碱-集料反应
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第八章 硅酸盐水泥的耐久性
本章主要内容
·抗渗性 ·抗冻性 ·环境介质的侵蚀 ·碱-集料反应 ·耐久性的改善途径
• 耐久性: 硬化水泥石结构在一定环境条件下长期保 持稳定质量和使用功能的性质称为耐久性。
• 耐久性的因素: 抗渗性 抗冻性 对环境介质的抗蚀性 碱集料反应等。
§9.1抗渗性
一.定义：硬化水泥石或混凝土抵抗各种有害 介质进入内部的能力。
3.抗冻性的表示方法
以试块能经受-15℃和20℃的循环冻融而抗压 强度降低不超过25%时的最高次数来表示，如200 次或300次冻融循环等。次数越多说明抗冻性越好。
什么样的情况才会发生冻融破坏？
• 抗冻性取决于孔隙率、孔隙特征及充水程度。 水 饱和水 粗大孔隙 闭口孔隙 毛细管孔隙
硬化水泥浆体中水的形式：
四.含碱溶液
1.化学侵蚀：
化学腐蚀 物理析晶
碱溶液与水泥石的组分起化学反应，生成胶结力不强、 易为碱溶液溶析的产物，代替了水泥石原有的结构组成。 2CaO· SiO2· nH2O +2NaoH→ 2Ca(OH)2+Na2SiO3 + (n-1) H2O 3CaO· AlO3· 6H2O +2NaoH→ 3Ca(OH)2+Na2O· AlO3 + 4H2O
·水中 H+ 离子的浓度 ·酸中阴离子的种类
• 无机酸：盐酸、硝酸等：形成可溶性钙盐，侵蚀性强。 磷酸：形成不溶性的钙盐，侵蚀慢。
• 有机酸：整体侵蚀程度不如无机酸强烈。
醋酸、蚁酸、乳酸：形成易溶钙盐， 草酸：形成不溶性钙盐。
3.自然wenku.baidu.com中酸性水的侵蚀—碳酸侵蚀
侵蚀机理 Ca(OH)2+CO2 CaCO3+CO2+H2O
CaCO3+H2O
Ca(HCO3)2
水中的碳酸
平衡碳酸 结合碳酸 侵蚀性碳酸：超过了平衡碳酸量的部分
三.硫酸盐侵蚀（又称膨胀侵蚀） 1.侵蚀机理 Ca(OH)2+Na2SO4· 10H2O→CaS04· 2H20+2NaOH+8H2O 石膏析晶，体积增大124%——石膏侵蚀）
4CaO.Al2O3.19H2O 3(CaSO4 .2H2O) 8H2O 3CaO. Al2O3.3CaSO4 .32H2O Ca(OH )2
在一定碱度下稳定的C-S-H的分解溶出－水泥石崩溃；
对抗渗性较好的水泥石溶出侵蚀很慢，可忽略。
二.酸和酸性水侵蚀
1.侵蚀机理 物理溶析 化学溶解
硬化浆体
物理溶析 化学溶解
易溶盐类
H+ + ROH- + Ca 2+
水+钙盐
•H+＋OH- =H2O
Ca2+＋2R- = CaR2
2.影响酸性水侵蚀作用的因素
化合水：不结冰 凝胶水： 吸附水： 自由水： 毛细水：
-78℃才结冰 结冰，影响抗冻性
可见，硬化水泥浆体中水的冰点受水成分和孔径大小 的影响，孔径越小，冰点越低。
二.结冰的破坏机理
1.静水压理论 水结冰时体积增加，未冻水被迫向外流动，从 而产生危害性静水压力。
2.渗透压理论 凝胶水渗透入正在结冰的毛细孔内是引起冻 融破坏的原因。
结果 结构受到破坏，强度降低 表现形式
体积膨胀－膨胀型腐蚀 体积收缩－溶出型腐蚀
一.淡水侵蚀（又称溶出性侵蚀）
淡水侵蚀是指硬化水泥浆体受淡水浸析时，其 组成逐渐被水溶解并在水流动时被带走，最终导致 水泥石结构破坏的现象。 淡水包括：雨水、雪水、内陆河水、湖水
腐蚀机理： Ca(OH)2 溶解度 1.2g/L ·不饱水－水泥石中Ca(OH)2晶体逐渐溶出； ·在静水、无水压下－溶液饱和－溶解作用停止； ·在有压、流动的水下－ Ca(OH)2不断溶出并带走－并引起
生成钙矾石体积增加94%——硫铝酸盐侵蚀
• 镁盐腐蚀－双重腐蚀
MgSO4+Ca(OH)2+2H2O —— CaSO4.2H2O+Mg(OH)2 3CaO· 2SiO2+3MgSO4+nH2O → 3[CaS04· 2H2O] + 3Mg(OH)2+2SiO2 • Mg2+还会进入水化硅酸钙凝胶，使其胶结性能变差。
三.影响抗冻性的因素：
1.水泥品种与矿物组成： 2.水灰比： 3.养护龄期 4.孔结构 5.硬化浆体的充水程度
