象。但与快凝又不相同。假凝放热量很小，而且经猛烈搅拌后，浆体又重新恢复塑性，并到达正常凝结，对强度没有不利影响，但增大了施工难度。防止闪凝有效路径加入石膏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根本原因！ 这一创造是硅酸

4、盐水泥发展史上一个里程碑。水泥的水化和硬化解析第7页（2）硬化第一阶段： 大约在水泥拌水起至初凝时止，C3S快速反应生成Ca(OH)2。石膏和C3A反应生成钙矾石晶体。 水泥浆呈塑性状态。第二阶段： 大约从初凝起至24h止，水泥水化加速，生成较多Ca(OH)2、钙矾石晶体、水化硅酸钙凝胶。 水化产物大量生成，水泥凝结。第三阶段： 指24h以后直到水化结束。全部水化产物生成，数量不停增加，结构愈加致密，强度不停提升。水泥的水化和硬化解析第8页水泥硬化研究理论 水化过程在不一样情况下会有不一样水化机理；不一样矿物在不一样阶段，水化机理也会不完全相同。水泥的水化和硬化解析第9页（3）影响水泥凝结硬化

5、主要原因矿物组成不一样矿物成份和水起反应时所表现出来特点是不一样，如C3A水化速率最快，放热量最大而强度不高；C2S水化速率最慢，放热量最少，早期强度低，后期强度增加快速等。所以，改变水泥矿物组成，其凝结硬化情况将产生显著改变。水泥矿物组成是影响水泥凝结硬化最主要原因.水泥的水化和硬化解析第10页 硅酸盐水泥品种及矿物含量C3S 48 65 31 42C2S 24 11 40 34C3A 13 8 12 2C4AF 9 9 12 15 特点： 普通 早强 低热 抗硫酸盐 A B C D CaO 66 67 64 64 SiO2 21 21 22 23 Al2O3 7 5 7 4 Fe2O3 3

6、 3 4 5 f-CaO 1 1 1 1 SO3 2 2 2 2水泥的水化和硬化解析第11页水泥浆水灰比 水灰比：是指水泥浆中水与水泥质量之比。 水灰比较大，此时水泥早期水化反应得以充分进行；不过水泥颗粒间原来被水隔开距离较远，颗粒间相互连接形成骨架结构所需凝结时间长，所以水泥浆凝结较慢。 水泥浆水灰比较大时，多出水分蒸发后形成孔隙较多, 造成水泥石强度较低。所以水泥浆水灰比过大时，会显著降低水泥石强度。水泥的水化和硬化解析第12页 石膏掺量石膏起缓凝作用机理可解释为：水泥水化时，石膏能很快与铝酸三钙作用生成水化硫铝酸钙（钙矾石AFt），钙矾石极难溶解于水，它沉淀在水泥颗粒表面上形成保护膜，从

7、而妨碍了铝酸三钙水化反应，控制了水泥水化反应速度，延缓了凝结时间。 水泥细度在矿物组成相同条件下，水泥磨得愈细，水泥颗粒平均粒径小，比表面积大，水化时与水接触面大，水化速度快，对应地水泥凝结硬化速度就快，早期强度就高。水泥的水化和硬化解析第13页 环境温度和湿度在适当温度条件下，水泥水化、凝结和硬化速度较快。反应产物增加较快，凝结硬化加速，水化热较多。相反，温度降低，则水化反应减慢，强度增加变缓。但高温养护往往造成水泥后期强度增加迟缓，甚至下降。水存在是水泥水化反应必要条件。当环境湿度十分干燥时，水泥中水分将很快蒸发，以致水泥不能充分水化，硬化也将停顿；反之，水泥水化将得以充分进行，强度正常增

