水泥的水化和硬化解析

1、第2章 混凝土凝結與硬化3.5.1硅酸鹽水泥水化硬化1. 水泥熟料礦物水化反應特征：水泥熟料顆粒中四種主要礦物同時進行水化反應；其水化反應均是放熱反應；水化反應是固液異相反應。 來自水泥粉磨過程中二水石膏脫水分解： CaSO42H2O CaSO40.5H2O+1.5H2O水泥的水化和硬化解析第1頁反應速度序列： 半水石膏CaSO40.5H2O和游離氧化鈣f-CaO水化鋁酸三鈣C3A水化鐵鋁酸四鈣C4AF水化硅酸三鈣C3S水化硅酸二鈣- C2S水化水泥的水化和硬化解析第2頁水泥顆粒宏觀形貌水泥顆粒結構水泥熟料顆粒細觀形貌水泥熟料礦物微觀結構水泥的水化和硬化解析第3頁問題: 水泥漿怎樣轉變成堅硬固

2、體？ 水泥漿經過水泥熟料礦物水化反應、漿體凝結硬化過程變成堅硬固體凝結水泥與水混合形成可塑漿體，伴隨時間推移、可塑性下降，但還不具備強度，此過程即為“凝結”；硬化隨即漿體失去可塑性，強度逐步增加，形成堅硬固體，這個過程即為“硬化”。 水泥漿體轉變成堅硬固體過程是一個復雜物理化學改變過程。水泥的水化和硬化解析第4頁水 泥水 溶 解沉 淀水泥漿凝結硬化過程擴 散水泥漿凝結硬化物理過程水泥的水化和硬化解析第5頁 水化速度快 長纖維狀 短纖維狀六方板結晶緩凝機理：同上針狀結晶 立方板狀結晶 （1）水 化 高硫型水化硫鋁酸鈣 3CaOAl2O331H2O單硫型水化硫鋁酸鈣 3CaOAl2O312H2O水

3、泥的水化和硬化解析第6頁鋁酸三鈣C3A水化鋁酸鈣C3A水化行為在水泥水化早期尤其主要.純C3A與水反應快速，這一反應造成水泥漿閃凝或假凝，必須防止！快凝:指漿體快速形成不可逆固化現象，漿體已產生一定強度，重新攪拌并不能使其恢復塑性。假凝特征：指水泥加水拌合后，幾分鐘內即快速凝結變硬，經猛烈攪拌后，又重新恢復塑性現象。這是一個不正常早期快速固化現象。但與快凝又不相同。假凝放熱量很小，而且經猛烈攪拌后，漿體又重新恢復塑性，并到達正常凝結，對強度沒有不利影響，但增大了施工難度。防止閃凝有效路徑加入石膏CaSO42H2O 這就是硅酸鹽水泥生產中，必須加入石膏與水泥熟料一起粉磨根本原因！ 這一創(chuàng)造是硅酸

4、鹽水泥發(fā)展史上一個里程碑。水泥的水化和硬化解析第7頁（2）硬化第一階段： 大約在水泥拌水起至初凝時止，C3S快速反應生成Ca(OH)2。石膏和C3A反應生成鈣礬石晶體。 水泥漿呈塑性狀態(tài)。第二階段： 大約從初凝起至24h止，水泥水化加速，生成較多Ca(OH)2、鈣礬石晶體、水化硅酸鈣凝膠。 水化產物大量生成，水泥凝結。第三階段： 指24h以后直到水化結束。全部水化產物生成，數量不停增加，結構愈加致密，強度不停提升。水泥的水化和硬化解析第8頁水泥硬化研究理論 水化過程在不一樣情況下會有不一樣水化機理；不一樣礦物在不一樣階段，水化機理也會不完全相同。水泥的水化和硬化解析第9頁（3）影響水泥凝結硬化

