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1、水泥及混凝土,目 录,胶凝材料及水泥简介硅酸盐水泥组成水泥的水化和硬化水泥混凝土简介聚合物改性水泥混凝土,胶凝材料,定义：在物理、化学作用下，能从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其他物料，制成有一定机械强度的复合固体的物质,水 泥,什么是水泥？凡细磨材料，加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性胶凝材料，通称为水泥。,硅酸盐水泥,定义：凡是由硅酸盐水泥熟料、0-5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量的石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。,普通硅酸盐水泥,定义：由硅酸盐水泥熟料、6%-15%混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材
2、料，称为普通硅酸盐水泥(简称普通水泥)，代号P.O。混合材料：掺活性混合材料时，最大掺入量不得超过15%掺非活性混合材料时最大掺量不超过水泥质量10%。,硅酸盐水泥熟料组成,化学组成 硅酸盐水泥熟料主要由CaO、SiO2、AL2O3，和Fe2O3四种氧化物组成，其含量总和通常都在95以上。四种氧化物含量的波动范围为：CaO SiO2 Al2O3 Fe2O362-67 20-24 4-7 2.5-6.0,硅酸盐水泥熟料组成,矿物组成 硅酸盐水泥孰料主要有以下四种矿物：硅酸三钙 3CaOSiO2 可简写为C3S；硅酸二钙 2CaOSiO2 可简写为C2S；铝酸三钙 3Ca0AI2O3 可简写为C3
3、A；铁相固溶体 以铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O3作为代表式，简写成C4AF。此外，还有少量游离氯化钙(f-CaO)、方镁石(结晶氧化镁)、含碱矿物及玻璃体。,硅酸盐水泥熟料组成,各孰料矿物含量波动范围,硅酸盐水泥熟料组成,硅酸三钙C3S是硅酸盐水泥熟料的主要矿物，含量为50%左右。在熟料中，C3S以含有少量氧化镁、铝、铁的固溶体形式存在。C3S凝结时间正常。水化较快，放热多。粒径4050um早强高，且后期强度增进率大，28d强度可达一年强度的7080。,硅酸盐水泥熟料组成,硅酸二钙C2S在熟料中含量一般为20左右，熟料中硅酸二钙也不是以纯的形式存在，而是与少量MgO、AL2O3、R2O
4、等形成固溶体。凝结硬化缓慢，早期强度较低，但后期强度增长率较高，水化热较小，抗水性较好。,硅酸盐水泥熟料组成,铝酸钙，铝酸钙主要是铝酸三钙。C3A在熟料中的潜在含量为7%15%。C3A水化迅速，放热多，凝结很快.若无石膏等缓凝剂，易使水泥急凝。硬化快，强度3d内就发挥出来。铁相固溶体 铁相固溶体在熟料中的潜在含量为10%18%。在熟料中，其成分接近C4AF，故多用C4AF代表熟料中铁相的组成。,水 化,熟料矿物水化的原因 熟料矿物中钙离子的氧离子结构的不稳定，晶体结构有“空洞”，因而易于起水化反应。C3S的结构中钙离子的配位数为6，但配位不规则，有5个氧离子集中在一侧而另一侧只有1个氧离子，在
