土木工程材料土木工程材料 (6).pdf

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1、第第5章章 水泥水泥 5.3 硅酸盐水泥硅酸盐水泥硅酸盐水泥的水化、凝结与硬化硅酸盐水泥的水化、凝结与硬化 硅酸盐水泥熟料矿物组成的水化硬化性质决定了水泥的性质。主要包括四个方面的性质，即水化产物、水化速率、凝结硬化速率和硬化后强度。因为水泥强度随时间不断发展，研究其强度时，又分为早期强度和后期强度。硅酸三钙是水泥熟料的主要组成矿物，它的水化作用、产物和凝结硬化对水泥的性能有重要影响。硅酸三钙水化产物为水化硅酸钙和氢氧化钙。水化硅酸钙几乎不溶于水，而以胶体微粒析出，并逐渐凝聚成为凝胶，尺寸很小，具有巨大的内比表面积，凝胶粒子间构成的网状结构具有很高的强度，所以硅酸盐水泥的强度主要是由其提供的。

2、水化生成的 Ca(OH)2，在溶液中的浓度很快达到过饱和，以六方晶体析出。但是 Ca(OH)2的强度、耐水性和耐久性都很差。2(3CaO SiO2)+6H2O 3CaO 2SiO2 3H2O+3Ca(OH)2 硅酸二钙的水化产物中水化硅酸钙与硅酸三钙的水化产物并无较大的区别。但生成的氢氧化钙量较硅酸三钙少，并且结晶也比较粗大。在硅酸盐水泥熟料矿物组成中，硅酸二钙水化速率最慢，但后期增长大，水化放热量小；其早期强度低，后期强度增长，可接近甚至超过硅酸三钙的强度，是保证水泥后期强度增长的主要因素。2(2CaO SiO2)+4H2O 3CaO 2SiO2 3H2O+Ca(OH)2 铝酸三钙水化生成水

3、化铝酸钙，为六方片状晶体。在硅酸盐水泥熟料中，铝酸三钙水化速率最快，水化放热量大且放热速率快。其早期强度增长快，但强度不高，后期几乎不再增长，对水泥的早期（3d 以内）强度有一定的影响。由于水化铝酸钙为立方体晶体，是水化铝酸钙中结合强度最低的产物，甚至会使水泥后期强度下降。在氢氧化钙浓度达到饱和时，其数量迅速增加，使得水泥浆体加水后迅速凝结，影响正常施工。3CaO Al2O3+6H2O 3CaO Al2O3 6H2O 铁铝酸四钙中的氧化铁的作用与氧化铝的作用相似，可看作铝酸 三钙中一部分氧化铝被氧化铁所取代。其水化反生成水化铝酸钙与水化铁酸钙。铁铝酸四钙水化速率较快，仅次于铝酸三钙，水化热不高

4、，凝结较低，其强度值较低，但抗折强度相对较高。提高铁铝酸四钙的含量可降低水泥的脆性，有利于道路等有振动交变荷载作用的应用场合。4CaO Al2O3 Fe2O3+7H2O 3CaO Al2O3 6H2O+GaO Fe2O3 H2O 在硅酸盐水泥生产中，通常加入 23的石膏，调节水泥的凝结时间。水泥中的石膏迅速溶解，与水化铝酸钙发生反应，生成针状晶体的高硫型水化硫铝酸钙，又称钙矾石，沉积在水泥颗粒表面，形成了保护膜，延缓了水泥的凝结时间。3CaO Al2O3+Ca(OH)2+12H2O 4CaO Al2O3 13H2O 硅酸盐水泥各种熟料矿物的水化硬化特性以及具体规律在这张表中详细的表示了出来。指

5、标 C3S C2S C3A C4AF 含量(%)37-60 15-37 7-15 10-18 水化放热速度 快 慢 最快 较快 水化放热量 多 少 最多 较多 强度 高 早期低，后期高 低 较低 抗腐蚀 好 很好 差 出色 收缩 中等 很小 大 小 水泥的凝结是指水泥加水拌和后，形成塑性的水泥浆体，其中的水泥颗粒表面的矿物开始在水中溶解并与水发生水化反应，水泥浆逐渐变稠失去塑性，但还不具有强度的过程。凝结分为“初凝”和“终凝”。水泥的硬化是指凝结的水泥浆体随着水化反应的进一步进行，开始产生明显的强度且逐渐发展成为坚硬的水泥石的过程。水泥的凝结和硬化是一个连续且复杂的物理化学变化过程。水化是凝结