增加C3S含量，适当增 加水泥中石膏掺入量， 可以改善抗冻性。 水泥强度越高，抗冻性 越好
三.影响抗冻性的因素：
1.水泥品种与矿物组成： 2.水灰比： 3.养护龄期 4.孔结构 5.硬化浆体的充水程度
水灰比越小，硬化水泥浆 体中毛细孔率越小，孔径 尺寸越小，抗冻性越好。
三.影响抗冻性的因素： 1.水泥品种与矿物组成： 2.水灰比： 养护龄期越长，抗 冻性越好 3.养护龄期 4.孔结构 5.硬化浆体的充水程度
§9.3环境介质的侵蚀
• 对水泥耐久性有害的环境介质主要有： 淡水 酸和酸性水 硫酸盐溶液和碱溶液
2.结晶侵蚀：
由于孔隙中的碱液，因蒸发析晶产生结晶压力引起水泥 石膨胀破坏。
• §9.4 碱集料反应 一.定义及类型
渗透系数：
k c
2
式中
c
--总孔隙率； --孔的水力半径； --流体的粘度； --常数。
二.影响抗渗性因素： ·孔径尺寸： ·空隙率：
k
k
∝ ∝
2
可见，渗透系数主要决定于毛细孔率的大小，尤其是 大毛细孔。
·水灰比：见下图
水灰比越大，孔隙率越大，孔径尺寸越大，渗透系 数越大。 一般认为，水灰比在 0.5 以下时，硬化水泥浆体的抗 渗性较好。
·水化龄期：
渗透系数随龄期越小。
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三.提高抗渗性的措施
·适当降低水灰比 ·选用适当的骨料 ·施工中加强振捣，采用适宜的养护制度。 ·外加剂（减水剂，引气剂）
§9.2 抗冻性
一.抗冻性的定义： 1.定义：硬化水泥浆体抵抗冻融循环的能力。 2.危害：冻融循环是寒冷地区混凝土，尤其是港口 混凝土破坏的主要原因之一。
有害介质主要有： 流动水、溶液、气体等
渗水速率：
dq dt
h kA l
式中：
dq ——渗水速率（mm3/s）； dt
A——试件的横截面面积（mm2）； ⊿h——作用于试件两侧的水压差（mm水柱）； L——试件厚度（ mm）； k——渗透系数（ mm/s）。 由上式可知，当试件尺寸和两侧水压差一定时，渗水速 率和渗透系数成正比，所以，常用渗透系数k表示抗渗性的 高低。
本章主要内容
·抗渗性 ·抗冻性 ·环境介质的侵蚀 ·碱-集料反应 ·耐久性的改善途径
• 耐久性: 硬化水泥石结构在一定环境条件下长期保 持稳定质量和使用功能的性质称为耐久性。
• 耐久性的因素: 抗渗性 抗冻性 对环境介质的抗蚀性 碱集料反应等。
§9.1抗渗性
一.定义：硬化水泥石或混凝土抵抗各种有害 介质进入内部的能力。
3.抗冻性的表示方法
以试块能经受-15℃和20℃的循环冻融而抗压 强度降低不超过25%时的最高次数来表示，如200 次或300次冻融循环等。次数越多说明抗冻性越好。
什么样的情况才会发生冻融破坏？
• 抗冻性取决于孔隙率、孔隙特征及充水程度。 水 饱和水 粗大孔隙 闭口孔隙 毛细管孔隙
硬化水泥浆体中水的形式：
四.含碱溶液
1.化学侵蚀：
化学腐蚀 物理析晶
碱溶液与水泥石的组分起化学反应，生成胶结力不强、 易为碱溶液溶析的产物，代替了水泥石原有的结构组成。 2CaO· SiO2· nH2O +2NaoH→ 2Ca(OH)2+Na2SiO3 + (n-1) H2O 3CaO· AlO3· 6H2O +2NaoH→ 3Ca(OH)2+Na2O· AlO3 + 4H2O
·水中 H+ 离子的浓度 ·酸中阴离子的种类
• 无机酸：盐酸、硝酸等：形成可溶性钙盐，侵蚀性强。 磷酸：形成不溶性的钙盐，侵蚀慢。
• 有机酸：整体侵蚀程度不如无机酸强烈。
醋酸、蚁酸、乳酸：形成易溶钙盐， 草酸：形成不溶性钙盐。
3.自然wenku.baidu.com中酸性水的侵蚀—碳酸侵蚀
侵蚀机理 Ca(OH)2+CO2 CaCO3+CO2+H2O
CaCO3+H2O
Ca(HCO3)2
水中的碳酸
平衡碳酸 结合碳酸 侵蚀性碳酸：超过了平衡碳酸量的部分
三.硫酸盐侵蚀（又称膨胀侵蚀） 1.侵蚀机理 Ca(OH)2+Na2SO4· 10H2O→CaS04· 2H20+2NaOH+8H2O 石膏析晶，体积增大124%——石膏侵蚀）