5、氧离子少的一侧形成“空洞”，使水容易进入与它反应。,水 化,C2S中钙离子的配位数有一半是6，一半是8，配位不规则，也不稳定，可以水化，但速度较慢。C3A的晶体结构中，钙离子周围的氧离子排列极不规则，结构有巨大的“空洞”，故水化很快。C4AF中钙的配位数为10与6，结构也有“空洞”，故也易水化。,各矿物的水化反应,硅酸三钙 硅酸三钙在水泥熟料中的含量高，因此它的水化作用、产物及其所形成的结构对硬化水泥浆体的性能有很重要的影响。水化反应方程式：,缩写为：,水化产物为C-S-H凝胶和氢氧化钙，C-S-H 有时也被笼统地称之为水化硅酸钙。,硅酸三钙的水化,硅酸三钙的水化速率很快，其水化过程具体可分为
6、五个阶段：,硅酸三钙的水化,1、初始水解期2、诱导期3、加速期 4、衰减期5、稳定期,硅酸二钙的水化,C2S的水化与C3S相似，只不过水化速度慢，其水化反应方程式可表示为：2CaOSiO2+nH2O=xCaOSiO2yH2O+(2-x)Ca(OH)2C2S所形成的水化硅酸钙在CS和形貌方面与C3S批生成都无大区别，故也称C-S-H凝胶。但CH生成量比C3S少，结晶也比C3S的粗大些。,铝酸三钙水化,铝酸三钙与水反应迅速，放热快，其水化产物组成和结构受液相CaO浓度和温度的影响很大。在常温，其水化反应依下式进行：,C4AH19在低于85的相对湿度会失去6个摩尔的结晶水而成为C4AH13，C4AH
7、13和C2AH8，常温下处于介稳状态，有：C4AH13+C2AH8 2C3AH6+9H,铝酸三钙水化,在温度高于35时，C3A会直接生成C3AH6；由于C3A本身水化热很大，使颗粒表面温度高于35，因此C3A水化时往往直接生成C3AH6。C3A+6H2O C3AH6 这一反应导致水泥浆闪凝或假凝，必须避免！避免闪凝的有效途径加入石膏CaSO42H2O,铝酸三钙水化,在有石膏存在的条件下：C3A与石膏反应形成水化硫铝酸钙钙矾石晶体，并放出大量热：C3A+3CH2+25H C3A3CH31+300 cal/g(1)(钙钒石)石膏消耗完后，C3A直接水化形成C3AH6：C3A+6H2O C3AH6(
8、2),铁铝酸四钙C4AF的水化,铁铝酸四钙C4AF的水化反应方程式可以表示为：C4AF+7H C3AH6 CFHC4AF的水化反应对整个水泥的行为影响较小。,小 结,水泥的水化过程简单地划分为三个阶段，即：1、钙矾石形成期 C3A在石膏存在的条件下，迅速形成钙矾石。2、C3S水化期 C3S开始迅速水化，大量放热。3、结构形成和发展期 放热速率低趋于稳定，水化产物增多，填入原先由水所占据的空间，再逐渐连接并相互交织，发展成硬化的浆体结构。,影响水泥水化速率的因素,水化速率，是指单位时间内水泥水化程度。水化程度，是指一定时问内已水化的水泥量与完全水化量的比值。影响水泥水化速率的因素：1、熟料矿物组
9、成 2、水灰比3、细度4、养护条件5、外加剂,硅酸盐水泥的凝结、硬化,硅酸盐水泥的凝结、硬化过程主要分为三个阶段：第一阶段大约在水泥拌水起到初凝为止，C3S和水迅速反应生成Ca(OH)2饱和溶液，并从中析出Ca(OH)2晶体。同时，石膏也很快进入溶液和C3A反应生成细小的钙矾石晶体。在这一阶段，水化产物尺寸细小，数量少，水泥浆呈塑性状态。,硅酸盐水泥的凝结、硬化,第二阶段：大约从初凝起至24h为止，水泥水化开始加速，生成较多的Ca(OH)2和钙矾石晶体。同时水泥颗粒上长出纤维状的CSH。产生强(结晶的)、弱(凝聚的)不等的接触点，将各颗粒初步联接成网，而使水泥浆凝结。接触点数目增加，网状结构不
