第8章 硅酸盐水泥的性能

终凝状态
39～39.5mm ～
◆凝结时间的重要意义 水泥浆体的凝结时间，对于建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 我国硅酸盐水泥国家标准GB175—99规定： ◇初凝不得早于45min（≥45min） ◇终凝不的迟于390min（≤6.5h）
Sc G= ×1 0 0 Sg
式中 Sc——水泥中最佳SO3掺量，%； Sg——石膏中SO3含量，%。 例：已知某厂水泥中最佳SO3掺量2.2（%），石膏中SO3含量48（%），试 计算水泥中最佳石膏掺量？ 解：
Sc G= ×1 0 0 Sg
= 4.6（%）
8.1.4 假凝现象
◆假凝及其特征 假凝是指水泥加水拌和后，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。 不正常的早期快速固化现象比较 比较项目 凝结时间 放热量 重新搅拌 假凝 几分钟 小 正常凝结 快凝 几分钟 大 不能恢复塑性
Sc = 1.181+ 0.0925C3A + 0.614R2O
=2.20（ =2.20（%）
◆石膏最佳掺量的确定 ◇实验确定法 公式计算法有时存在较大误差，用实验确定水泥中最佳 石膏（以SO3计）掺量是工厂常用的方法。 具体步骤如下： ●取工厂熟料平均样若干，破碎至≤1cm，充分混合后 分成4～6等份； ●分别加入不等量的石膏，折合成SO3为1～3.5%，掺入 等量混合材； ●把各组试样粉磨至同一细度，分组做凝结时间、抗压 强度等实验，绘制曲线。
◇测定前的准备工作 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
试针 试模
净浆
0点 点
◇凝结时间的测定 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。
初凝状态
2～3mm ～
◇凝结时间的测定 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。
◆影响石膏掺量的因素 ◇石膏的种类 各种石膏的溶解度、溶解速度与缓凝作用
石膏种类 半水石膏 化学式 CaSO4·0.5H2O 溶解度 (g/L) 6 相对溶 解速度 快 相对缓凝作 用 很强烈
二水石膏
CaSO4·2H2O
2.4
慢
较强烈
可溶性无水石膏
CaSO4 ·0.001～0.5H2O
6
快
很强烈
正常区域
▲石膏掺量（SO3计）与凝结时间 由图可知：当SO3掺量小于1.3%时，石膏掺量过小，水 泥会产生快凝，进一步增加SO3含量时，石膏才出现明 显的缓凝作用，但SO3掺量超过2.5%以后时，凝结时间 增长很少。 一般硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥中石膏掺量(以SO3 计)在1.5%～2.5%之间，属于凝结时间正常区域。
8.1.3 石膏的作用及其适宜掺量的确定
◆石膏的作用 ◇可以控制水泥的水化速度、调节水泥的凝结时间。 ◇改善水泥的性能。如提高早期强度，降低干缩变形， 改善耐久性等。 主要作用是调节水泥的凝结时间 ●快凝现象 在C3A含量较高，或石膏等缓凝剂掺量过少时，硅酸 盐水泥加水拌和后，C3A迅速反应，很快生成大量片状的 水化铝酸钙（C4AH13），并相互连接形成松散的网状结 构，出现不可逆的固化现象，又称为“速凝”或“闪 凝” 。产生这种不正常快凝时，浆体迅速放出大量热， 温度急剧上升。
◆石膏最佳掺量的确定 ◇经验公式计算 石膏掺量可以根据统计经验公式计算。考虑影响石膏掺 量的主要因素为水泥中C3A ，当水泥细度在5%～7%，使 用二水石膏作为缓凝剂时，水泥中最佳石膏（以SO3计） 掺量计算公式：
Sc = 1.181+ 0.0925C3A + 0.614R2O
式中 Sc——水泥中最佳SO3掺量，%； C3A——水泥中C3A含量，%； R2O——水泥中R2O，%。
强度大小 施工操作
没有不利影响 难度增大
产生一定强度 不可逆固化
◆假凝的原因及预防措施 ◇造成假凝的主要原因是水泥在粉磨时受到高温，其中二 水石膏脱水形成 半水石膏甚至可溶性无水石膏。 ◇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。 ●在建筑施工中，可以延长搅拌时间来消除假凝现象的产生。
8.2.2 影响水泥强度的因素
◆熟料的矿物组成
矿物名 称 C3S C2S C3A C4AF 3d 24.22 1.73 7.55 15.10 7d 30.98 2.16 8.14 16.47 28d 42.16 4.51 8.04 18.24 90d 57.65 19.02 9.41 16.27 180d 57.84 28.04 6.47 19.22
8.2.1 强度的产生和发展
水泥加水拌和后，熟料矿物迅速水化，生成大量的水化产 物C-S-H凝胶，并生成Ca(OH)2 及钙钒石(AFt)晶体；经过一定 时间以后，C-S-H也以长纤维晶体从熟料颗粒上长出，同时钙 钒石晶体逐渐长大，在水泥浆体中相互交织联结，形成网状结 构，从而产生强度。 随着水化进行，水化产物数量不断增加，晶体尺寸不断长 大，从而使硬化浆体结构更为致密，强度逐渐提高。
