硅酸盐水泥的性能

§7硅酸盐水泥的性能

§7.1凝结一、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。⑴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。⑵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。二、凝结时间的重要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。三、影响凝结时间的因素1.熟料矿物组成C3A含量高，易导致水泥的快凝（闪凝）2.熟料矿物结构慢冷熟料易导致水泥的快凝（慢冷时，C3A形成晶体）3.水泥细度细度细，水泥水化快，凝结时间短4.水化温度温度高，水泥水化快，凝结时间短5.水灰比（水泥浆体稠度）水灰比越大，水化速度就越快，但加水量过多，颗粒间距会增大，网络结构较难形成，所以凝结速度反而变慢。6.调凝外加剂促凝剂：如氯化钠、硫酸钠、三乙醇胺等缓凝剂：如糖钙、木钙、柠檬酸、锌盐、磷酸盐、石膏等四、石膏的作用及其适宜掺量的确定1.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2.石膏的缓凝机理①一般认为，在水泥颗粒表面形成AFt保护膜，阻碍水分等移动的结果。

C3A水化生成AFt，在水泥颗粒表面形成一层薄膜，阻滞水分子及离子的扩散，延缓C3A的继续水化。随着扩散作用的进展，在C3A表面又形成AFt，由固相体积增加所产生的结晶压力达到一定数值时，AFt薄膜局部胀裂，水化继续进行。接着新生成的AFt又将破裂处重新封闭，再使水化延缓。如此反复进行，直至SO42-消耗不足以形成AFt。②洛赫尔认为：溶液中有效的硫酸盐和铝酸盐的比例，也就是相互之间的动态平衡,是决定水泥凝结时间的关键。水泥的凝结取决于浆体内网状结构的形成。正常凝结只生成AFt。如SO42-不足，除AFt，还有C4AH13及AFm，这些六方板状晶体很快使水泥粒子相互接触，迅速搭接成网，快速凝结。如SO42-过多，则生成次生二水石膏，也促使快凝。3.石膏的最佳掺量石膏对水泥凝结时间的影响，并不与掺量成正比，并带有突变性。石膏掺量<1.3%：不足以阻止快凝；石膏掺量>2.5%：对凝结时间影响不大。SO3掺入量：一般为1.5％～2.5％。经验公式：①理论上a.适宜的石膏掺量应能使AFtAFm的转变峰不至于出现。否则，表示石膏掺量不足。b.水泥中石膏的适宜掺量，应是加水后24小时左右能耗尽的数量；同时，也与水泥细度、熟料中SO3含量以及混合材的种类和含量等因素有关。②实际上用同一熟料掺不同百分比的石膏，根据所得“强度-SO3含量”关系曲线，选择凝结正常时能达到最高强度的SO3掺加量。石膏掺量一般在SO3=1.5~2.5%之间。阴影部分五、水泥的急凝与假凝1.急凝在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”。2.假凝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。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。§7.2强度一、强度的产生和发展水化形成大量C-S-H凝胶、Ca(OH)2、钙钒石(AFt)晶体；C-S-H、钙钒石(AFt)生长成纤维状，相互交织联结，形成网络状结构，从而产生强度；随着水化进行，水化产物数量不断增加，晶体尺寸不断长大，从而使硬化浆体结构更为致密，强度逐渐提高。

二、熟料矿物组成的作用单矿物净浆抗压强度MPa矿物7d28d180d365dC3S31.6045.7050.2057.30β-C2S2.354.1218.9031.90C3A11.6012.2000C4AF29.4037.7048.3058.30碱的作用：促进熟料的早期水化，水泥早期强度提高，但后期强度降低。微量氧化物：适量微量氧化物促进水泥早期水化，强度提高。熟料形成气氛：还原气氛降低熟料活性，强度降低。三、养护温度、湿度和压力养护温度升高（常压）：早期强度快速增长；

损害后期强度，尤其是抗折强度原因分析：C-S-H纤维长径比；C-S-H分布不均；热膨胀产生内应力。措施：升温养护前，在常温下“静停”一定时间。湿度不够：水泥水化缓慢，降低水泥强度（早期湿养护至关重要）蒸压养护（高温高压）：早期强度有较大提高，但后期强度损害严重（水化产物性质变化；孔隙率增大）。措施：蒸压时浆体内掺适量硅质材料（形成托勃莫来石）四、水灰比（w/c）

水灰比增大，强度降低：水泥水化所需的结合水一般占水泥质量的23％左右，水灰比大，多余的水蒸发形成气孔或通道，强度下降；水灰比过小，流动性差：拌合物干稠，施工振捣中不易密实，出现蜂窝、孔洞，强度下降。强度与水泥石密实程度密切相关：孔隙率、孔结构。五、水泥细度比较公认的水泥最佳性能的颗粒级配：<1um：搅拌中就完全水化，对强度无益；增加需水量，降低浇筑性能。1～3um：可提高3d强度，但增加需水量。3～32um：决定28d强度，含量越高越好；强度富余大，可增加混合材掺量。32～65um：对强度有贡献，但贡献率低。>65um：只起骨架作用；含量增加，泌水性增大。注意：针对P·I水泥

