硬化水泥浆体的组成与结构及其性质

非蒸发水(Wn)
蒸发后剩余的水
与水化产物数量存在一定比例关系，可表征水化程度
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02 硬化水泥浆体组成与结构
2.3 孔及其结构特征
（1）总孔隙率
孔隙占水泥浆体的体积百分比
（2）孔径分布
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02 硬化水泥浆体组成与结构
吸附法：水蒸气或氮气吸附，一般用于直径小于300A的孔 压汞法：用压力将水银压入干燥浆体，水银能够进入的孔 径与所施加压力成反比，测量直径1µm ～几百微米的孔。
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02 硬化水泥浆体组成与结构
2.1硬化水泥浆体中矿物组成与结构
物质 1.C-S-H
组成 组成不定，
结构 结晶度极差
远程无序胶体，取决水 化龄期，初期溶胶，中 后期凝胶
形貌
取决水化龄期－与生长 空间有关：水化龄期长， 尺寸越小，2～0.1µm
2.Ca(OH)2
组成固定，纯 度高，结晶好
三方晶系层状结构
用吸附法和压汞法测定孔径分布后，即可测得水泥浆体的总孔隙率。
（3）孔的形态
开口孔（连通孔） 闭口孔（封闭孔）
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03 硬化水泥浆体性质
3.1 硬化水泥浆体的力学性能
（1）硬化水泥浆体的强度
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03 硬化水泥浆体性质
（2）硬化水泥浆体的弹性模量 硬化水泥浆体或者混凝土的弹性模量与强度之间的关系紧密相连，抗压强度越大，弹 性模量相应也大，大致与抗压强度的平方根成正比例。
材料强度愈高，徐变愈小。混凝土中徐变主要来自硬化水泥浆体。 （3）水灰比
水灰比对徐变的影响，定性的评论是水灰比越大，徐变也愈大。 （4）温度
在荷载作用期间，环境混度活化徐变变形。 其他如湿度，养护条件，水泥组成等同样也会影响硬化水泥浆体的徐变。
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03 硬化水泥浆体性质
3.3 硬化水泥浆体的渗透性
弹性模量的影响因素：孔隙率，温度，干燥程度等
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03 硬化水泥浆体性质
3.2 硬化水泥浆体的干缩和徐变性能
3.2.1 硬化水泥浆体的收缩 （1）干缩或减缩 硬化水泥浆在水泥水化硬化过程中，自发的产生体积变化。 （2）干燥收缩 如果硬化水泥浆处于高风速，低温度和高气温环境下，就有可能引起毛细管水，凝胶水的蒸 发损失，必然会导致水泥浆体的体积变化。
上图为温度平衡时，硬化水泥浆体的徐变和徐 变恢复曲线。
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03 硬化水泥浆体性质
影响徐变的因素： （1）加荷应力
硬化水泥浆体，即使加荷的作用力很小，也能产生徐变变形，加荷应力在混凝土的强度的35%40%以下时，徐变变形大致与应力成正比。 总的影响规律是：加荷作用应力的比例与强度（强度）愈高，徐变愈大。 （2）材料强度
六方板状，几十微米，
层内：离子键，结合强 尺寸取决液相中Ca2+离子
层间：范德华力，结合 弱，受力时的薄弱环节，
浓度增长的速度：越快， 尺寸越小，强度越高
沿层间产生裂缝
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02 硬化水泥浆体组成与结构
物质 3.AFt
4.AFm
组成
[Ca3(Al,Fe)(OH)6·12H2O]2·X3·yH2
OX－二价,SO4、CO3、Cl2、(OH)2
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03 硬化水泥浆体性质
3.2.2硬化水泥浆体的徐变
晶体材料，金属，岩石和硬化水泥浆体等固体材 料，由于载荷而引起的变形中，其中时间依赖性的 部分就时徐变，或称蠕变。
由于组成结构的不同，硬化水泥浆体，无论在多 么低的应力条件下，都会产生徐变，而且由徐变引 起体积变化。
硬化水泥浆体的徐变包括可你徐变和不可逆徐 变，由左图可以看出，不可逆徐变大于可逆徐变。
继续水化“内吸”作用失水，胶体凝 固体直接与水反应，通过水的扩散，
聚成刚性凝胶而硬化
反应界面由颗粒表面向内延伸。
三阶段理论 比较统一的意见
凝结是由胶体形成凝聚结构，硬化是 溶解－胶化－结晶过程：生成溶胶
晶体结构的发展
－凝胶－晶体
水化反应生成胶体和晶体，它们共同 液相中反应－局部化学反应：化学
作用，相互交叉联结
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03 硬化水泥浆体性质
