胶凝材料学-水泥

胶凝材料学——水泥目录水泥的定义及分类通用硅酸盐水泥的定义、分类及生产硅酸盐水泥的水化硬化硅酸盐水泥的技术要求及性能掺混合材料的硅酸盐水泥水泥石的耐久性混凝土的碳化一、水泥的定义及分类1、水泥的定义凡细磨成粉末状，参加适量水后，可成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等材料胶结在一起的水硬性胶凝材料，通称为水泥。2、水泥的分类水泥按用途及性能分为：〔1〕通用水泥:一般土木建筑工程通常采用的水泥。通用水泥主要是指GB175—2007规定的六大类水泥。〔2〕专用水泥：专门用途的水泥。如：油井水泥，道路硅酸盐水泥，耐火水泥，大坝水泥。〔3〕特性水泥：某种性能比较突出的水泥。如：快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、白水泥。水泥按其主要水硬性物质名称分为：〔1〕硅酸盐水泥，即国外通称的波特兰水泥；〔2〕铝酸盐水泥；〔3〕硫铝酸盐水泥；〔4〕铁铝酸盐水泥；〔5〕氟铝酸盐水泥；〔6〕磷酸盐水泥〔7〕以火山灰或潜在水硬性材料及其他活性材料为主要组分的水泥。生料：由石灰质原料、黏土质原料及少量校正原料按比例配合，粉磨到一定细度的物料，成为水泥生料。熟料：以适当成分的生料烧至局部熔融，所得的以硅酸钙矿物为主要成分的产物。校正原料：当石灰质原料和粘土质原料配合所得生料成分不能符合配料方案要求时，必须根据所缺少的组分掺加相应的原料，这种以补充某些成分缺乏为主的原料称校正原料。3、相关概念通用硅酸盐水泥〔commonportlandcement)：GB175-2007：以硅酸盐水泥熟料和适量石膏，及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。按照混合材料的品种和掺量分为：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。二、通用硅酸盐水泥的定义、分类及生产硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料、0%~5%的石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥〔即波特兰水泥〕。硅酸盐水泥分为两种类型：不掺混和材料的称为Ⅰ型硅酸盐水泥，代号P·I；掺加不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣的称为Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P·Ⅱ。波特兰岛上采集的石头〔波特兰水泥以此命名〕和现代混凝土的圆柱形试件〔右〕硅酸盐水泥硅酸盐水泥的生产1、生产硅酸盐水泥的原料原料：石灰质原料：提供CaO，有石灰岩、泥灰岩、白垩、贝壳等。粘土质原料：提供Al2O3，SiO2，有粘土、黄土、页岩和泥岩等，校正原料：铁矿石〔提供Fe2O3〕矿化剂：煅烧过程中能加速熟料矿物的形成，而本身不参加反响或只参加中间物反响的一类物质。如萤石、石膏等石灰岩白垩铁矿石生产过程：两磨一烧生料的配制和磨细——磨将生料煅烧成熟料——烧熟料与混合材料一起磨成水泥——磨2、生产过程及工艺水泥窑头生产方法干法：原料烘干磨成生料粉，再入窑烧成熟料半干法：生料粉参加适量水制成生料球，煅烧湿法：原料加水磨成生料浆，喂入窑中煅烧生料粉〔干法生产〕生料浆〔湿法生产〕2、硅酸盐水泥熟料矿物的组成、结构及性能水泥熟料矿物硅酸二钙铁铝酸四钙游离氧化钙和氧化镁铝酸三钙硅酸三钙碱类及杂质2CaO•SiO2，C2S4CaO•Al2O3•Fe2O3，C4AFf－CaO和f－MgO3CaO•Al2O3，C3A3CaO•SiO2，C3S化学式及简写1〕硅酸盐水泥熟料：由原料按适当比例磨成细粉烧至局部熔融所得以硅酸钙为主要矿物成分的水硬性胶凝物质，其矿物组成如下。