5、主要原因礦物組成不一樣礦物成份和水起反應時所表現出來特點是不一樣，如C3A水化速率最快，放熱量最大而強度不高；C2S水化速率最慢，放熱量最少，早期強度低，后期強度增加快速等。所以，改變水泥礦物組成，其凝結硬化情況將產生顯著改變。水泥礦物組成是影響水泥凝結硬化最主要原因.水泥的水化和硬化解析第10頁 硅酸鹽水泥品種及礦物含量C3S 48 65 31 42C2S 24 11 40 34C3A 13 8 12 2C4AF 9 9 12 15 特點： 普通 早強 低熱 抗硫酸鹽 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頁水泥漿水灰比 水灰比：是指水泥漿中水與水泥質量之比。 水灰比較大，此時水泥早期水化反應得以充分進行；不過水泥顆粒間原來被水隔開距離較遠，顆粒間相互連接形成骨架結構所需凝結時間長，所以水泥漿凝結較慢。 水泥漿水灰比較大時，多出水分蒸發(fā)后形成孔隙較多, 造成水泥石強度較低。所以水泥漿水灰比過大時，會顯著降低水泥石強度。水泥的水化和硬化解析第12頁 石膏摻量石膏起緩凝作用機理可解釋為：水泥水化時，石膏能很快與鋁酸三鈣作用生成水化硫鋁酸鈣（鈣礬石AFt），鈣礬石極難溶解于水，它沉淀在水泥顆粒表面上形成保護膜，從

7、而妨礙了鋁酸三鈣水化反應，控制了水泥水化反應速度，延緩了凝結時間。 水泥細度在礦物組成相同條件下，水泥磨得愈細，水泥顆粒平均粒徑小，比表面積大，水化時與水接觸面大，水化速度快，對應地水泥凝結硬化速度就快，早期強度就高。水泥的水化和硬化解析第13頁 環(huán)境溫度和濕度在適當溫度條件下，水泥水化、凝結和硬化速度較快。反應產物增加較快，凝結硬化加速，水化熱較多。相反，溫度降低，則水化反應減慢，強度增加變緩。但高溫養(yǎng)護往往造成水泥后期強度增加遲緩，甚至下降。水存在是水泥水化反應必要條件。當環(huán)境濕度十分干燥時，水泥中水分將很快蒸發(fā)，以致水泥不能充分水化，硬化也將停頓；反之，水泥水化將得以充分進行，強度正常增

8、加。齡期（時間）水泥凝結硬化是隨時間延長而漸進過程，只要溫度、濕度適宜，水泥強度增加可連續(xù)若干年。水泥的水化和硬化解析第14頁3.5.2 通用硅酸鹽水泥性能特點及應用1. 硅酸鹽水泥特征及應用（）凝結硬化快，早期及后期強度均高。適合用于有早強要求工程，（如冬季施工、預制、現澆等工程），高強度混凝土工程（如預應力鋼筋混凝土，大壩溢流面部位混凝土）。（2）抗凍性好。適合水工混凝土和抗凍性要求高工程。（3）耐腐蝕性差，因水化后氫氧化鈣和水化鋁酸鈣含量較多。水泥的水化和硬化解析第15頁（4）水化熱高。 不宜用于大致積混凝土工程。但有利于低溫季節(jié)蓄熱法施工。（5）抗碳化性好。因水化后氫氧化鈣含量較多，故

9、水泥石堿度不易降低，對鋼筋保護作用強。 適合用于空氣中二氧化碳濃度高環(huán)境。（6）耐熱性差。因水化后氫氧化鈣含量高。 不適合用于承受高溫作用混凝土工程。 （7）耐磨性好。 適合用于高速公路、道路和地面工程。1.硅酸鹽水泥特征及應用水泥的水化和硬化解析第16頁2. 普通硅酸鹽水泥特征及應用（1）早期強度略低，后期強度高。（2）水化熱略低。（3）抗?jié)B性好，抗凍性好，抗碳化能力強。（4）抗侵蝕、抗腐蝕能力稍好。（5）耐磨性很好；耐熱性能很好。普通硅酸鹽水泥應用范圍和硅酸鹽水泥相同。水泥的水化和硬化解析第17頁3.礦渣硅酸鹽水泥（簡稱礦渣水泥PS） 由硅酸鹽水泥熟料和?；郀t礦渣及適量石膏混合磨細而成水