8、加。龄期（时间）水泥凝结硬化是随时间延长而渐进过程，只要温度、湿度适宜，水泥强度增加可连续若干年。水泥的水化和硬化解析第14页3.5.2 通用硅酸盐水泥性能特点及应用1. 硅酸盐水泥特征及应用（）凝结硬化快，早期及后期强度均高。适合用于有早强要求工程，（如冬季施工、预制、现浇等工程），高强度混凝土工程（如预应力钢筋混凝土，大坝溢流面部位混凝土）。（2）抗冻性好。适合水工混凝土和抗冻性要求高工程。（3）耐腐蚀性差，因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙含量较多。水泥的水化和硬化解析第15页（4）水化热高。 不宜用于大致积混凝土工程。但有利于低温季节蓄热法施工。（5）抗碳化性好。因水化后氢氧化钙含量较多，故

9、水泥石碱度不易降低，对钢筋保护作用强。 适合用于空气中二氧化碳浓度高环境。（6）耐热性差。因水化后氢氧化钙含量高。 不适合用于承受高温作用混凝土工程。 （7）耐磨性好。 适合用于高速公路、道路和地面工程。1.硅酸盐水泥特征及应用水泥的水化和硬化解析第16页2. 普通硅酸盐水泥特征及应用（1）早期强度略低，后期强度高。（2）水化热略低。（3）抗渗性好，抗冻性好，抗碳化能力强。（4）抗侵蚀、抗腐蚀能力稍好。（5）耐磨性很好；耐热性能很好。普通硅酸盐水泥应用范围和硅酸盐水泥相同。水泥的水化和硬化解析第17页3.矿渣硅酸盐水泥（简称矿渣水泥PS） 由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣及适量石膏混合磨细而成水

10、硬性胶凝材料。矿渣硅酸盐水泥主要性能特点以下：（1）早期强度低，后期强度高。对温度敏感，适宜于高温养护。（2）水化热较低，放热速度慢。（3）含有很好耐热性能。（4）含有较强抗侵蚀、抗腐蚀能力（5）泌水性大，干缩较大。（6）抗渗性差，抗冻性较差，抗碳化能力差。水泥的水化和硬化解析第18页4.火山灰质硅酸盐水泥（火山灰水泥） 由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料及适量石膏混合磨细而成水硬性胶凝材料。火山灰水泥主要性能特点以下：（1）早期强度低，后期强度高。对温度敏感，适宜于 高温养护。（2）水化热较低，放热速度慢。（3）含有较强抗侵蚀、抗腐蚀能力（4）需水性大，干缩率较大。（5）抗渗性好，抗冻性较差

11、，抗碳化能力差，耐磨性 差。水泥的水化和硬化解析第19页5.粉煤灰硅酸盐水泥（粉煤灰水泥） 由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰及适量石膏混合磨细而成水硬性胶凝材料。粉煤灰水泥主要性能特点以下：（1）早期强度低，后期强度高。对温度敏感，适宜于高温养护。（2）水化热较低，放热速度慢。（3）含有较强抗侵蚀、抗腐蚀能力（4）需水量低，干缩率较小，抗裂性好。（5）抗冻性较差，抗碳化能力差，耐磨性差。注意： 复合水泥特点 取决于所掺混合材种类。水泥的水化和硬化解析第20页6.掺混合材料硅酸盐水泥共性与应用掺混合材硅酸盐水泥共性密度较小 2.703.10。早期强度较低，后期强度增加率高。对养护温湿度敏感，适合蒸汽养护

12、。水化热较小。耐腐蚀性很好。抗冻性、耐磨性不及硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥。水泥的水化和硬化解析第21页 掺混合材料硅酸盐水泥应用凝结硬化速度慢、早期强度低。不过后期强度增加较多，甚至超出同标号硅酸盐水泥或普通水泥。故这三种水泥不宜用于有早强要求工程。 硬化时对湿热敏感性强。温度低时凝结硬化慢，但在湿热条件下（60-700C以上），凝结硬化速度大大加紧，强度发展很快。故适宜采取蒸汽养护。 水化放热速度慢，放热量低。宜用于大致积混凝土工程。 抗软水和抗硫酸盐腐蚀能力强。因为混合材料水化时消耗了部分Ca(OH)2，致使水泥适石中Ca(OH)2含量降低，而且C3AH6含量也大大降低，所以抗这两种腐蚀能

