第8章 硅酸盐水泥的性能

第8章硅酸盐水泥的性能

本章学习要点◆凝结时间◆强度◆体积变化及水化热◆耐久性8.1.1基本概念◆凝结时间的定义

凝结过程水泥加水拌和成水泥浆体，逐渐失去流动性、可塑性，形成具有一定强度的硬化浆体的过程。加水开始失去可塑性完全失去可塑性凝结过程初凝终凝初凝终凝

凝结时间水泥从拌水开始到失去流动性，即从可塑性状态发展到固体状态所需要的时间。●初凝时间：从加水拌和起，到水泥浆体开始失去可塑性所需时间。●终凝时间：从加水拌和起，到水泥浆体完全失去可塑性并开始产生强度所需时

间。

◆凝结时间的测定

水泥加水制成标准稠度净浆→装模→养护→用符合GB3350.6规定的仪器进行测定。◆凝结时间的重要意义

水泥浆体的凝结时间，对于建筑工程的施工具有十分重要的意义。

若初凝时间太短，往往来不及进行施工，水泥浆体就已变硬。

若终凝时间太长，未产生足够大的强度，则影响施工的速度。因此，应有足够长的时间来保证混凝土的搅拌、输送、浇注、成型等操作的顺利完成；同时还应尽可能短的时间加快脱模及施工进度，以保证工程的进展。

◆凝结时间的标准规定

我国硅酸盐水泥国家标准GB175—99规定：

初凝不得早于45min（≥45min）

终凝不的迟于390min（≤6.5h）

8.1.2影响凝结时间的因素

水泥凝结时间的长短取决于其凝结速度的快慢，两者成反比关系。凡是影响水化速度的各种因素，基本上也同样影响水泥的凝结速度。但水化和凝结又有一定的差异。影响水泥凝结速度的主要因素，有熟料矿物组成、水泥细度、水灰比、温度和外加剂等。

◆矿物组成

熟料矿物28天的水化速度大小顺序为：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S

水泥的凝结速度既与熟料矿物水化难易有关，又与各矿物的含量有关。

决定凝结速度的主要矿物为C3A和C3S，快凝是由C3A造成的，而正常凝结则是受C3S制约的。◆水泥细度

水泥粉磨越细，其比表面积就越大，晶体产生扭曲、错位等缺陷越多，水化速度越快，凝结越迅速；反之凝结越慢。硅酸盐水泥国家标准规定：

80μm方孔筛筛余不超过（≤）10%

比表面积不小于（≥）300m2/kg

◆水灰比（W/C）

水灰比越大，水化越快，凝结反而变慢。这是因为加水量过多，颗粒间距增大，水泥浆体结构不易紧密，网络结构难以形成的缘故。水灰比过大时，会使水泥石结构中孔隙太多，降低其强度，故水灰比不宜太大。适宜的用水量应满足两方面的要求：

水泥水化反应

水泥浆体稠度◆养护条件

温度升高，水化加快，凝结时间缩短，反之则凝结时间会延长。夏季（高温）和冬季（低温）施工时，注意采取适当的措施，以保证正常的凝结时间。

保温

增湿

◆外加剂

缓凝剂：延长凝结时间

促凝剂：缩短凝结时间影响水泥的凝结快慢因素是多方面的，最主要是C3A，因此在水泥生产中通常是掺入适量外加剂来控制水泥的凝结时间。石膏是常用的一种缓凝剂。有时，根据需要也掺入其他调凝外加剂。

8.1.3石膏的作用及其适宜掺量的确定

◆石膏的作用

可以控制水泥的水化速度、调节水泥的凝结时间。

改善水泥的性能。如提高早期强度，降低干缩变形，改善耐久性等。主要作用是调节水泥的凝结时间

●快凝现象

在C3A含量较高，或石膏等缓凝剂掺量过少时，硅酸盐水泥加水拌和后，C3A迅速反应，很快生成大量片状的水化铝酸钙（C4AH13），并相互连接形成松散的网状结构，出现不可逆的固化现象，又称为“速凝”或“闪凝”。产生这种不正常快凝时，浆体迅速放出大量热，温度急剧上升。

