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1、第八章 硅酸盐水泥的性能本章主要内容 凝结时间 强度 体积变化 水化热,硅酸盐水泥的性能包括:,密度容积密度细度,强度体积变化耐久性凝结时间水化热泌水性,建筑性能,物理性能,8.1 凝结时间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。初凝:水泥浆体失去流动性和部分可塑性,开始凝结.终凝:水泥浆体逐渐硬化,完全失去可塑性,并具有一定的机械强度,能抵抗一定的外来压力.,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
2、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。测定前的准备工作,0点,试模,试针,净浆,调整凝结时间测定仪的试针，当接触玻璃板时，指针应对准标尺零点。,4 1mm,初凝状态,初凝时间的测定 由开始加水至初凝状态时的时间为该水泥的初凝时间，用小时（h）或分（min）来表示。,0.5mm,终凝状态,终凝时间的测定 由开始加水至终凝状态时的时间为该水泥的终凝时间，用小时（h）或分（min）来表示。,凝结时间的重要意义 水泥浆体的凝结时间，对于建
3、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（GB17599规定）初凝时间 终凝时间 硅酸盐水泥 45min 6.5h 普通水泥 45min 10h 测定方法：凝结时间测定仪（维卡仪）,一.凝结速度 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。,
4、影响凝结速度的因素 熟料矿物组成 水泥细度 水灰比 养护条件（温度）外加剂等。,凝结速度和水化速度？,矿物组成（参考普硅78）熟料矿物28天的水化速度大小顺序为：C3AC3SC4AFC2S 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：80m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
5、。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。,二、石膏的作
6、用及其适宜掺量的确定,1.石膏的作用：调节凝结时间；（主要作用）提高早期强度；降低干缩变形；改善水泥的性能。,2.石膏的缓凝机理 水泥中掺加适宜石膏时，3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。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？,3.石膏掺量的确定,确定石膏的最佳掺量要同时考虑:凝结时间；强度；（图9.4）安定性。,图9.3石膏对水泥凝结时间的影响,石膏最佳掺入量是指使水泥凝结正常、强度高、安定性良好的
7、掺量。,图10-3水泥强度与SO3掺入量的关系,确定最佳掺量的可靠方法具体做法：用同一熟料掺加各种百分比的石膏（例如SO3总量15），分别磨到同一细度，进行凝结时间、不同龄期的强度等性能试验。然后根据所得的强度和SO3含量的关系曲线，结合各龄期情况综合考虑，选择在安定性合格、凝结时间正常时能达到最高强度的SO3掺加量，即为最佳石膏掺量。我国生产的普通水泥石膏掺量一般波动于 SO3=1.52.5。,三、假凝现象,1.假凝及其特征 假凝：是指水泥的一种不正常的早期固化或过早变硬现象。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。快凝：指熟料粉磨后与水混合瞬间凝结并放
8、出热量的现象。,2.产生原因快凝原因：熟料煅烧时冷却速度慢、碱含量高；C3A含量高或石膏掺量不足；假凝原因：造成假凝的主要原因除熟料C3A含量高或石膏掺量较多外；水泥在粉磨时受到高温，二水石膏脱水成半水石膏；高碱水泥生成钾石膏；水泥颗粒表面异性电荷的作用；,3.快凝、假凝比较,4.预防措施：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；将水泥存放一段时间；在建筑施工中，可以延长搅拌时间来消除假凝现象的产生；,图10-4 不正常凝结的典型特性曲线,四、调凝外加剂 促凝剂 按所起作用不同 缓凝剂 促凝剂 指减
9、少水泥浆由塑性变为固态所需时间，提高早期强度，并对后期强度无显著影响的外加剂。,促凝剂主要有三类：氯盐类，如氯化钙、氯化钠等；硫酸盐类，如硫酸钠、硫代硫酸钠等；有机胺类，如三乙醇胺、三异丙醇胺等；但CaCl2会使钢筋锈蚀。常与阻锈剂亚硝酸钠复合使用。Na2S04与Ca(OH)2作用生成强碱NaOH，易于活性集料中发生碱集料反应。但三乙醇胺掺量过多反而会造成混凝土严重缓凝和强度下降。,适用范围促凝剂可以在常温、低温、负温（不低于5）条件下加速混凝土的硬化过程，多用于冬季施工和抢修工程。注意事项：在实际生产中，使用调凝剂时应注意其掺量及其对水泥性能的影响等问题。在选择外加剂和其适宜的掺量时，应根据
10、工程需要，现场的材料条件，参考有关资料，通过试验确定。,某工地使用某厂生产的硅酸盐水泥，加水拌和后，水泥浆体在短时间内迅速凝结。后经剧烈搅拌，水泥浆体又恢复塑性，随后过三小时才凝结。请讨论形成这种现象的原因。,缓凝剂 能延缓凝结时间，并对后期强度发展无不利影响的外加剂。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。,适用范围主要适用于大体积的混凝土和炎热气候下施工，以及需长时间停放或长距离运输的混凝土。缓凝剂不宜用于日最低气温5以下施工的混凝土，也不宜单独用于有早强要求的