13、力比硅酸盐水泥和普通水泥要强。故适合用于受软水或硫酸盐腐蚀水利工程，海港工程及地下工程。 抗冻性和抗碳化能力差。这三种水泥早强低，受冻易损害，且因为Ca(OH)2含量少，碱度低，易碳化分解，使已硬化水泥石表面产生“起粉”现象。故不宜用于严寒地域，尤其是严寒地域水位经常变动部位。水泥的水化和硬化解析第22页7.水化热 概念： 水泥水化是放热反应，放出热量就是水化热。放热特征： 水泥放热过程可连续很长时间，但大部分在3d内释放。水化热益处与危害： 水化热有利于水泥快硬，尤其是在冬天施工，但假如水化热发散不均匀，轻易在混凝土中引发裂缝，尤其是大致积混凝土，更是如此。水化热和放热速度影响原因：水泥矿物

14、组成水泥细度 水泥的水化和硬化解析第23页问题？1.为何水泥颗粒越细，水化放热越快？ 答: 水泥矿物水化反应是放热反应，水泥颗粒越细，水化反应速度越快。2.硅酸盐水泥熟料四种矿物中，哪一个水化热最大？哪一个水化热最小？ 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。3.为何要限制水泥不溶物含量和烧失量？ 答：不溶物是指水泥经酸和碱处理后，不能被溶解残余物；烧失量是指水泥经高温灼烧后质量损失率。这两项指标超标表示水泥中不能水化杂质含量大，影响水泥硬化后性能。水泥的水化和硬化解析第24页问题？4.试从应用角度，分析水泥技术性质及其要求？ 答：水泥是一个胶凝材料，是主

15、要结构材料之一，所以，它必须含有强度和体积安定性；细度和标准稠度用水量是相互关联，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品质；为了结构物自重计算，必须知道水泥密度。水泥的水化和硬化解析第25页3.6 特征水泥 和专用水泥 特征水泥：铝酸盐水泥快硬硫铝酸盐水泥道路硅酸盐水泥白色和彩色水泥抗硫酸盐硅酸盐水泥专用水泥：砌筑水泥膨胀和自应力水泥中热水泥和低热矿渣水泥水泥的水化和硬化解析第26页一、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含量16.0。性能特点：

16、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。水泥的水化和硬化解析第27页二、白色硅酸盐水泥 组成特点： 水泥中氧化铁含量低于水泥质量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；主要用于建筑室内外装饰等。水泥的水化和硬化解析第28页三、抗硫酸盐水泥 组成特点： C3S、C3A含量低，要求C3S含量低于50.055.0%；C3A含量低于5.03.0%。 （为何？）性能特点： 含有抵抗较高浓度硫酸根离子侵蚀

17、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硫酸根离子浓度分别为2500mg/L和8000mg/L硫酸钠溶液中，浸泡6个月后强度与同时浸泡在饮用水中试件强度之比。 水泥的水化和硬化解析第29页四、膨胀水泥和自应力水泥 膨胀和自应力水泥按膨胀值分为： 收缩赔偿水泥： 这种水泥膨胀性较弱，膨胀时所产生压应力大致能抵消干缩引发应力，可预防混凝土产生干缩裂缝。自应力水泥： 这种水泥含有较大膨胀性能，当它用于钢筋混凝土中时，因为它膨胀性能，使钢筋受到较大拉应力，而混

18、凝土则受到对应压应力。当外界原因是混凝土结构产生拉应力时，就可被预先含有压应力抵消或降低。 这种靠水泥本身水化产生膨胀来张拉钢筋到达预应力称为自应力。水泥的水化和硬化解析第30页膨胀水泥和自应力水泥组成特点: 含有在水泥凝结硬化过程中能产生适量体积膨胀成份，如：氧化钙、氧化镁、硫铝酸钙、明矾石、石膏等。种类： 硅酸盐型、铝酸盐型、硫铝酸盐型。性能特点： 凝结硬化过程中体积不收缩，而略有膨胀，提升密实性和抗渗性。应用特点： 可用于配制防水砂浆和防水混凝土、管道接头、堵缝和自应力钢筋混凝土结构工程和构件等。 水泥的水化和硬化解析第31页五、中热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥 组成特点： 熟料中C3