各种矿物的特性：矿物名称硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙矿物组成3CaO.SiO22CaO.SiO23CaO.Al2O34CaO.Al2O3Fe2O3简写式C3SC2SC3AC4AF矿物含量37%－60%15%－37%7%－15%10%－18%矿物特性硬化速度快慢最快快早期强度高低低中后期强度高高低低水化热大小最大中耐腐蚀性差好最差中水泥中还有少量的游离氧化钙、游离氧化镁，总含量不超过10％。改变水泥熟料中矿物成份间的比例，可以制得不同性质的水泥品种，如提高硅酸三钙含量，可以制得高强水泥和早强水泥；提高硅酸二钙含量并降低硅酸三钙与铝酸三钙的含量，可制得低热水泥或大坝水泥。水泥熟料在窑中，从原料到成品的形成过程熟料颗粒扫描电镜照片反光显微镜照片放大的水泥熟料〔a〕放大倍数为400X的显微镜下观察到的水泥熟料抛光薄片，图中光亮的、棱角形晶体为C3S，深色倒圆角的晶体为C2S，〔b〕放大倍数3000X的扫描电镜下熟料中C3S晶体的显微照片。ab石膏：天然石膏——符合GB/T5483中规定的G类或M类二级〔含〕以上的石膏或混合石膏；工业副产石膏——以硫酸铜为主要成分，使用前应经过试验证明对水泥性能无害。混合材料改善水泥性能，调节水泥强度等级的人工的和天然的矿物材料。活性混合材料；非活性混合材料；窑灰。助磨剂参加量不超过水泥质量的0.5%，复合JC/T667规定。2〕其他组成材料三、硅酸盐水泥的水化硬化1、硅酸盐水泥熟料矿物的水化1〕C3S的水化水化反响式如下：3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)2简写为：C3S+nH=C-S-H+(3-x)CH水化产物：水化硅酸钙〔C-S-H〕凝胶和氢氧化钙。水化过程分为早期〔诱导前期阶段和诱导期阶段〕、中期〔加速期阶段和衰减期阶段〕和后期〔稳定期阶段〕三个时期和五个阶段。反应阶段化学过程动力学行为诱导前期初始水化，离子进入溶液反应很快：化学控制诱导期继续溶解，早期的C-S-H形成反应慢：成核控制加速期水化产物形成与生长反应快：化学控制减速期水化产物继续生长：微结构发展反应适中：化学与扩散控制稳定期微结构逐渐密实反应很慢：扩散控制C3S各水化阶段示意图C3S反响各阶段的化学过程及动力学行为C3S水化反响特点水化较快，但凝结硬化时间正常。颗粒加水28d后可以水化70%左右。浆体硬化体的强度开展较快，早期强度较高，且强度增长较大，28d强度可以到达一年强度的70~80%。是硅酸盐水泥熟料矿物中28d强度最高的。2〕-C2S的水化-C2S水化反响式如下：2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2简写为：C2S+nH=C-S-H+(2-x)OH水化产物：C-S-H凝胶和CH〔CH晶体生长速度较慢，晶体粒度较大〕。水化特点：水化速率和微结构的开展速度约是C3S的1/20。是水化速度最慢的矿物，28d仅水化20%，早期强度较低，28d后强度继续增大，一年后可以接近或超过C3S的强度。3〕C3A的水化〔1〕常温下在纯水中的水化2(3CaO·Al2O3)+27H2O=4CaO·Al2O3·19H2O+2CaO·Al2O3·8H2O简写为：2C3A+27H=C4AH19+C2AH8在湿度低于85%时C4AH19容易失水为C4AH13。〔2〕在CH饱和溶液〔碱性介质〕中的水化反响 C3A＋CH＋12H＝C4AH13处于水泥浆体碱性介质中，C4AH13在常温下可以稳定存在，且数量增长很快，导致水泥浆瞬时凝结。