用公式计算最佳石膏（以SO3计）掺量，方法简便、迅速，结 果比较可靠；但计算公式是仅考虑主要影响因素的统计经验 公式，计算结果存在一定的误差；因此，在使用公式计算时， 要注意公式的适用范围和条件。 例：已知某厂水泥中C3A含量11（%），R2O含量0.6（%），试 计算水泥中最佳石膏（以SO3计）掺量？ 解：
8.1.2 影响凝结时间的因素
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。 影响水泥凝结速度的主要因素，有熟料矿物组成、水泥 细度、水灰比、温度和外加剂等。 ◆矿物组成 ◇熟料矿物28天的水化速度大小顺序为： C3A＞C3S＞C4AF＞C2S ◇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。
●石膏的缓凝机理 水泥中掺加适宜石膏时，Ｃ3Ａ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。 由图可知，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？
天然无水石膏
CaSO4
2.1
最慢
弱
◇熟料中C3A含量 快凝是由C3A造成的，C3A含量是石膏掺量最主要的影响因素。C3A含量 高，石膏掺量应相应增加，反之则减少。 ◇水泥中SO3含量 当水泥中SO3含量较高时，则要相应减少石膏掺量。 ◇水泥细度 相同C3A含量下，当水泥粉磨得较细时，其比表面积增大，水化加快， 则应适当增加石膏掺量。 ◇混合材的品种和数量 采用粒化高炉矿渣，且含量较多时，应适当多掺入些石膏。石膏除了 起缓凝剂作用外，还对矿渣活性起到硫酸盐激发剂的作用。 ◇水泥中碱含量 碱含量较高时，其凝结速度加快，石膏掺量也应适当增加。
8.1.1 基本概念
◆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 凝结过程 终凝 初凝 终凝
加水
开始失去可塑性
完全失去可塑性
◇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。
1 2 5 1 9 0
◆促凝剂 除氟化物、磷酸盐及Zn、Sn、Pb盐外，大多数可溶性无机 盐都能缩短水泥的凝结时间。其中，使用最多的是CaCl2。 我国常用的是分别以铝酸钠（NaAlO2）、铝酸钙 （C12A7,C11A7·CaF2）及硅酸盐（Na2SiO3）为主要的速凝剂。
8.2 强度
水泥的强度是评比水泥质量重要的指标，是划分强度 等级的依据。通常按龄期将28d以前的强度称为早期强度， 如1d、3d强度，28d及以后的强度称为后期强度。
几种缓凝剂对水泥浆体凝结时间影响（ 几种缓凝剂对水泥浆体凝结时间影响（1）
源自文库
掺量
空 白 0
水杨 酸 0.05 170 218
柠檬酸 0.0 5 170 265 0.10 295 475
蔗糖 0.0 5 255 288 0.1 0 465 520
初凝（ 初凝（h： min） min） 终凝（ 终凝（h： min） min）
强度最高值
▲石膏掺量（SO3计）与抗压强度 由图可知：最初，水泥各龄期的抗压强度是随着SO3掺 量的增加而增长，早期强度（3天）最为明显；当SO3掺 量超过2.5%以后，强度开始下降。 石膏掺量（SO3计）并不与凝结时间、抗压强度成线性 关系，石膏掺量在适当范围内时，具有显著的缓凝效果， 且存在抗压强度最高值。
实验确定水泥中最佳石膏（SO3）掺量，结果准确、可靠，一 般水泥厂都可采用；尽管方法稍复杂，但仍是一种行之有效的 方法。应注意几点： ★根据生产的水泥品种要求，做出石膏掺量与水泥其他性能 之间的关系曲线。 ★当熟料矿物C3A、水泥细度、水灰比、混合材变化较大时， 应重新实验。
◆石膏最佳掺量的确定 水泥中最佳SO3掺量是指在凝结时间正常区域内，各龄期抗压强度为最高值， 其他性能也为良好时的SO3掺量。 水泥中最佳石膏掺量G（%）：（石膏配比）
8.1.5 其他调凝外加剂
◆缓凝剂 缓凝剂是用来延长凝结时间，使新拌混凝土浆体较 长时间保持塑性，满足较长时间运输的需要，提高施 工效率。 ◇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。
◆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。
第8 章
硅酸盐水泥的性能
本章学习要点 ◆凝结时间 ◆强度 ◆体积变化及水化热 ◆耐久性
8.1 凝结时间
复习相关知识 ◆水泥是一种什么材料？ 无机水硬性胶凝材料 ◆水泥的水化、凝结和硬化？ 水泥加水拌和, 发生水化反应，浆体逐渐失去流动 性和可塑性。 ◇首先形成粘结砂石的可塑性浆体。 ◇最终形成具有机械强度的石状体。
125 190
几种缓凝剂对水泥浆体凝结时间影响（ 几种缓凝剂对水泥浆体凝结时间影响（2）
掺量
空 白 0
三乙醇 胺 0.05 205 260
甲基纤维素 0.0 5 145 240 0.10 170 350
磷酸 0.0 5 262 298 0.1 0 350 430
初凝（ 初凝（h： min） min） 终凝（ 终凝（h： min） min）
◆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： ◇80μm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。 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