3.5水泥的水化和硬化

2. 普通硅酸盐水泥的特性及应用
（1）早期强度略低，后期强度高。 （2）水化热略低。 （3）抗渗性好，抗冻性好，抗碳化能力强。 （4）抗侵蚀、抗腐蚀能力稍好。 （5）耐磨性较好；耐热性能较好。 普通硅酸盐水泥的应用范围和硅酸盐水泥相 同。
3.矿渣硅酸盐水泥（简称矿渣水泥P．S）
由硅酸盐水泥熟料和２０％～７０％的粒化高炉 矿渣及适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料。 矿渣硅酸盐水泥的主要性能特点如下： （1）早期强度低，后期强度高。对温度敏感，适宜于 高温养护。 （2）水化热较低，放热速度慢。 （3）具有较好的耐热性能。 （4）具有较强的抗侵蚀、抗腐蚀能力 （5）泌水性大，干缩较大。 （6）抗渗性差，抗冻性较差，抗碳化能力差。
特点： 普通
早强
低热
抗硫酸盐
②水泥浆的水灰比

水灰比：是指水泥浆中水与水泥的质量之比。
水灰比较大，此时水泥的初期水化反应得以充分进 行；但是水泥颗粒间原来被水隔开的距离较远，颗粒 间相互连接形成骨架结构所需的凝结时间长，所以水 泥浆凝结较慢。
水泥浆的水灰比较大时，多余的水分蒸发后形成 的孔隙较多, 造成水泥石的强度较低。
注意： 复合水泥特点 取决于所掺的混合材种类。
6.掺混合材料硅酸盐水泥的共性与应用
⑴掺混合材硅酸盐水泥的共性 密度较小 2.70～3.10。早期强度较低，后 期强度增长率高。 对养护温湿度敏感，适合蒸汽养护。 水化热较小。 耐腐蚀性较好。 抗冻性、耐磨性不及硅酸盐水泥和普通硅酸 盐水泥。
答：不溶物是指水泥经酸和碱处理后，不能被溶解的 残余物；烧失量是指水泥经高温灼烧后的质量损失率。这 两项指标超标表示水泥中不能水化的杂质含量大，影响水 泥硬化后的性能。
问题？
4.试从应用的角度，分析水泥的技术性质及其要求？ 答：
水泥是一种胶凝材料，是主要的结构材料之一，因此，
它必须具有强度和体积安定性； 细度和标准稠度用水量是相互关联的，用水量大将影响 强度； 为了浇注成型施工，应对凝结时间有所限制； 水化热对水泥硬化过程和硬化后的水泥石体积稳定性有 影响； 碱含量、不溶物和烧失量影响水泥的品质； 为了结构物自重的计算，必须知道水泥的密度。
7.水化热

概念：
水泥的水化是放热反应，放出的热量就是水化热。

放热特征：
水泥放热过程可持续很长时间，但大部分在3d内释放。

水化热的益处与危害：
水化热有利于水泥的快硬，尤其是在冬天施工，但如果 水化热发散不均匀，容易在混凝土中引起裂缝，尤其是大 体积混凝土，更是如此。

水化热和放热速度的影响因素：
3.6 特性水泥 和专用水泥
特性水泥： 铝酸盐水泥 专用水泥： 砌筑水泥
快硬硫铝酸盐水泥
道路硅酸盐水泥 白色和彩色水泥 抗硫酸盐硅酸盐水泥
膨胀和自应力水泥
中热水泥和低热矿渣水泥
一、道路硅酸盐水泥

组成特点：
水泥熟料主要矿物——硅酸钙和铁铝酸钙 铁铝酸四钙高，C4AF的含量≥16.0％。

水
水泥浆的凝结硬化过程
（1）水 化
短纤维状 ①
②
C3S H 2O C S H Ca(OH )2
C2 S 同上
长纤维状
立方板状结晶
③
C3 A H 2O C3 AH6
水化速度快
针状结晶
缓凝机理： C3 AH6
CaSO4 2H 2O AFt
当石膏耗尽时，转化为 AFm


凝结——水泥与水混合形成可塑浆体，随着时 间推移、可塑性下降，但还不具备强度，此过 程即为“凝结”； 硬化——随后浆体失去可塑性，强度逐渐增长， 形成坚硬固体，这个过程即为“硬化”。
水泥浆体转变成坚硬固体的过程是一个复杂 的物理化学变化过程。
水泥浆的凝结硬化——物理过程
水 泥
溶 解
扩 散
沉 淀
第2章 混凝土的凝结与硬化
3.5.1硅酸盐水泥的水化硬化 1. 水泥熟料矿物的水化反应