11、混凝土及蒸养混凝土。,8.2 强度 一、强度的形成(机理）1.强度机理巨大的表面能（范德华力的作用）晶体的连生（化学键的作用）两种观点的结合（某前主要观点）,2、表达方式：(单位：MPa）,按所受压力不同分：,按龄期不同分：,抗压强度,抗折强度,早期强度：指28d以前的强度,后期强度：指28d及以后的强度。,如1d 3d 7d强度,如：28d强度,水泥胶砂强度检验方法（ISO法）（GB/T17671-1999）,二、影响水泥强度的因素1.熟料的矿物组成 2.水泥的细度：3.施工条件：水灰比：骨料级配：搅拌振捣的程度：养护温度和湿度：外加剂的使用：,1.熟料的矿物组成：4种单矿物28d强度排序：
12、C3SC4AFC3AC2S C3S早强高，C2S后期强度增幅大。C3A早期强度增长很快，对早强有利，但后期强度增长不大。甚至倒缩，C3A存在最佳含量。C4AF对早强及后强均有利。碱含量使早期强度提高，28天及其以后强度有所降低。石膏和少量氧化物的影响,2.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。,3.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
13、响。水灰比：骨料级配：搅拌振捣的程度：养护温度：外加剂的使用：,图10-7养护温度对水泥浆体强度增长的影响,养护对水泥强度发展的影响,8.3 体积变化 一.体积安定性安定性不良：水泥在凝结硬化过程中产生剧烈而不均匀的体积变化（体积膨胀),称为安定性不良引起安定性不良的原因：熟料中游离氧化钙、氧化镁含量过高以及水泥中石膏掺加量过多。,f-CaO的危害与细度有关：细度越细，f-CaO水化快，影响相应变小。测试法：雷氏夹法：水中养护24小时，煮沸1h 蒸煮试饼法；（热饼试验7080mm，中心厚10 mm 边缘渐薄）煮沸4h，不弯曲、开裂、溃散。方鎂石 压蒸法（试体2525250 mm）：216,20
14、atm压蒸3h，膨胀率0.5,石膏：调凝剂 若掺加量过多，在凝结硬化后期继续形成钙矾石，产生膨胀。标准中规定：水泥中SO33.5 测试法：冷饼试验：试饼置于潮湿环境或浸入水中经28天或更长时间观察有无明显变形作为参考。化学分析：测出一定时间后未结合的SO3剩余量-判断安定性是否良好的可靠依据,二、体积变化的三种情况1.化学减缩 定义：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。例如减缩量：水泥熟料各单矿物的减缩作用大小顺序：C3AC4AFC3SC2S 表9.4水泥的化学减缩量的大小，常与C3
15、A含量成线性关系，一般100g水泥水化的减缩量为79cm3。若每m3混凝土用水泥300kg，则减缩量将达到（2127）103cm3。,以C3S的水化反应为例：2(3CaOSiO2)+6H2O=3CaO2SiO23H2O+3Ca(OH)2密度(g/cm)3.14 1.00 2.44 2.23摩尔质量(g/mol)228.23 18.02 342.48 74.10摩尔体积(cmmol)72.71 18.02 140.40 33.23体系中所占体积（cm）145.42 108.12 140.40 99.69,253.54,240.09,返回,2.湿胀干缩现象：硬化水泥浆体的体积随其含水量而变化。浆体
16、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。湿胀干缩机理P219影响因素：熟料的矿物组成：C3S和C2S 对胀缩的影响相同，比C4AF略大，但比C3A 小得多。C3A含量增加，硬化浆体的干缩值提高。石膏掺量：水灰比：一般早期干缩发展较快，但水灰比对其影响不大，28d后，干缩随水灰比减小而明显降低。,图108湿胀干缩示意图,图9-24 水泥浆体干缩率随时间的变化1C3A含量4%；2C3A含量6%；3C3A含量8%,图925水灰比对水泥浆体干缩的影响,3.碳化收缩 定义：在一定的相
17、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，出现不可逆的收缩现象，称为碳化收缩。反应式：Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O3CaO2SiO23H2O+CO2=CaCO3+2(CaOSiO2H2O)+H2O,碳化收缩机理：,反应速度：一般在大气中，碳化速度很慢，且只在表面进行，大约在一年后才会在硬化水泥浆体表面产生微裂缝，只影响外观质量，不影响强度。,体积变化，均匀性,8.4 水化热 1、定义：水泥水化时会放出热量。水化过程中所放出的热量，称为水泥的水化热。2、危害：一般工程水化热对冬季施工有利。
18、在大体积混凝土工程中，由于混凝土的热传导率低，水化放出的热量聚集在混凝土内部不易散失，使其内部温度升高，导致混凝土结构内外温差较大而产生应力，致使混凝土结构不均匀膨胀而产生裂缝，给工程带来严重的危害。,有利有害？,3、影响因素：熟料矿物组成：熟料中各单矿物的水化热大小顺序为：C3A C4AF C3S C2S熟料矿物固溶状态：同一熟料矿物呈玻璃态时水化热小，呈晶体态时水化热大。熟料煅烧与冷却制度：冷却速度越快，玻璃体含量越高，水化热越小。水泥细度：细度主要影响水化时的放热速度，水泥越细，放热速度越快。水灰比：养护温度：水泥储存时间,以下是A、B两种硅酸盐水泥熟料矿物组成百分比含量，请分析A、B两种硅酸盐水泥的早期强度及水化热的差别。,8.5粉磨细度一.水泥细度表示法：筛余、比表面积、颗粒平均粒径、颗粒级配 国家标准规定：以筛余百分数表示，0.08方孔筛筛余12,二、与细度有关的内容水泥粉磨越细，水化反应越快；强度随水泥比表面积的增加而提高；水泥越细，标准稠度需水量越大；干缩率随细度的提高而增加；细度增大时，石膏掺加量相应增加；相同比表面积的水泥，可能具有不同的颗粒级配。同一比表面积的水泥，“窄级配”时，水泥强度会有一定提高；提高水泥粉磨越细，磨机台时产量下降，电耗增加。,