10、硬性膠凝材料。礦渣硅酸鹽水泥主要性能特點以下：（1）早期強度低，后期強度高。對溫度敏感，適宜于高溫養(yǎng)護。（2）水化熱較低，放熱速度慢。（3）含有很好耐熱性能。（4）含有較強抗侵蝕、抗腐蝕能力（5）泌水性大，干縮較大。（6）抗?jié)B性差，抗凍性較差，抗碳化能力差。水泥的水化和硬化解析第18頁4.火山灰質硅酸鹽水泥（火山灰水泥） 由硅酸鹽水泥熟料和火山灰質混合材料及適量石膏混合磨細而成水硬性膠凝材料。火山灰水泥主要性能特點以下：（1）早期強度低，后期強度高。對溫度敏感，適宜于 高溫養(yǎng)護。（2）水化熱較低，放熱速度慢。（3）含有較強抗侵蝕、抗腐蝕能力（4）需水性大，干縮率較大。（5）抗?jié)B性好，抗凍性較差

11、，抗碳化能力差，耐磨性 差。水泥的水化和硬化解析第19頁5.粉煤灰硅酸鹽水泥（粉煤灰水泥） 由硅酸鹽水泥熟料和粉煤灰及適量石膏混合磨細而成水硬性膠凝材料。粉煤灰水泥主要性能特點以下：（1）早期強度低，后期強度高。對溫度敏感，適宜于高溫養(yǎng)護。（2）水化熱較低，放熱速度慢。（3）含有較強抗侵蝕、抗腐蝕能力（4）需水量低，干縮率較小，抗裂性好。（5）抗凍性較差，抗碳化能力差，耐磨性差。注意： 復合水泥特點 取決于所摻混合材種類。水泥的水化和硬化解析第20頁6.摻混合材料硅酸鹽水泥共性與應用摻混合材硅酸鹽水泥共性密度較小 2.703.10。早期強度較低，后期強度增加率高。對養(yǎng)護溫濕度敏感，適合蒸汽養(yǎng)護

12、。水化熱較小。耐腐蝕性很好?？箖鲂?、耐磨性不及硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥。水泥的水化和硬化解析第21頁 摻混合材料硅酸鹽水泥應用凝結硬化速度慢、早期強度低。不過后期強度增加較多，甚至超出同標號硅酸鹽水泥或普通水泥。故這三種水泥不宜用于有早強要求工程。 硬化時對濕熱敏感性強。溫度低時凝結硬化慢，但在濕熱條件下（60-700C以上），凝結硬化速度大大加緊，強度發(fā)展很快。故適宜采取蒸汽養(yǎng)護。 水化放熱速度慢，放熱量低。宜用于大致積混凝土工程。 抗軟水和抗硫酸鹽腐蝕能力強。因為混合材料水化時消耗了部分Ca(OH)2，致使水泥適石中Ca(OH)2含量降低，而且C3AH6含量也大大降低，所以抗這兩種腐蝕能

13、力比硅酸鹽水泥和普通水泥要強。故適合用于受軟水或硫酸鹽腐蝕水利工程，海港工程及地下工程。 抗凍性和抗碳化能力差。這三種水泥早強低，受凍易損害，且因為Ca(OH)2含量少，堿度低，易碳化分解，使已硬化水泥石表面產生“起粉”現象。故不宜用于嚴寒地域，尤其是嚴寒地域水位經常變動部位。水泥的水化和硬化解析第22頁7.水化熱 概念： 水泥水化是放熱反應，放出熱量就是水化熱。放熱特征： 水泥放熱過程可連續(xù)很長時間，但大部分在3d內釋放。水化熱益處與危害： 水化熱有利于水泥快硬，尤其是在冬天施工，但假如水化熱發(fā)散不均勻，輕易在混凝土中引發(fā)裂縫，尤其是大致積混凝土，更是如此。水化熱和放熱速度影響原因：水泥礦物