4CaO.Al2O3.19H2O 3(CaSO4 .2H2O) 8H2O 3CaO. Al2O3.3CaSO4 .32H2O Ca(OH )2
在一定碱度下稳定的C-S-H的分解溶出－水泥石崩溃；
对抗渗性较好的水泥石溶出侵蚀很慢，可忽略。
二.酸和酸性水侵蚀
1.侵蚀机理 物理溶析 化学溶解
硬化浆体
物理溶析 化学溶解
易溶盐类
H+ + ROH- + Ca 2+
水+钙盐
•H+＋OH- =H2O
Ca2+＋2R- = CaR2
2.影响酸性水侵蚀作用的因素
化合水：不结冰 凝胶水： 吸附水： 自由水： 毛细水：
-78℃才结冰 结冰，影响抗冻性
可见，硬化水泥浆体中水的冰点受水成分和孔径大小 的影响，孔径越小，冰点越低。
二.结冰的破坏机理
1.静水压理论 水结冰时体积增加，未冻水被迫向外流动，从 而产生危害性静水压力。
2.渗透压理论 凝胶水渗透入正在结冰的毛细孔内是引起冻 融破坏的原因。
结果 结构受到破坏，强度降低 表现形式
体积膨胀－膨胀型腐蚀 体积收缩－溶出型腐蚀
一.淡水侵蚀（又称溶出性侵蚀）
淡水侵蚀是指硬化水泥浆体受淡水浸析时，其 组成逐渐被水溶解并在水流动时被带走，最终导致 水泥石结构破坏的现象。 淡水包括：雨水、雪水、内陆河水、湖水
腐蚀机理： Ca(OH)2 溶解度 1.2g/L ·不饱水－水泥石中Ca(OH)2晶体逐渐溶出； ·在静水、无水压下－溶液饱和－溶解作用停止； ·在有压、流动的水下－ Ca(OH)2不断溶出并带走－并引起
生成钙矾石体积增加94%——硫铝酸盐侵蚀
• 镁盐腐蚀－双重腐蚀
MgSO4+Ca(OH)2+2H2O —— CaSO4.2H2O+Mg(OH)2 3CaO· 2SiO2+3MgSO4+nH2O → 3[CaS04· 2H2O] + 3Mg(OH)2+2SiO2 • Mg2+还会进入水化硅酸钙凝胶，使其胶结性能变差。
三.影响抗冻性的因素：
1.水泥品种与矿物组成： 2.水灰比： 3.养护龄期 4.孔结构 5.硬化浆体的充水程度
增加C3S含量，适当增 加水泥中石膏掺入量， 可以改善抗冻性。 水泥强度越高，抗冻性 越好
三.影响抗冻性的因素：
1.水泥品种与矿物组成： 2.水灰比： 3.养护龄期 4.孔结构 5.硬化浆体的充水程度
水灰比越小，硬化水泥浆 体中毛细孔率越小，孔径 尺寸越小，抗冻性越好。
三.影响抗冻性的因素： 1.水泥品种与矿物组成： 2.水灰比： 养护龄期越长，抗 冻性越好 3.养护龄期 4.孔结构 5.硬化浆体的充水程度
§9.3环境介质的侵蚀
• 对水泥耐久性有害的环境介质主要有： 淡水 酸和酸性水 硫酸盐溶液和碱溶液
2.结晶侵蚀：
由于孔隙中的碱液，因蒸发析晶产生结晶压力引起水泥 石膨胀破坏。
• §9.4 碱集料反应 一.定义及类型
渗透系数：
k c
2
式中
c
--总孔隙率； --孔的水力半径； --流体的粘度； --常数。
二.影响抗渗性因素： ·孔径尺寸： ·空隙率：
k
k
∝ ∝
2
可见，渗透系数主要决定于毛细孔率的大小，尤其是 大毛细孔。
·水灰比：见下图
水灰比越大，孔隙率越大，孔径尺寸越大，渗透系 数越大。 一般认为，水灰比在 0.5 以下时，硬化水泥浆体的抗 渗性较好。
·水化龄期：
渗透系数随龄期越小。
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三.提高抗渗性的措施
·适当降低水灰比 ·选用适当的骨料 ·施工中加强振捣，采用适宜的养护制度。 ·外加剂（减水剂，引气剂）
§9.2 抗冻性
一.抗冻性的定义： 1.定义：硬化水泥浆体抵抗冻融循环的能力。 2.危害：冻融循环是寒冷地区混凝土，尤其是港口 混凝土破坏的主要原因之一。
有害介质主要有： 流动水、溶液、气体等
渗水速率：
dq dt
h kA l
式中：
dq ——渗水速率（mm3/s）； dt
A——试件的横截面面积（mm2）； ⊿h——作用于试件两侧的水压差（mm水柱）； L——试件厚度（ mm）； k——渗透系数（ mm/s）。 由上式可知，当试件尺寸和两侧水压差一定时，渗水速 率和渗透系数成正比，所以，常用渗透系数k表示抗渗性的 高低。