需要缓凝：参加适量石膏石膏量足〔水化初〕 3CaO·Al2O3+3(CaSO4·2H2O)+26H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O三硫型水化硫铝酸钙，也称为钙矾石，用AFt表示假设石膏在C3A完全水化前耗尽，那么钙钒石与C3A反响生成单硫型水化硫铝酸钙〔AFm〕： C3A·3CS’·H32+2C3A＋4H=3(C3A·CS’·H12)〔3〕石膏存在下的水化假设石膏量极少，在所有钙钒石全部转变为单硫型水化硫铝酸钙后，还有C3A，那么形成单硫型水化硫铝酸钙和C4AH13固溶体。

钙矾石：针柱状的晶体，不溶于水。AFm：层状结构晶体，不溶于水C3A与石膏反响形成钙矾石后，即在C3A外表形成钙矾石包裹层，因而减缓了的C3A溶解速度，使水化速度减慢。但反响继续缓慢进行，使钙矾石包裹层变厚，产生结晶应力，当其超过一定数值后，包裹层局部破裂，促使反响加速，形成的钙矾石修复破裂处。包裹层破裂和修复反复进行，直到石膏消耗完毕。石膏缓凝机理熟料矿物具有水化反响能力的结构本质〔1〕结构不稳定性。原因在于：是处于介稳状态的高温型晶体结构；熟料矿物形成了阿利特和贝利特等有限固溶体；微量元素的掺杂使晶体排列的规律性受到某种程度的干扰。——以上原因使结晶结构的有序度降低，活性增大〔2〕结晶结构中存在活性阳离子。原因在于钙离子的配位氧离子排列不规那么，或是钙离子的配位数降低，使晶体结构中存在“空洞〞，因而易于与水反响。可以水化，不一定可以硬化和具有胶凝能力。硬化和具有胶凝能力的条件：〔1〕形成的水化产物是稳定的这取决于水化产物本身的结构特性〔2〕形成水化产物数量足够，它们之间能够彼此交叉连生，在整个水泥浆体的空间内形成连续的网状结构。这取决于液相的过饱和度及其持续时间熟料矿物具有胶凝能力的条件水化速率：单位时间内水泥的水化程度或水化深度。用水化热、化学结合水等方法测定。水化程度：某一时刻水泥发生水化作用的量和完全水化的量的比值。用百分比表示。水化深度：水泥粒子已经水化层的厚度，用um表示。影响硅酸盐水泥水化速率的因素28天之前的四种熟料矿物水化速率顺序为：

C3A＞C4AF＞C3S＞C2S水泥编号C3SC2SC3AC4AFⅠ4925128Ⅱ3046513Ⅲ5615128三种水泥的放热曲线不同熟料矿物组成的水泥〔1〕水泥熟料矿物：水泥越细，参与反响的外表积越大，反响速率越快。在矿物成分一定时，可以通过增大细度来加快反响速率，促进强度开展。但由于粉磨得费用较高，且细度增大水化热加大，因此对水泥细度有一定的控制。〔2〕水泥细度的影响从水泥熟料矿物溶解和水化来看，水灰比会影响溶液中离子的浓度。水灰比太小，水化所需水量缺乏，水化速度慢，特别是后期水化反响缓慢；适当增加水灰比，即增加用水量，可增大水和未水化水泥颗粒的接触，使水化速度有所提高。水泥的水化速率随着水灰比增大而提高水灰比硬化水泥浆中结合水量（%）1d3d7d28d3个月0.280.500.704.58.7—7.612.612.510.213.315.511.014.315.612.615.617.6〔3〕水灰比的影响提高温度会加快水化反响，即提高水化速率。温度对不同熟料矿物的影响程度不一样。提高温度对C2S水化反响影响最大，对C3A、C4AF的影响最小。温度对C3S的影响主要表现在水化早期，对后期影响不大。〔4〕温度的影响2、硅酸盐水泥的凝结硬化水泥的凝结是指水泥加水拌和后，成为塑性的水泥浆，其中的水泥颗粒外表的矿物开始在水中溶解并与水发生水化反响，水泥浆逐渐变稠失去塑性，但还不具有强度的过程。硬化是指凝结的水泥浆体随着水化的进一步进行，开始产生明显的强度并逐渐开展而成为坚硬水泥石的过程。