特征： 水泥熟料颗粒中的四种主要矿物同时进行水化反 应； 其水化反应均是放热反应； 水化反应是固－液异相反应。
来自水泥粉磨过程中二水石膏的脱水分解： CaSO42H2O CaSO40.5H2O+1.5H2O
④ C4 AF H 2O 水化硫铝酸钙 水化铁铝酸钙
高硫型水化硫铝酸钙 3CaO•Al2O3•31H2O单硫 型水化硫铝酸钙 3CaO•Al2O3•12H2O
铝酸三钙C3A的水化



铝酸钙C3A的水化行为在水泥水化早期特别重要.纯 C3A与水反应迅速，这一反应导致水泥浆闪凝或假 凝，必须避免！ 这就是硅酸盐水泥生产中，必须加入 快凝:指浆体迅速形成不可逆固化现象，浆体已产生 石膏与水泥熟料一起粉磨的根本原因！ 一定强度，重新搅拌并不能使其恢复塑性。 这一发明是硅酸盐水泥发展史上的一 假凝特征：指水泥加水拌合后，几分钟内即迅速凝 个里程碑。 结变硬，经剧烈搅拌后，又重新恢复塑性的现象。 这是一种不正常的早期快速固化现象。但与快凝又 不相同。假凝放热量很小，而且经剧烈搅拌后，浆 体又重新恢复塑性，并达到正常凝结，对强度没有 不利影响，但增大了施工难度。 避免闪凝的有效途径——加入石膏CaSO42H2O
反应ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ度序列：
⑴ 半水石膏CaSO40.5H2O和游离氧化钙f-CaO 的水化 ⑵铝酸三钙C3A的水化 ⑶铁铝酸四钙C4AF的水化 ⑷硅酸三钙C3S的水化 ⑸硅酸二钙- C2S的水化
水泥颗粒的结构
水泥颗粒宏观形貌
水泥熟料颗粒细观形貌
水泥熟料矿物微观结构
问题: 水泥浆如何转变成坚硬固体？
水泥浆通过水泥熟料矿物的水化反应、浆 体的凝结硬化过程变成坚硬固体
5.粉煤灰硅酸盐水泥（粉煤灰水泥Ｐ．Ｆ）
由硅酸盐水泥熟料和２０％～４０％的粉煤灰及 适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料。 粉煤灰水泥的主要性能特点如下： （1）早期强度低，后期强度高。对温度敏感，适宜于 高温养护。 （2）水化热较低，放热速度慢。 （3）具有较强的抗侵蚀、抗腐蚀能力 （4）需水量低，干缩率较小，抗裂性好。 （5）抗冻性较差，抗碳化能力差，耐磨性差。
在矿物组成相同的条件下，水泥磨得愈细，水泥 颗粒平均粒径小，比表面积大，水化时与水的接 触面大，水化速度快，相应地水泥凝结硬化速度 就快，早期强度就高。
④ 水泥的细度

⑤ 环境温度和湿度


在适当温度条件下，水泥的水化、凝结和硬化速度较 快。反应产物增长较快，凝结硬化加速，水化热较多。 相反，温度降低，则水化反应减慢，强度增长变缓。 但高温养护往往导致水泥后期强度增长缓慢，甚至下 降。 水的存在是水泥水化反应的必要条件。当环境湿度十 分干燥时，水泥中的水分将很快蒸发，以致水泥不能 充分水化，硬化也将停止；反之，水泥的水化将得以 充分进行，强度正常增长。 水泥的凝结硬化是随时间延长而渐进的过程，只要温 度、湿度适宜，水泥强度的增长可持续若干年。
性能特点：
初凝时间较长，≥1h； 抗折强度高； 耐磨性好，磨损率≤3.60kg/m2； 抗裂性好，28d干缩率≤ 0.10%；

使用特点：
主要用于混凝土路面工程。
二、白色硅酸盐水泥

组成特点：
水泥中的氧化铁的含量低于水泥质量的0.5%。

性能特点：
外观为白色，按白度分为一级、二级和三级；技术 要求与普通水泥同。

因此水泥浆的水灰比过大时，会明显降低水泥 石的强度。
③ 石膏掺量

石膏起缓凝作用的机理可解释为：水泥水化时， 石 膏能很 快与铝 酸三钙 作用生 成水化 硫铝酸 钙 （钙矾石AFt），钙矾石很难溶解于水，它沉淀在 水泥颗粒表面上形成保护膜，从而阻碍了铝酸三 钙的水化反应，控制了水泥的水化反应速度，延 缓了凝结时间。



硅酸盐水泥的品种及矿物含量
A
CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 f-CaO SO3 C3S C2S C3A C4AF 66 21 7 3 1 2 48 24 13 9
B
67 21 5 3 1 2 65 11 8 9
C
64 22 7 4 1 2 31 40 12 12
D
64 23 4 5 1 2 42 34 2 15
⑥龄期（时间）