3.3 硬化水泥浆体的抗冻性
抗冻性时硬化水泥浆体的一项重要使用性能。当饱和硬化水泥浆体中水结冰时，体积约增加9%，会使毛 细孔壁承受一定的膨胀应力，当应力超过浆体结构的抗拉强度时，就会使水泥石内产生微细裂缝等不可逆 变化，在冰融化时，不能完全复原，再次冻结时，又会将原来的裂缝膨胀的更大，如此反复的冻融循环， 裂缝越来越大，最后导致严重的破坏。
大量实践证明，硬化水泥浆体的抗冻性与水泥的矿物组成，强度，水灰比，孔结构等因素有密切联系。
为了提高硬化水泥浆体的抗冻性，一般增加水泥熟料中硅酸三钙的含量或者提高水泥石中石膏的掺入量， 可以改善其抗冻性。在其他条件都一定的情况下，水泥的强度越高抗冻性越好。
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02 硬化水泥浆体组成与结构
2.2 水及其存在形式
（1）按与固相组成的作用
自由水 (游离水)
吸附水
毛细孔水 凝胶水
存在于粗大孔隙中，与一般水性质相同
数量取决于毛细孔的数 量，以中性水分子存在
数量大体上正比于凝胶体的 数量，以中性水分子存在
结晶水 (化学结合水)
以中性水分子存在，占有晶格固定位置，由氢键和 弱结晶水 剩余键相结合，结合力弱，如：C-S-H中的层间水
强结晶水
以OH-离子存在，占有晶格固定位置，有确 定含量比，结合力强，如：Ca(OH)2中的OH-
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02 硬化水泥浆体组成与结构
（2）按实用 ——将所有自由水及吸附水除去，仅剩下结晶水
105℃加热、D-干燥(干冰－79℃ )、P-干燥(高氯酸镁)
蒸发水(We)
在规定的标准条件下能除去的水
浆体内孔隙体积的量度。蒸发水越多，孔隙率越大
硬化水泥浆体的组成与结构及其 性质
THE MAIN CONTENTS
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01 概述 03 硬化水泥浆体的性质
02 硬化水泥浆体组成与结构
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01 概述
1.1硬化水泥浆体
硬化水泥浆体是非均质的多相体系，由各种水化产物和残存熟料所构成的固相以 及存在于空隙中的水和空气组成，所以是固-液-气三相多孔体。它具有一定的机械强 度和空隙率，而外观和其他性能则与天然石材相似，因此通常又称之为水泥石。
反应控制－扩散控制
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01 概述
硬化水泥浆体形成的原因
水泥石具有强度的原因
水化产物
内部键型 产物之间键型
结构形成
胶体 C-S-H凝胶
晶体 CH、AFt、
AFm等
原子价键、 氢键
离子键
范德华力 范德华力
箔片状、纤维状，具有巨 大的表面能，交叉攀附
六方板状、针棒状，相互 搭接
构成三度空间牢固结 合，密实的整体
非均质的多相体系
水化产物和残存熟料－固相 孔隙中的水－液相 孔隙中的空气－气相
三相多孔体
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01 概述
1.2 水泥硬化机理
硬化机理 结晶理论
胶体理论
产生凝结硬化的原因
水化硬化过程
水化反应生成晶体 相互交叉联结
溶解－沉淀过程：熟料矿物溶解于 水，与水发生水化反应，产物溶解 度更小，结晶沉淀。
水化反应生成大量胶体，由于干燥或 局部化学反应：熟料矿物不溶于水，
C3A ·3CaX ·mH2O m=30～32
[Ca2(Al,Fe)(OH)6]·X·yH2O C3A ·CaY ·nH2O n=10～12
X－一价，Y－二价
结构 三方晶系 柱状结构
三方晶系 层状结构
形貌 针棒状、杆状、 柱状、空心管状
六方板状
与AFt相比，AFm中的结构水少，其密度更大。当AFm接触到各种来源的 SO42-离子而转变成AFt时，结构水增加，密度减小，从而产生相当的体 积膨胀，是引起硬化水泥浆体体积变化的一个主要原因。
在水力梯度作用下，水作为典型的均质流体，流过多孔介质（ 如硬化水泥浆体）的水流速度和流量，称为渗透性。渗透率的 大小，取决于多孔介质的结构和水流通过多孔介质所呈现的相 对粘度。硬化水泥浆体作为多孔介质，其结构只有毛细管空隙 的互联网，水流通过而构成渗透性但由于毛细管孔隙较小，可 以认为，硬化水泥浆体的渗透性是水流在浆体中毛细管互联网 的流动所形成的。
硬化水泥浆体中毛细管孔隙是浆体透水的重要通道，一般 来说，任何材料的渗透性与材料的孔隙率保持简单的函数 关系，但还取决于毛细管孔的尺寸，分布，和孔的连续性 。硬化水泥浆体中毛细孔连续分布，毛细管孔的尺寸和分 布取决于水灰比的大小。右图为毛细孔隙率和渗透性的关 系，当毛细管孔隙率小于25%范围，渗透性增大微弱，当 大于25%时渗透性直线式地增长。