凝结和硬化实际上是一个连续复杂的物理化学变化过程。水泥凝结硬化过程示意图分散在水中未水化的水泥颗粒在水泥表面形成的水合物膜层膜层长大并相互连接（凝结）水合物进一步发展，填充毛细孔（硬化）水化开始时，水合物不多，水泥颗粒之间未相互粘连，水泥浆具有良好的塑性。随着水泥颗粒的不断水化，凝胶体膜层厚度不断增厚，水泥颗粒之间形成网状结构，水泥浆体逐渐失去塑性，开始凝结。随着水化反响不断进行，水化产物不断生产并填充颗粒间的空隙，使结构更加紧密，水泥浆体逐渐产生强度。水泥水化反响是由颗粒外表逐步深入到颗粒内部，当水合物增多时，阻止了水分的进一步深入，水化反响愈来愈困难，经过长时间的水化后，仍有局部水泥颗粒未完全水化。水泥石中多余的水(自由水和吸附水)蒸发后会在水泥中留下微孔(裂纹)，从而降低水泥石强度。影响水泥凝结硬化的因素主要有：熟料矿物成分、水泥的细度、用水量、养护时间、石膏掺量、温度和湿度。1、技术要求四、硅酸盐水泥的技术要求及性能化学指标〔1〕不溶物不溶物是指经盐酸处理后的残渣，再以氢氧化钠溶液处理，经盐酸中和过滤后所得的残渣经高温灼烧所剩的物质。不溶物含量高对水泥质有不良影响。〔2〕烧失量烧失量是用来限制石膏和混合材料中的杂质，以保证水泥质量。〔3〕三氧化硫水泥中过量的三氧化硫会与铝酸三钙形成较多的钙矾石，体积膨胀，危害安定性。〔4〕氧化镁因水泥中氧化镁水化生成氢氧化镁，体积膨胀，而其水化速度慢，须以压蒸的方法加快其水化，方可判断其安定性。〔5〕氯离子因一定含量的氯离子会腐蚀钢筋，故须加以限制。碱含量(选择性指标)水泥中碱含量按Na20+0.658K2O计算值表示。假设使用活性骨料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中的碱含量应不大于％或由买卖双方协商确定。物理指标〔1〕凝结时间硅酸盐水泥初凝时间不小于45min，终凝时间不大于390min。普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥初凝不小于45min，终凝不大于600min。〔2〕安定性沸煮法合格。水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。〔2〕安定性沸煮法合格。水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。如水泥硬化后产生不均匀的体积变化，即为安定性不良。安定性不良会使混凝土构件产生裂缝，降低工程质量。产生安定性不良的因素是水泥中含有过多的游离氧化钙和游离氧化镁以及石膏掺入量过高。FZ-31A型全不锈钢沸煮箱：

对水泥安定性能进行雷氏法及试饼法两种测定，对升温与保温仪器均可实行自动控制。〔3〕强度不同品种不同强度等级的通用硅酸盐水泥，其不同龄期的强度应符合下表的规定。〔4〕细度(选择性指标)硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的细度以比外表积表示，其比外表积不小于300m²/kg；矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥的细度以筛余表示，其80μm方孔筛筛余不大于10％或45μm方孔筛筛余不大于30％。DBT-127电动勃氏透气比外表积仪：用作测定水泥及其它粉状材料的比外表积与细度。FSY-150型水泥细度负压筛析仪：

用来测定各种水泥颗粒细度等专用仪器。