3.5.2 通用硅酸盐水泥的性能特点及应用
1. 硅酸盐水泥的特性及应用 （１）凝结硬化快，早期及后期强度均高。 适用于有早强要求的工程，（如冬季施工、 预制、现浇等工程），高强度混凝土工程 （如预应力钢筋混凝土，大坝溢流面部位混 凝土）。 （2）抗冻性好。 适合水工混凝土和抗冻性要求高的工程。 （3）耐腐蚀性差，因水化后氢氧化钙和水化 铝酸钙的含量较多。
水泥矿物组成
水泥细度
问题？
1.为什么水泥颗粒越细，水化放热越快？
答: 水泥矿物的水化反应是放热反应，水泥颗粒越细， 水化反应速度越快。
2.硅酸盐水泥熟料的四种矿物中，哪一种水化热最 大？哪一种水化热最小？
答： 铝酸三钙C3A水化热最大；硅酸三钙C3S次之；硅 酸二钙C2S水化热最小。
3.为什么要限制水泥的不溶物含量和烧失量？

应用特点：
白水泥熟料与颜料、石膏共同磨细可制得彩色水泥； 主要用于建筑室内外装饰等。
三、抗硫酸盐水泥

组成特点：
C3S、C3A的含量低，要求C3S的含量低于50.0~55.0%； C3A的含量低于5.0~3.0%。 （为什么？）

性能特点：
具有抵抗较高浓度硫酸根离子侵蚀能力，抗蚀能力以 抗硫酸盐腐蚀系数F来评定。要求F≥0.8。
4.火山灰质硅酸盐水泥（火山灰水泥Ｐ．Ｐ）
由硅酸盐水泥熟料和２０％～５０％的火山灰质 混合材料及适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料。
火山灰水泥的主要性能特点如下： （1）早期强度低，后期强度高。对温度敏感，适宜于 高温养护。 （2）水化热较低，放热速度慢。 （3）具有较强的抗侵蚀、抗腐蚀能力 （4）需水性大，干缩率较大。 （5）抗渗性好，抗冻性较差，抗碳化能力差，耐磨性 差。
（2）硬化
第一阶段： 大约在水泥拌水起至初凝时止，C3S迅速反应生成 Ca(OH)2。石膏和C3A反应生成钙矾石晶体。 水泥浆呈塑性状态。 第二阶段： 大约从初凝起至 24h 止，水泥水化加速，生成较 多的Ca(OH)2、钙矾石晶体、水化硅酸钙凝胶。 水化产物大量生成，水泥凝结。 第三阶段： 指 24h 以后直到水化结束。所有水化产物生成， 数量不断增加，结构更加致密，强度不断提高。
水泥硬化研究理论 水化过程在不同的情况下会有不同的水化机理； 不同的矿物在不同的阶段，水化机理也会不完全相同。
（3）影响水泥凝结硬化的主要因素
①矿物组成

不同矿物成分和水起反应时所表现出来的特点是不 同的，如 C3A水化速率最快，放热量最大而强度不高； C2S水化速率最慢，放热量最少，早期强度低，后期 强度增长迅速等。 因此，改变水泥的矿物组成，其凝结硬化情况将产 生明显变化。 水泥的矿物组成是影响水泥凝结硬化的最重要的因 素.
1.硅酸盐水泥的特性及应用 （4）水化热高。 不宜用于大体积混凝土工程。但有利于低温季节 蓄热法施工。 （ 5 ）抗碳化性好。因水化后氢氧化钙含量较多，故 水泥石的碱度不易降低，对钢筋的保护作用强。 适用于空气中二氧化碳浓度高的环境。 （6）耐热性差。因水化后氢氧化钙含量高。 不适用于承受高温作用的混凝土工程。 （7）耐磨性好。 适用于高速公路、道路和地面工程。
⑵掺混合材料的硅酸盐水泥的应用
①凝结硬化速度慢、早期强度低。但是后期强度增长较多，甚至 超过同标号的硅酸盐水泥或普通水泥。故这三种水泥不宜用于 有早强要求的工程。 ②硬化时对湿热敏感性强。温度低时凝结硬化慢，但在湿热条件 下（60-700C以上），凝结硬化速度大大加快，强度发展很快。 故适宜采用蒸汽养护。 ③水化放热速度慢，放热量低。宜用于大体积混凝土工程。 ④抗软水和抗硫酸盐腐蚀的能力强。由于混合材料水化时消耗了 部分Ca(OH)2，致使水泥适石中Ca(OH)2的含量减少，并且 C3AH6含量也大大降低，所以抗这两种腐蚀的能力比硅酸盐水 泥和普通水泥要强。故适用于受软水或硫酸盐腐蚀的水利工程， 海港工程及地下工程。 ⑤抗冻性和抗碳化能力差。这三种水泥早强低，受冻易损害， 且由于Ca(OH)2含量少，碱度低，易碳化分解，使已硬化的水 泥石表面产生“起粉”现象。故不宜用于严寒地区，特别是严 寒地区水位经常变动的部位。