●石膏的缓凝机理

水泥中掺加适宜石膏时，Ｃ3Ａ在石膏--石灰的饱和溶液中，生成溶解度极低的三硫型水化硫铝酸钙（AFt），又称钙矾石。棱柱状的小晶体生长在水泥颗粒表面，形成覆盖层或薄膜，阻滞了水分子及离子的扩散，降低了水化速度，延长了凝结时间，防止了快凝现象发生。由图可知，石膏掺量过多或过少都会导致不正常凝结。石膏的适宜掺量？

熟料中C3A含量快凝是由C3A造成的，C3A含量是石膏掺量最主要的影响因素。C3A含量高，石膏掺量应相应增加，反之则减少。

水泥中SO3含量当水泥中SO3含量较高时，则要相应减少石膏掺量。

水泥细度

相同C3A含量下，当水泥粉磨得较细时，其比表面积增大，水化加快，则应适当增加石膏掺量。

混合材的品种和数量采用粒化高炉矿渣，且含量较多时，应适当多掺入些石膏。石膏除了起缓凝剂作用外，还对矿渣活性起到硫酸盐激发剂的作用。

水泥中碱含量碱含量较高时，其凝结速度加快，石膏掺量也应适当增加。

8.1.4假凝现象

◆假凝及其特征假凝是指水泥加水拌和后，在几分钟内即迅速凝结变硬，经剧烈搅拌后，又重新恢复塑性的现象。不正常的早期快速固化现象比较比较项目假凝快凝凝结时间几分钟几分钟放热量小大重新搅拌正常凝结不能恢复塑性强度大小没有不利影响产生一定强度施工操作难度增大不可逆固化◆假凝的原因及预防措施

造成假凝的主要原因是水泥在粉磨时受到高温，其中二水石膏脱水形成半水石膏甚至可溶性无水石膏。

在生产中，为了防止假凝，采用措施：

●使用无水硫酸钙含量较高的石膏，以避免粉磨时石膏脱水；

●在水泥粉磨时采取一定的措施降温，也可避免石膏脱水。●在建筑施工中，可以延长搅拌时间来消除假凝现象的产生。

8.1.5其他调凝外加剂

◆缓凝剂缓凝剂是用来延长凝结时间，使新拌混凝土浆体较长时间保持塑性，满足较长时间运输的需要，提高施工效率。

有机缓凝剂：木质素磺酸盐，羟基羟酸及其盐，多元醇及其衍生物，糖类及碳水化合物，胺盐和胺酸等。

无机缓凝剂：硼砂，氯化锌，碳酸锌，铁、铜、锌和镉的硫酸盐、磷酸盐和偏磷酸盐等。◆促凝剂除氟化物、磷酸盐及Zn、Sn、Pb盐外，大多数可溶性无机盐都能缩短水泥的凝结时间。其中，使用最多的是CaCl2。

我国常用的是分别以铝酸钠（NaAlO2）、铝酸钙（C12A7,C11A7·CaF2）及硅酸盐（Na2SiO3）为主要的速凝剂。8.2强度

水泥的强度是评比水泥质量重要的指标，是划分强度等级的依据。通常按龄期将28d以前的强度称为早期强度，如1d、3d强度，28d及以后的强度称为后期强度。

8.2.2影响水泥强度的因素

◆水泥细度水泥越细，颗粒分布范围越窄越均匀，其水化速度越快，而且水化更为完全，水泥的强度，尤其是早强越高，适当增大水泥细度，还能改善浆体泌水性，和易性和粘结力等。但是水泥太细，标准稠度需水量越大，增大了硬化浆体结构的孔隙率，从而引起强度下降。

◆施工条件在施工过程中，水灰比，骨料级配，搅拌振捣的程度，养护温度及是否采用外加剂等对强度有很大影响。

水灰比及密实程度

养护温度

外加剂8.3体积变化与水化热

8.3.1体积变化

硬化水泥浆体的体积变化也是一项非常重要的性能指标。由于浆体中生成了各种水化产物以及反应前后湿度，温度等外界条件的改变，硬化水泥浆体必然会发生一系列的体积变化。如化学减缩，湿胀干缩和碳化收缩等。