10、断加强，强度相应增大。原先剩留在颗粒间空间中的非结合水就逐渐被分割成各种尺寸的水滴，填充在相应大小的孔隙之中。,硅酸盐水泥的凝结、硬化,第三阶段：从24h以后，直到水化结束。在一般情况下，石膏已经耗尽，所以钙矾石开始转化为单硫型水化硫铝酸钙，还可能会形成C4(A，F)H13。随着水化的进行，C-S-H、Ca(OH)2、C4(A，F)H13等水化产物的数量不断增加，结构更趋致密，强度相应提高。,硬化水泥浆体的结构,硬化水泥浆体 是一非均质的多相体系，由各种水化产物和残存熟料所构成的固相以及存在于孔隙中的水和空气所组成，所以是固-液-气三相多孔体。它具有一定的机械强度和孔隙率，而外观和其他性能又与
11、天然石材相似，因此通常又称之为水泥石。,硬化水泥浆体的结构,水泥的水化产物包括：水化硅酸钙C-S-H凝胶、结晶较好的氢氧化钙、钙矾石、单硫型水化硫铝酸钙以及水化铝酸钙等晶体。它们是水泥石的主要组成。此外，水泥石中一般还包含部分未水化的熟料颗软和极少量的无定形氢氧化钙、玻璃质、有机外加物等。,硬化水泥浆体的结构,孔结构 各种尺寸的孔是硬化水泥浆体结构中的一个主要部分，总孔隙率、孔径大小的分布以及孔的形态等，是硬化水泥浆体的重要结构特征。据计算，每1cm3的水泥水化后约得占据2.21cm3的空间。充水的空间减少，而没有被水化产物填充的空间逐渐被分割成形状极不规则的毛细孔。,水及其存在形式,硬化水泥
12、浆体中的水可以分为结晶水、吸附水和自由水三种类型。结晶水，又称化学结合水，又分为强、弱结晶水两种。吸附水水是存在于几纳米和0.01m甚至更大的毛细孔中的水，结合力弱，脱水温度低。自由水又称游离水，多余的蒸发水。它的存在使水泥浆体结构不致密，干燥后水泥石孔隙增加，强度下降。,水泥混凝土,水泥混凝土 由水泥，水和骨料等按适当比例配制，经混合搅拌，硬化成型的一种人工石材。由于水泥混凝土结构中存在大量氢氧化钙等腐蚀介质，以及毛细孔等，导致水泥混凝土存在吸水率高，抗渗性差，耐久性不足等缺陷。另外，水泥和骨料界面微裂纹的存在，导致材料呈脆性破坏，应用范围受到限制。,聚合物改性水泥混凝土,聚合物混凝土（PP
13、C）是指，掺有粗细集料和适量聚合物的水泥混凝土。在水泥（砂浆）混凝土中加入一定的聚合物可以明显改善水泥砂浆的性能。高分子聚合物，优异的柔韧性，抗冲击性，和良好的抗渗性能正好弥补普通水泥基材料的缺陷。,聚合物改性水泥混凝土,聚合物主要从以下几个方面改善水泥基材料的性能：1、提高粘接剂本身强度；2、增强粘接剂和集料界面间的粘接力；3、提高集料的强度；4、填充空隙；5、综合效果。,聚合物改性水泥机理,聚合物增强水泥机理有一些著名的模型，如Konietzko的双空间网结构模型、Puterman模型、Malorny模型、Ohama模型47等。这里主要介绍Ohama的单空间网结构模型，它将过程分成三个阶段
14、：,聚合物改性水泥机理,图a刚开始混合，图b为第一阶段：聚合物均匀分散，水泥开始水化，水相Ca(OH)2逐渐饱和，聚合物沉积与水泥和凝胶颗粒表面。,聚合物改性水泥机理,（图c）第二阶段（图d）第三阶段（已硬化）,聚合物改性水泥,常见的几种改性聚合物：1、叔碳酸乙稀酯共聚乳液；2、丁苯乳液（SBRL）；3、聚丙烯酰胺（PAM）；4、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）；5、乙烯-醋酸乙烯共聚乳液（EVA）；,不同聚合物的改性机理,有研究表明，聚合物在混凝土体系中除了填充空隙和构成网络以外，还与水化产物发生了不同程度的化学反应。如叔碳酸乙烯酯共聚乳液，乳液中存在大量酯。在碱性条件下水解出COO，与Ca+发生反应：,不同聚合物的改性水泥,梁乃兴等研究发现丁苯乳液掺入水泥混凝土，使得抗弯强度提高，弹性模量减小，刚性降低，抗折破裂能明显增加，变形能力增强。聚丙烯酰胺被用在MDF（宏观无缺陷）水泥中，抗弯强度达到60Mpa以上。PMMA和EVA改性水泥都有很好的效果。,结束,谢 谢！,