19、S、C3A含量较低，后一个掺加2060%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很好。应用特点： 适合用于大致积混凝土，如大坝水利工程；和要求低水化热、高抗冻性和耐磨性工程。水泥的水化和硬化解析第32页六、快硬硅酸盐水泥 组成特点： 熟料中C3S、C3A含量较高，石膏掺量略大（其中SO34.0%）。性能特点： 水泥细度较细，凝结硬化快，早期强度促进率高。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。水泥的水化和硬化解析第33页七、高 铝 水 泥 （铝酸盐水泥）高铝水泥矿物组成 高铝水泥水化高铝水泥技术性质高铝水泥特点与应用水泥的水

20、化和硬化解析第34页(一) 高铝水泥矿物组成 定义： 高铝水泥（矾土水泥）是以铝矾土和石灰石为原料，按一定百分比配合，经煅烧、磨细所制得一个以铝酸钙为主要矿物成份水硬性材料，又称铝酸盐水泥。主要矿物有：铝酸一钙 CaOAl2O3 CA，50%70%；硅酸二钙 2CaOSiO2 C2S，七铝酸十二钙 12CaO7Al2O3， C12A7 二铝酸一钙 CaO2Al2O3， CA2 硅铝酸二钙 2CaOAl2O3SiO2 C2AS水化活性很低水化活性很高水泥的水化和硬化解析第35页(二) 高铝水泥水化和硬化 特点：1. 高铝水泥水化主要是铝酸一钙水化和水化物结晶；2. 铝酸一钙水化物组成与温度相关：

21、 T20C CA + 10 H2O CAH10 20CT30C 2CA + 11 H2O C2AH8 30CT 3CA + 12 H2O C3AH6 + 2(Al2O3 3H2O) 3.水化反应集中在早期，而且，反应速度较快，所以，早期强度增加快；4.水化物都是晶体，而且，稳定性较差，轻易发生相互间转化，因而引发强度降低。 水泥的水化和硬化解析第36页不一样温度下铝酸盐水泥水化物5C20C40C60C5C下铝酸盐水泥稳定水化物CAH10(六方片状晶体）水泥的水化和硬化解析第37页65C下铝酸盐水泥稳定水化物C3AH6(立方晶体） 水泥的水化和硬化解析第38页(三) 高铝水泥技术性质 1. 外观

22、：黄色或黄褐色或灰色；2. 密度与堆积密度：与硅酸盐水泥相近；3. 细度：80m筛余不得超出10%；4. 凝结时间：初凝40min，终凝10h；5. 强度： 见表2-20。水泥的水化和硬化解析第39页(四) 高铝水泥特点与应用 1. 耐高温性能好，配制耐高温混凝土或砌筑砂浆；高铝水泥混凝土在13000C还能保持约53%强度。2. 耐硫酸盐腐蚀性能很好，适合用于有抗硫酸盐侵蚀要求工程；3. 耐碱性较差，不能用于接触碱溶液工程；4. 水化热较大，适合用于冬季施工，不适合用于大致积混凝土；5. 快硬早强，宜用于紧急抢修工程。6. 高铝水泥有强度倒缩现象，如需用于工程中，应按最低稳定强度设计。 水泥的水化和硬化解析第40页高铝水泥应用时注意 不宜用于长久承重结构机处于高温高湿环境工程。 铝酸盐水泥最适宜硬化温度为150C左右，普通不超出250C。如温度过高，水化铝酸一钙和水化铝酸二钙会转变成水化铝酸三钙，固相体积降低，孔隙