◆化学减缩水泥在水化硬化过程中，无水的熟料矿物转变为水化产物，固相体积大大增加，而水泥浆体的总体积却在不断缩小，由于这种体积减缩是化学反应所致,故称化学减缩。

◆湿胀干缩硬化水泥浆体的体积随其含水量而变化。浆体结构含水量增加时，其中凝胶粒子由于分子吸附作用而分开，导致体积膨胀，如果含水量减少，则会使体积收缩。湿胀和干缩大部分是可逆的。干燥与失水有关，但二者没有线性关系。

◆碳化收缩在一定的相对湿度下，硬化水泥浆体中的水化产物如Ca(OH)2、C-S-H等会与空气中的CO2作用，生成CaCO3和H2O，造成硬化浆体的体积减少，出现不可塑的收缩现象，成为碳化收缩。

8.3.2水化热

水泥的水化热是由各种熟料矿物与水作用时产生的。在冬季施工中，水化放热能提高水泥浆体的温度，有利于水泥正常凝结。但在大体积混凝土工程中，水化放出的热量聚集在混凝土内部不易散失，导致混凝土结构内外温差较大而产生应力，致使混凝土不均匀膨胀而产生裂缝，给工程带来严重的危害。

大量实验表明，水泥的水化热与矿物组成有关。四种单矿物28d以前的水化速度为：C3A＞C4AF＞C3S＞C2S。因此，要降低水泥的水化热，应该增大熟料中C2S和C4AF，相应降低C3A和C3S的含量。

8.4硅酸盐水泥的耐久性

硬化水泥石结构在一定环境条件下长期保持稳定质量和使用功能的性质称为耐久性。影响耐久性的因素有很多，主要有抗渗性、抗冻性，以及对环境介质的抗蚀性和碱集料反应等。

8.4.4碱集料反应

水泥属碱性物质,一般能够抵抗碱类的侵蚀，但当水泥结构中碱含量较高，而配制混凝土的集料中含有活性物质时，水泥结构经过一定时间后会出现明显的膨胀开裂，甚至剥落溃散等现象，称为碱集料反应。

碱集料反应主要是由于水泥中碱含量较高（R2O>0.6%），而同时集料中由含有活性SiO2时，碱就会与集料中的活性SiO2反应，形成碱性硅酸盐凝胶。反应式如下：活性SiO2+2mNaOH→mNaO·SiO·nH2O上式反应生成的碱性硅酸盐凝胶有相当强的吸水性能，在积聚水分的过程中产生膨胀而将硬化浆体结构胀裂破坏。

一般情况下，碱集料反应通常很慢，要经过相当长的时间后才会明显出现。据斯坦顿研究，影响碱集料反应因素很多，主要与水泥中碱含量、活性集料含量及粒径、水含量等有关。要提高混凝土质量，防止碱集料反应，可采取如下措施：尽量降低水泥中碱含量，采取适当粒径的集料、降低活性集料含量、或根据实际掺加适量活性氧化硅或火山灰、粉煤灰等。

8.4.5耐久性的改善途径

影响水泥混凝土耐久性的因素有很多方面，为了提高混凝土的耐久性，在使用水泥时，首先要考虑使用的环境条件，采用适当组成的水泥，量材为用，从根本上提高混凝土的耐久性，配制混凝土时，要精心设计，采取合理的配比，尽量降低水灰比，并考虑适宜的施工方案，加强搅拌、振捣、养护等，提高混凝土的致密度，以提高其强度尤其是早强。改善混凝土的性能，在特殊情况下，还可利用其他材料，进行表面处理以弥补水泥混凝土本身的不足。

8.4.5耐久性的改善途径

◆选择适当组成的水泥水泥质量的好坏，是关系硬化水泥浆体耐久性的首要问题。只有提高水泥质量，才能从根本上提高其耐久性。在使用水泥时，就根据环境的不同来选择不同熟料矿物组成部分的水泥。