6、硬化的前提，凝结硬化是水化的结果。凝结与硬化是同一过程的不同阶段，但凝结硬化的各阶段是交错进行的，不能完全分开。硅酸盐水泥加水拌合后，水泥颗粒分散于水中，形成水泥浆，水泥颗粒表面的熟料，特别是铝酸三钙迅速水化，在石膏条件下形成钙矾石，并伴随有显著的放热现象，此为水化初始反应期，时间只有 510min。此时，水化产物不是很多，它们相互之间的引力比较小，水泥浆体具有可塑性。由于各种水化产物的溶解度都很小，不断地沉淀析出，初始阶段水化速度很快，来不及扩散，于是在水泥颗粒周围析出胶体和晶体，逐渐围绕着水泥颗粒形成一个水化物膜层。水泥颗粒的水化不断进行，使包裹水泥颗粒表面的水化物膜层逐惭增厚。膜层的存在

7、减缓了外部水分向内渗入和水化产物向外扩散的速度，因而减缓了水泥的水化，水化反应和放热速度减慢。在潜伏期，水泥颗粒间的水分可渗入膜层与内部水泥颗粒进行反应，所产生的水化产物使膜层向内增厚，同时水分渗入膜层内部的速度大于水化产物透过膜层向外扩散的速度，造成膜层内外浓度差，形成了渗通压，最终会导致膜层破裂，水化反应加速，潜伏期结束。因为此段时间水化产物不够，水泥颗粒仍是分散的，水泥浆的流动性基本不变。此段时间一般持续 3060min。经过一定的时间后，膜层破裂，周围饱和度较低的溶液与尚未水化的水泥颗粒内核接触，再次使反应速度加快，直至形成新的膜层。水泥凝胶体膜层的向外增厚以及随后的破裂，扩展，使水泥

8、颗粒之间原来被水所占的空隙逐渐减小，而包有凝胶体的颗粒，分子键相连接，构成比较疏松的空间网状的凝聚结构。凝聚结构的形成使得水泥开始失去塑性，此时为水泥的初凝。初凝时间一般为 l3h。随水化的进行和凝聚结构的发展，固态的水化物不断增加，颗粒间的空间逐渐减少，形成结晶结构，使得水泥完全失去塑性，同时又是强度开始发展的起点，此时为水泥的终凝。终凝时间一般为 36h。随着水化的不断进行，水泥颗粒之间韵空隙逐渐缩小为毛细孔，由于水泥内核的水化，使水化产物的数量逐渐增多，并向外扩展填充于毛细孔中，凝胶体间的空隙越来越小，浆体进入硬化阶段而逐渐产生强度。在适宜的温度和湿度条件下，水泥强度可以持续地增长(6

9、小时至若干年)。水泥石强度发展的规律是：37d 内强度增长最快，28d 内强度增长较快，超过 28d 后强度将继续发展，但非常缓慢。因此一般把 3d、28d作为其强度等级评定的标准龄期。影响水泥水化和凝结硬化的直接因素是矿物组成。此外，水泥的水化和凝结硬化还与水泥的细度，拌合用水量、养护温湿度和养护龄期等有关。因为水泥水化是从水泥颗粒表面开始，逐渐深入到内部的。水泥颗粒越细，与水接触的面积越大，整体水化反应越快，凝结硬化也快。为使水泥制品能够成型，水泥浆体应具有一定的塑性和流动性，所加入的水一般要远远超过水化的理论需水量。多余的水在水泥石中形成较多的毛细孔和缺陷，影响水泥的凝结硬化和水泥石的强

10、度。保持适宜的环境温度和湿度，促使水泥强度增长的措施，称为养护。提高环境温度，可以促进水泥水化，加速凝结硬化，早期强度发展比较快；但温度太高（超过 40），将对后期强度产生不利的影响。温度降低时，水化反应减慢，当日平均温度低于 5时，硬化速度严重降低，必须按照冬季施工进行蓄热养护，才能保证水泥制品强度的正常发展。当水结冰时，水化停止，而且由于体积膨胀，还会破坏水泥石的结构。潮湿环境下的水泥石能够保持足够的水分进行水化和凝结硬化，使水泥石强度不断增长。环境干燥时，水分将很快地蒸发，水泥浆体中缺乏水泥水化所需要的水分，水化不能正常进行，强度也不能正常发展。同时，水泥制品失水过快，可能导致其出现收缩裂缝。