14、組成水泥細度 水泥的水化和硬化解析第23頁問題？1.為何水泥顆粒越細，水化放熱越快？ 答: 水泥礦物水化反應是放熱反應，水泥顆粒越細，水化反應速度越快。2.硅酸鹽水泥熟料四種礦物中，哪一個水化熱最大？哪一個水化熱最?。?答： 鋁酸三鈣C3A水化熱最大；硅酸三鈣C3S次之；硅酸二鈣C2S水化熱最小。3.為何要限制水泥不溶物含量和燒失量？ 答：不溶物是指水泥經酸和堿處理后，不能被溶解殘余物；燒失量是指水泥經高溫灼燒后質量損失率。這兩項指標超標表示水泥中不能水化雜質含量大，影響水泥硬化后性能。水泥的水化和硬化解析第24頁問題？4.試從應用角度，分析水泥技術性質及其要求？ 答：水泥是一個膠凝材料，是主

15、要結構材料之一，所以，它必須含有強度和體積安定性；細度和標準稠度用水量是相互關聯，用水量大將影響強度；為了澆注成型施工，應對凝結時間有所限制；水化熱對水泥硬化過程和硬化后水泥石體積穩(wěn)定性有影響；堿含量、不溶物和燒失量影響水泥品質；為了結構物自重計算，必須知道水泥密度。水泥的水化和硬化解析第25頁3.6 特征水泥 和專用水泥 特征水泥：鋁酸鹽水泥快硬硫鋁酸鹽水泥道路硅酸鹽水泥白色和彩色水泥抗硫酸鹽硅酸鹽水泥專用水泥：砌筑水泥膨脹和自應力水泥中熱水泥和低熱礦渣水泥水泥的水化和硬化解析第26頁一、道路硅酸鹽水泥 組成特點：水泥熟料主要礦物硅酸鈣和鐵鋁酸鈣鐵鋁酸四鈣高，C4AF含量16.0。性能特點：

16、初凝時間較長，1h；抗折強度高；耐磨性好，磨損率3.60kg/m2；抗裂性好，28d干縮率 0.10%；使用特點： 主要用于混凝土路面工程。水泥的水化和硬化解析第27頁二、白色硅酸鹽水泥 組成特點： 水泥中氧化鐵含量低于水泥質量0.5%。性能特點： 外觀為白色，按白度分為一級、二級和三級；技術要求與普通水泥同。 應用特點： 白水泥熟料與顏料、石膏共同磨細可制得彩色水泥；主要用于建筑室內外裝飾等。水泥的水化和硬化解析第28頁三、抗硫酸鹽水泥 組成特點： C3S、C3A含量低，要求C3S含量低于50.055.0%；C3A含量低于5.03.0%。 （為何？）性能特點： 含有抵抗較高濃度硫酸根離子侵蝕

17、能力，抗蝕能力以抗硫酸鹽腐蝕系數F來評定。要求F0.8。應用特點： 主要用于受硫酸鹽腐蝕海港、水利、地下、隧道、引水、道路和橋梁基礎等工程。 抗硫酸鹽腐蝕系數F： 將水泥試件在人工配制硫酸根離子濃度分別為2500mg/L和8000mg/L硫酸鈉溶液中，浸泡6個月后強度與同時浸泡在飲用水中試件強度之比。 水泥的水化和硬化解析第29頁四、膨脹水泥和自應力水泥 膨脹和自應力水泥按膨脹值分為： 收縮賠償水泥： 這種水泥膨脹性較弱，膨脹時所產生壓應力大致能抵消干縮引發(fā)應力，可預防混凝土產生干縮裂縫。自應力水泥： 這種水泥含有較大膨脹性能，當它用于鋼筋混凝土中時，因為它膨脹性能，使鋼筋受到較大拉應力，而混

18、凝土則受到對應壓應力。當外界原因是混凝土結構產生拉應力時，就可被預先含有壓應力抵消或降低。 這種靠水泥本身水化產生膨脹來張拉鋼筋到達預應力稱為自應力。水泥的水化和硬化解析第30頁膨脹水泥和自應力水泥組成特點: 含有在水泥凝結硬化過程中能產生適量體積膨脹成份，如：氧化鈣、氧化鎂、硫鋁酸鈣、明礬石、石膏等。種類： 硅酸鹽型、鋁酸鹽型、硫鋁酸鹽型。性能特點： 凝結硬化過程中體積不收縮，而略有膨脹，提升密實性和抗?jié)B性。應用特點： 可用于配制防水砂漿和防水混凝土、管道接頭、堵縫和自應力鋼筋混凝土結構工程和構件等。 水泥的水化和硬化解析第31頁五、中熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣硅酸鹽水泥 組成特點： 熟料中C3