◆掺适量混合材料一般说来，硅酸盐水泥中掺加火山灰质混合材料和粒化高炉矿渣可以提高其抗蚀能力。另外，掺加混合材料后，熟料所占的比例减少，C3A和C3S的含量相应降低，也会改善其抗蚀性，而且由于生成较多的凝胶，提高了硬化水泥浆体的密实性，阻止侵蚀介质的溶入，从而增强了其抗蚀能力。所以说，火山灰水泥和矿渣水泥的抗蚀性又与其矿渣掺量、Al2O3含量有关。

8.4.5耐久性的改善途径

◆提高施工质量施工质量的好坏，也是关系到混凝土耐久性的关键。在施工中，应加强搅拌，防止各组分产生离析分层现象，提高混凝土的均匀性和流动性，使拌合物很好地充满模板，减少其内部空隙，并且强化振捣，增大混凝土的密实度，尽可能排出其内部气泡，减少显孔、大孔，尤其是连通孔，提高其强度，从而提高其抗渗能力，最终达到改善其耐久性的目的。

◆进行表面处理在特殊情况下，对水泥结构进行表面处理，可以避免水泥结构与侵蚀介质直接接触，从而保障其耐久性。表面处理通常有表面化学处理和涂覆贴面处理两种。

8.5硅酸盐水泥的应用

8.5.1普通混凝土

通常所称的混凝土(即普通混凝土)是指由水泥，砂(细集料)，石子(粗集料)和水按一定的配比拌和均匀，经成形和硬化而成的人造石材。硬化前的混凝土常被称为混凝土拌和物；如果在混凝土中配有钢筋，则称之为钢筋混凝土；如果混凝土组成中没有粗集料则为砂浆；而由水泥和水拌和所得到的是水泥浆。

◆混凝土的组成材料混凝土的主要组成材料为水泥、砂、石、水以及改变混凝土性能的外加剂。

水泥在混凝土中，水和水泥拌成的水泥浆是起胶结作用的组成部分。在硬化前的混凝土即混凝土拌和物中，水泥浆填充砂石空隙，包裹砂，石表面并起润滑作用，使混凝土获得必要的和易性；在硬化后，则将砂、石牢固地胶结成整体。

8.5.1普通混凝土

集料砂、石是混凝土中起骨架及填充作用的粒状材料，称之为集料或骨料。集料有粗细之分。常用的粗细集料有卵石与碎石两种；细集料是天然砂，按产地不同有河砂，山砂和海砂，通常多采用河砂。

水凡是可以饮用的水，无论自来水或洁净的天然水，都可以用来拌制混凝土。水的pH值要求不低于4，硫酸盐含量按SO2-离子计算不得超过水量的1%。含有油类、糖、酸或其他污浊物质的水，会影响水泥的正常凝结与硬化，甚至造成质量事故，均不得使用。海水对钢筋有促进锈蚀作用，不能用来拌制配筋结构的混凝土。

混凝土外加剂

①改善新拌混凝土流变性的外加剂，如各种减水剂、流化剂、泵送剂、引气剂等。②调节混凝土凝结时间及硬化时间的外加剂，如外加剂、缓凝剂、早强剂、速凝剂等。③调节混凝土空气含量的外加剂，如引气剂、消泡剂、发泡剂等。④改善混凝土力学性能和耐久性的外加剂，如引气剂、减水剂、防冻剂、减缩剂、阻锈剂等。⑤赋予混凝土特殊性能的外加剂，如着色剂、泡沫剂、膨胀剂等。

8.5.2高强混凝土及其应用

配制出满足工作性和强度发展要求的高强混凝土，其材料的选择要比普通混凝土严格。要求高质量材料及更严格的标准。在试拌的基础上，应用广泛的高质量材料配制出高强混凝土。

8.5.3高性能混凝土

在性能上，按混凝土龄期发展三阶段而具有这样一些特点：◆新版混凝土有良好的流变学特性—不泌水，不离析甚至能达到自流密实。◆硬化过程中水化热低、体积稳定，无裂缝或者少裂缝。◆硬化后结构致密，抗渗性优良，渗透系数可比普通混凝土低1～2个数量级，抗渗性将士评估其耐久性的一个主要综合指标。

8.5.4