最佳性能评价指标：水泥的水化速率和水化程度对水泥细度的再认识2003年6月，美国垦务局Richard•W•burrows在ASTM委员会上指出：我们肯定误入了歧途。50年来，我们一丝不苟地遵照不断细化和改进的标准制备混凝土，但是混凝土的开裂情况反而比50年前更加严重。原因不外乎两种：一是使用的水泥过量，二是波特兰水泥变得更易开裂。KumarMehta总结了近百年美国混凝土发展道路，提出与混凝土耐久性有关的水泥方面的问题包括：(1)水泥用量增加了；(2)水泥强度特别是早期强度高了；(3)水泥C3S多了；(4)水泥比表面积增加了。半个世纪以来我国水泥强度、细度变化相反观点：水泥生产是能耗大户……熟料中硅酸盐矿物等的潜在水硬性，就应该加以充分利用。也就是将水泥磨得细一点，充分发挥其强度，才对得起所耗的能源及排放CO2产生的温室效应。目前，混合粉磨：选择性粉磨对于强度认识的误区:(1)首先是水泥、混凝土的唯强度论:强度第一，甚至强度唯一。这一错误的观念从混凝土行业传递到水泥行业，多年来已深入人心，许多人认为不容置疑。(2)其次是水泥强度的唯化学论:把活性(化学反应能力)与强度等同，认为强度的唯一来源是水泥(或掺合料)的化学反应能力。(3)将按照标准方法检验(固定水灰比)的只具有相对意义的强度数值绝对化。事实上，强度是水灰比、龄期的函数。水泥配合比/%抗压强度/MPa水化热/(kJ/kg)P·I高细石灰石矿粉粉煤灰3d7d28d3d7dP·I100---30.442.459.22833021#水泥70620433.647.564.02#水泥60630435.449.766.82742873#水泥50640429.148.964.84#水泥40650425.343.559.9影响水泥早期强度的因素包含化学作用和物理作用两个方面。长期以来，我们几乎认为提高水泥活性是提高水泥强度的唯一途径，而忽视了水泥强度的物理作用，忽视了通过优化水泥的粒度分布，提高水泥水化前的堆积密度，可以在显著提高水泥强度的同时降低水化速率这一重要事实。与水泥物理性能相关的是水泥粒度分布，筛余或比表面积只能作为水泥厂粉磨工艺的一个控制指标。对于混凝土耐久性而言，粗水泥也只是混凝土耐久性的充分条件而非必要条件。混凝土要求水泥不能过细实际上想要表达的是:水泥过细会加快早期水化速率、提高早期水化热、增加早期收缩、提高减水剂掺量、增加坍落度损失。造成上述现象的主要是过细的熟料颗粒，水泥混合材料(于混凝土则为掺合料)过细则不会导致上述问题。分别确定熟料粒度分布、混合材料粒度分布和水泥粒度分布的要求。水泥中熟料的粒度分布要求是在保证较低细颗粒含量的前提下，尽量提高水化程度，熟料粒度分布应符合最佳性能RRSB方程。混合材料粒度分布要求是，与熟料配合后提高水泥颗粒的堆积密度，使得熟料+混合材料组成的水泥的粒度分布符合Fuller曲线。§7.3体积变化与水化热一、体积变化1.体积安定性2.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，故称为化学减缩。C3S的水化反应体系：反应前体系总体积:253.54cm3反应后体系总体积:240.09cm3体积减缩：5.3％化学减缩作用：C3A>C4AF>C3S>C2S混凝土成型后40d内化学收缩增长较快，是不可恢复收缩。3.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。湿胀变形量小，对混凝土性能基本上无影响。干缩原因：毛细孔水分蒸发，使毛细孔中形成负压，产生收缩力，导致混凝土收缩；当毛细孔中的水蒸发完后，如继续干燥，则凝胶体颗粒间吸附水也发生部分蒸发，缩小凝胶体颗粒间的距离，甚至产生新的化学结合而收缩。水泥浆体的干缩：由C3A含量决定；石膏的影响；混合材类型（矿渣干缩大）；水泥细度。干缩变形一部分是可恢复的，也有一部分（约30％～60％）不能恢复。干缩值大于0.04％时，混凝土开裂的可能性很大。措施：延长湿养护时间。4.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，出现收缩现象，称为碳化收缩。表面碳化：强度影响不大；碱度降低

二、水化热产生：熟料矿物与水反应放热影响因素：C3A；熟料冷却速率；水泥细度；混合材掺量利：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弊：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。

C3A的检测方法：岩相分析法，x射线衍射法、化学分析法区分：熟料中的C3A、水泥中的C3A混合材的影响：含铝量高的（粉煤灰）使检测结果偏高，

含铁量高的（铁尾矿）使检测结果偏低。用化学分析法计算普通硅酸盐水泥C3A的正确步骤是：a确定水泥中熟料的百分含量；b确定熟料的化学成分组成；c计算熟料中C3A含量；d用熟料C3A计算值乘以水泥中熟料的百分含量，得到水泥C3A的测定值。我的水泥怎么生产？在市场经济环境中，生产企业必须围绕市场需求，面临的问题：1.用户的多样化需求杨文科：提倡多品种，少批量，……满足现场要求的水泥。廉慧珍：产品为用户服务，但‘服务’并不是简单的‘你要什么我卖什么’……对于用户来说，由于认识水平的差异