序号性质优先用于不宜用于1凝结硬化快，早期、后期强度高早期强度要求高的混凝土结构，高强混凝土和预应力混凝土结构，严寒地区受反复冻融循环的工程，地面、路面工程，低温施工、冬季施工工程，干燥环境使用的工程。大体积混凝土工程，经常处于流动软水作用和受海水、腐蚀性介质作用的工程，高温环境中使用的工程。2抗冻性好3耐磨性好4抗碳化性好5干缩小6水化热大7耐腐蚀性差8耐热性差2、硅酸盐水泥的性质及应用其他常用水泥的主要特性3、减水剂和加气剂的应用1〕减水剂品种最多，应用最广的混凝土外加剂。组成特点：碳氢分子链上带有亲水性离子基团的外表活性物质可溶于水，能显著降低水的外表张力；能吸附在固体外表，并在固体外表定向排列，形成外表吸附分子层，降低水－固界面张力。减水剂的物理化学特征分类：按照用途：普通减水剂(也称塑化剂，Plasticiser)；高效减水剂(也称超塑化剂，Superplasticiser)。早强减水剂；缓凝减水剂；引气减水剂。按照化学成分：木质素系减水剂多环芳香族磺酸盐系减水剂水溶性树脂磺酸盐系减水剂由于水泥颗粒之间和水泥颗粒与水之间的的相互吸力，导致水泥颗粒在水中分散困难，水泥颗粒容易相互粘聚形成絮凝结构，有10~30%的拌和水被包含在其中，从而降低了水泥浆的流动性。当减水剂参加水泥浆中，减水剂分子吸附在水泥颗粒外表，作定向排列，组成了单分子或多分子吸附层，使水泥浆结构发生了的变化：水泥颗粒外表带相同电荷，相互间的静电斥力使水泥颗粒易于分散；减水剂分子链上的极性基团使水泥颗粒外表溶剂化层增厚，产生空间位阻，增加了水泥颗粒间的滑动能力，减少了粘滞性，增加润滑性；水泥颗粒易于湿润，自动粘聚能力减弱，塑化能力增强。作用机理减水剂分散水泥的机理

加减水剂前加减水剂后絮凝分散没加减水剂的水泥浆加减水剂后的水泥浆作用效果2〕引气剂与减水剂作用类似。组成特点：带有憎水基和亲水基的外表活性剂物理化学特性：可溶于水；降低水的外表张力；能吸附在气泡外表，使之稳定。亲水基团憎水基团气泡常用引气剂：松香热聚物；松香皂；烷基苯磺酸钠；脂肪酸硫酸钠；烷基酚环氧乙烷缩合物等。其用量一般为水泥质量的(0.5~1.2)/10000水中参加引气剂后：水的外表张力降低，在搅拌过程中将空气引入而产生许多气泡；通过吸附于气泡外表形成单分子膜，减小液－气界面能(外表张力)，使气泡外表的液膜巩固不易破裂而稳定存在。引气剂的作用效果〔1〕改善混凝土拌合物的和易性。微小而封闭的气泡可起滚珠作用，减少颗粒间的摩擦阻力。〔2〕提高混凝土的抗渗性、抗冻性。〔3〕降低混凝土强度。当水灰比固定时，混凝土中空气量每增1%(体积)，其抗压强度下降3%～5%。〔4〕降低混凝土弹性模量。由于大量气泡的存在，使混凝土的弹性变形增大，弹性模量有所降低，这对提高混凝土的抗裂性是有利的。〔5〕不能用于预应力混凝土和蒸气(或蒸压)养护混凝土。思考：减水剂与引气剂均是外表活性剂，那么，减水剂是否可当引气剂用？为什么？答：不能。因为减水剂没有稳泡作用，减水剂分子中的碳氢链是极性，与水有较强的相互作用；而引气剂分子的碳氢链是非极性的，完全憎水。五、掺混合材料的硅酸盐水泥1、分类按照混合材料的品种和掺量分为：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥品种代号熟料+石膏矿渣火山灰粉煤灰普通水泥P.O80且95>5且20矿渣水泥P.S.A50且80>20且50P.S.B30且50>50且70火山灰水泥P.P60且80>20且40粉煤灰水泥P.F60且80>20且40复合水泥P.C50且80>20且50组成特点：相同点：硅酸盐水泥熟料、适量石膏不同点：掺有不同种类和数量的混合材料2、水化硬化过程1〕水化反响过程：掺混合材料的硅酸盐水泥中熟料矿物较少，而活性混合材料较多，所以其水化硬化过程较为复杂。就局部而言，其水化反响是分两步进行的。拌水后，首先是熟料矿物、石膏与水作用，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、氢氧化钙、水化硫铝酸钙等。