19、S、C3A含量較低，后一個摻加2060%?；郀t礦渣 。性能特點： 水化熱低，凝結時間較長，中熱水泥抗凍性和耐磨性很好。應用特點： 適合用于大致積混凝土，如大壩水利工程；和要求低水化熱、高抗凍性和耐磨性工程。水泥的水化和硬化解析第32頁六、快硬硅酸鹽水泥 組成特點： 熟料中C3S、C3A含量較高，石膏摻量略大（其中SO34.0%）。性能特點： 水泥細度較細，凝結硬化快，早期強度促進率高。應用特點： 早期強度要求高、緊急搶修、低溫施工工程和高標號混凝土預制構件等。水泥的水化和硬化解析第33頁七、高 鋁 水 泥 （鋁酸鹽水泥）高鋁水泥礦物組成 高鋁水泥水化高鋁水泥技術性質高鋁水泥特點與應用水泥的水

20、化和硬化解析第34頁(一) 高鋁水泥礦物組成 定義： 高鋁水泥（礬土水泥）是以鋁礬土和石灰石為原料，按一定百分比配合，經煅燒、磨細所制得一個以鋁酸鈣為主要礦物成份水硬性材料，又稱鋁酸鹽水泥。主要礦物有：鋁酸一鈣 CaOAl2O3 CA，50%70%；硅酸二鈣 2CaOSiO2 C2S，七鋁酸十二鈣 12CaO7Al2O3， C12A7 二鋁酸一鈣 CaO2Al2O3， CA2 硅鋁酸二鈣 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頁(二) 高鋁水泥水化和硬化 特點：1. 高鋁水泥水化主要是鋁酸一鈣水化和水化物結晶；2. 鋁酸一鈣水化物組成與溫度相關：

21、 T20C CA + 10 H2O CAH10 20CT30C 2CA + 11 H2O C2AH8 30CT 3CA + 12 H2O C3AH6 + 2(Al2O3 3H2O) 3.水化反應集中在早期，而且，反應速度較快，所以，早期強度增加快；4.水化物都是晶體，而且，穩(wěn)定性較差，輕易發(fā)生相互間轉化，因而引發(fā)強度降低。 水泥的水化和硬化解析第36頁不一樣溫度下鋁酸鹽水泥水化物5C20C40C60C5C下鋁酸鹽水泥穩(wěn)定水化物CAH10(六方片狀晶體）水泥的水化和硬化解析第37頁65C下鋁酸鹽水泥穩(wěn)定水化物C3AH6(立方晶體） 水泥的水化和硬化解析第38頁(三) 高鋁水泥技術性質 1. 外觀

22、：黃色或黃褐色或灰色；2. 密度與堆積密度：與硅酸鹽水泥相近；3. 細度：80m篩余不得超出10%；4. 凝結時間：初凝40min，終凝10h；5. 強度： 見表2-20。水泥的水化和硬化解析第39頁(四) 高鋁水泥特點與應用 1. 耐高溫性能好，配制耐高溫混凝土或砌筑砂漿；高鋁水泥混凝土在13000C還能保持約53%強度。2. 耐硫酸鹽腐蝕性能很好，適合用于有抗硫酸鹽侵蝕要求工程；3. 耐堿性較差，不能用于接觸堿溶液工程；4. 水化熱較大，適合用于冬季施工，不適合用于大致積混凝土；5. 快硬早強，宜用于緊急搶修工程。6. 高鋁水泥有強度倒縮現象，如需用于工程中，應按最低穩(wěn)定強度設計。 水泥的水化和硬化解析第40頁高鋁水泥應用時注意 不宜用于長久承重結構機處于高溫高濕環(huán)境工程。 鋁酸鹽水泥最適宜硬化溫度為150C左右，普通不超出250C。如溫度過高，水化鋁酸一鈣和水化鋁酸二鈣會轉變成水化鋁酸三鈣，固相體積降低，孔隙