这个过程以及水化产物与纯硅酸盐水泥是相同的。随后熟料矿物水化生成的Ca(OH)2成为碱性激发剂，与活性混合材料中的活性Al2O3和活性SiO2发生反响，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙。水泥中所含的石膏那么作为硫酸盐激发剂，生成水化硫铝酸钙。水泥熟料矿物水化后的产物又与活性氧化物进行反响，生成新的水化产物的反响，称为二次反响或二次水化反响。2〕水化反响的特征及意义〔1〕将硅酸盐水泥和掺混合材料硅酸盐水泥水化生成C-S-H的反响进行比照：硅酸盐水泥：CS+H→C-S-H+CH掺混合材料的硅酸盐水泥：

活性材料+CH+H→C-S-H〔2〕反响特征及意义：第一：反响速度缓慢，因此放热速度和强度开展也较慢。第二：反响消耗CH而不是生成CH，这对于酸性环境中水泥石的耐久性有重要意义。第三：活性产物可以有效地填充毛细孔，改善系统的强度和抗渗性。快慢2、掺混合材料硅酸盐水泥的特性1〕矿渣水泥〔1〕耐热性好：适宜配制耐热混凝土。〔2〕抗渗性、抗冻性及抗干湿交替作用的能力差。因为矿渣有锋利棱角，其标准稠度需水量较大，而其保水性较差，泌水性大，易形成毛细管道或粗大孔隙，降低混凝土的密实性和均匀性，同时干缩性较大，易形成裂缝。不适用于受冻或干湿交替的建筑部位。2〕火山灰水泥〔1〕抗裂性、抗冻性差火山灰质混合材料是多孔性物质，内比外表积大，需水量大，造成水泥石中有较多的游离水分，这些水分在枯燥环境中蒸发而引起水泥石的收缩，因此在干热条件下会产生起粉现象；同时在水泥石中产生连通的毛细孔，降低抗冻性。不适用于枯燥环境。〔2〕抗渗性好。在潮湿环境下，火山灰质混合材料会吸收石灰而产生膨胀胶化作用，使水泥石结构致密，火山灰水泥在潮湿条件下有较高的密实度和抗渗性。适用于水中、地下及潮湿环境中。3〕粉煤灰水泥〔1〕需水量少，泌水性小，和易性好。粉煤灰水泥这一优点主要得益于粉煤灰的颗粒形态效应。粉煤灰中含有大量致密的球形玻璃体颗粒，比外表积小，对水的吸附能力小，所以需水量少，而且微珠颗粒具有良好的保水能力，减少泌水现象的效果尤其明显。〔2〕干缩性小，抗裂性好。粉煤灰水泥的需水量少，因而干缩性小。水泥的抗裂性能与其干缩性能、抗拉强度密切相关。干缩越小，抗拉强度越高，产生裂缝的时机越少，抗裂性能越好。〔3〕抗冻性差。因为粉煤灰的玻璃体结构致密，相比而言，粉煤灰的活性比矿渣、火山灰的活性稍差。在性能上与硅酸盐水泥相比名称凝结速度强度水化热耐腐蚀性抗冻性P.快高多差好P.O较快较高较多较差较好P.S慢早期低，后期增长快少好差掺混合材料水泥性能比较名称前五种性能耐热性抗干缩性抗渗性P.S同P.S好差，易产生裂缝差P.P差差，干热条件下易起粉好P.F差好，抗裂性好差六、其他水泥1、铝酸盐水泥1〕高铝水泥的性能及应用1、水化放热率高，水化快，早期强度开展非常快。水化放热率高达每小时9cal/g，是高早强硅酸盐水泥的3倍。正常养护条件下高铝水泥24h的强度可以到达或超过普通硅酸盐水泥7d的强度值。分别为高铝水泥、快硬硅酸盐水泥和普通水泥五、水泥石的耐久性耐久性的定义：材料暴露于服役环境中能保持其原有的形状、质量和功能的能力。受环境因素的影响，材料的微结构和性能会随着时间而变化。在特定的使用条件下，如果材料的性能呈现一定程度的劣化，以致继续使用将不平安或不经济，那么可以认为该材料的服役寿命已经结束。水泥石的抗渗性、抗冻性和抗侵蚀性与其耐久性有密切关系。耐久性的主要影响因素——水水是固体材料劣化的主要介质。水泥石的水密性〔不透水性〕是其耐久性好坏的决定因素。水分子的结构H-O-H分子是共价键，之间是相对较弱的氢键，使水分子形成有序结构。水分子结构1)定义渗透性：液体在压力作用下可以顺畅地流经固体的能力。抗渗性：水泥石抵抗压力水〔液体〕渗透的能力。2)指标：渗透系数达西公式：Q=K·A·h·t/d〔其中，Q：渗水量，A：渗水面积，h：水压差，t：渗水时间，d：厚度〕K：渗透系数，越大，抗渗性越差。1、水泥石的抗渗性〔1〕孔隙率：水泥石的渗透性随着孔隙率增大而提高。渗透性与孔隙率之间为指数关系。因为刚开始时，随着水化反响进行，整个毛细孔隙稍微有所降低，就会引起大孔的别离，这样就大大减小了液体流经水泥浆体通道的孔径和数量。毛细孔隙率降至30%时，孔隙间的相互连接已经变得曲折，以至于孔隙率继续降低，将不再伴随渗透系数明显减小。孔隙率由下降到时，渗透系数呈指数降低，从110降至20×10-12cm/s。但孔隙率由30%降低到20%，渗透系数减小幅度很小3)影响因素：〔2〕孔隙的特性影响水泥石渗透性的主要因素是体系中连通的毛细孔隙，这类孔隙越多，抗渗性越差。总毛细孔隙率由水灰比〔即原来水泥颗粒之间的毛细空间〕和水化程度所决定，它随着水灰比减小和水化程度的提高而减小。水泥石中总孔隙率的降低和大孔的减少有关。C-S-H凝胶层间孔、凝胶孔和微细毛细孔的孔隙率对水泥石的渗透性没有影响。相反，随着水化程度的提高，尽管这些孔隙显著增大，渗透性却显著降低。在水泥石中，渗透性和大于100nm孔隙的体积之间有直接关系。这是因为由小孔形成的体系趋向非连通孔。3)影响因素：1〕定义：水泥石抵抗冰冻作用〔冻融循环〕的长期作用而不破坏，强度也不显著降低的性质。2〕水泥石受冻机理：〔1〕毛细孔中的水结晶在负温下，毛细孔里的水首先结冰，体积会随之增大，需要孔隙扩展结冰水体积的9%，或者把多余的水沿试件边界排出，有时二者同时发生。这个过程形成水压力，其大小取决于结冰处至“逸出边界〞〔为释放压力水分需要的迁移距离〕的距离、材料的渗透性以及结冰速率。2、水泥石的抗冻性结冰发生在较小的毛细孔中，冰晶能够通过挤压毛细孔壁或产生水压使水泥浆体损伤。气孔可提供逸出边界，从而有效减轻水压。在气孔中结冰时，冰晶不会对孔壁产生压力，而且气孔中冰晶生长要从毛细孔吸取水分，因此可减轻水压并导致水泥石收缩。毛细孔结冰气孔里结冰〔2〕水分会从小孔向大孔大规模地迁移也是引起膨胀的原因。水泥石中有三种类型的水分受到物理束缚，束缚程度由弱到强排序为：毛细孔〔10~50nm〕里的毛细水、凝胶孔中的凝胶吸附水和C-S-H微结构中的层间水。毛细孔里的结冰水和凝胶孔中的过冷水之间产生热力学不平衡，前者处于低能态，后者处于高能态。后者就会移动到低能态的位置。即从凝胶孔向毛细孔供水，使其冰冻体积稳定增大，一直持续到不再有容纳空间为止。如果过冷水还继续流向结冰区，就会使体系内产生压力并产生膨胀。〔1〕掺入引气剂。引入的气泡提供了逸出边界，减小膨胀。〔2〕降低水灰比。水灰比较大时，可使毛细孔较大且数量较多，因此存在较多的可冻水量。降低水灰比可以减少毛细孔数量并使毛细孔变细，又因为毛细孔越细，其中水的冰点越低，所以可以减少可冻水量。〔3〕延长受冻前养护时间硬化时间越长，受冻后其膨胀值越小。工程中应防止水泥石过早受冻。3〕改善水泥石抗冻性的措施3、水泥石的抗侵蚀性1〕水介质对水泥石的侵蚀作用种类第一类侵蚀：流动的软水侵蚀〔水泥石组分的水解〕定义：软水将水泥石中的固相组分逐渐溶解带走，因而导致水泥石结构破坏的现象，侵蚀机理：水泥石中氢氧化钙的溶解度最大。当软水与水泥石接触时，氢氧化钙就会溶解水中，当溶液到达化学平衡时，水解停止。但是流水或压力水的作用下的渗流会稀释接触溶液，提供继续水解的条件，水解进行直到侵析出大局部的氢氧化钙为止。这样还会使其他凝胶组分，如C-S-H分解，最后只剩下没有强度或强度很低的硅铝凝胶，使水泥石强度下降，甚至结构破坏。第二类侵蚀：阳离子交换侵蚀定义：水泥石的组分与水介质发生离子交换反响，生成物或者是