〖重点〗硅酸盐水泥的性能指标

〖难点〗影响硅酸盐水泥的各种性能的因素

〖知识要点〗

1、凝结时间在施工中的作用、调节方法

2、强度的形成、发展及其影响因素

3、体积变化的类型和机理

4、影响水化热的因素

5、影响硅酸盐水泥耐久性的因素

硅酸盐水泥的性能包括物理性能，如比密度、容积密度、细度等，以及建筑性能，如凝结时间、泌水性、强度、体积变化得水化热、耐久性等。

硅酸盐水泥在建筑上主要用以配制砂浆和混凝土。作为大量应用的工程材料，其最重要的性质是强度和体积变化以及与环境相互作用的耐久性。

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。

凝结时间：是水泥从和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，分初凝时间和终凝时间两种。

初凝时间：是指水泥加水拌和到标准稠度净浆开始失去塑性的时间。

终凝时间：是指水泥加水拌和起到标准稠度净浆完全失去塑性的时间。

一、凝结速度

水泥的凝结时间决定于其凝结速度的快慢。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，如矿物组成、细度、水灰比、温度和外加剂等。但水化和凝结又有一定的差异。

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。

事实上，水泥的凝结速度还与熟料矿物和水化产物的形态结构有关系。

温度的变化也会影响水泥的凝结速度。

二、石膏的作用及其适宜掺量的确定

1、石膏的作用

（1）可以控制水泥的水化速度、调节凝结时间；

（2）可提高早期强度，降低干缩变形，改善水泥的耐久性等。

2、石膏的适宜掺量是决定水泥凝结时间的关键。

当SO₃掺量小于约1。3%时，石膏掺量过小，水泥会产生快凝，进一步增加SO₃S₃O含量时，石膏才会出现明显的缓凝作用，但SO₃S₃O掺量超过2.5%以后时，凝结时间增长很少。

确定石膏的最佳掺量不仅要考凝结时间，还要注意其对不同龄期的强度、水泥安定性的影响。据有关统计，现代硅酸盐水泥中SO₃与Al₂O₃的适宜比例为0.5～0.9,平均约为0.6。通常石膏掺量是很难以经验公式精确计算出的。确定石膏最佳掺量的可靠方法是强度和有关性能的试验。

影响石膏掺量的因素主要有以下几个方面：

（1）          石膏的种类

（2）          熟料中C₃A含量

（3）          熟料中SO₃含量

（4）          水泥细度

（5）          混合材料的品种和掺量

此外，水泥中碱含量较高时，其凝结速度加快，石膏掺量也应适当增加。

三、假凝现象

1、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。

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，但只增大了施工难度。而快凝是指浆体迅速形成不可逆固化现象，浆体已产生了一定强度，重新搅拌并不能使其恢复塑性。

2、假凝的原因及预防措施

产生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。

实践表明，假凝在掺较多混合材料的水泥中很少产生。

在实际生产中，为了防止假凝，应尽量采用无水硫酸钙含量较高的石膏，以避免粉磨时石膏脱水，在C₃A＞8%时，石膏中CaSO₄·2H₂O/CaSO₄≥0.10，同时，在水泥粉磨时采取一定的措施降温，也可避免石膏脱水面造成假凝。在建筑施工中，还可以延长搅拌时间来消除假凝现象的产生。

四、其他调凝外加剂

水泥中使用的调凝外加剂有两种：一种是缓凝剂，另一种是促凝剂。

1、  缓凝剂

石膏是最常用的一种，也是使用历史最久的一种。

2、  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）为主要万分的速凝剂。

 

一、强度的形成与发展

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，它们在水泥浆体中相互交织联结，形成网状结构，从而产生强度。随着水化的进一步进行，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。

一般认为，硬化水泥浆体强度的产生，是由于水化产物尤其是C—S—H凝胶所具有的巨大表面能，导致颗粒产生范德华力或化学键力吸引其他离子形成空间网络结构，从而具有强度。

二、影响水泥强度的因素

1、  熟料的矿物组成

硅酸盐水泥熟料中，四种主要矿物质的相对含量，对水泥的水化速度、水化产物的形态、尺寸有决定性的影响。

基本规律：硅酸盐矿物的含量是决定水泥强度的主要因素。

2、  水泥细度

水泥越细，其水化速度越快，越易水化完全，水泥的强度，尤其是早强越高，适当增大水泥细度，还能改善浆体的泌水性、和易性和粘结力等。而粗颗粒水泥只能在表面现象水化，未水化部分只起填充料的作用。

但是，水泥太细，水化时需水量越大，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、养护温度以及是否采用外加剂等对强度有很大的影响。

 

一、体积变化

硅酸盐水泥在水化过程中由于生成了各种水化产物以及反应前后湿度、温度等外界条件的改变，硬化浆体必然会发生一系列的体积变化。

水泥浆体在硬化过程中产生的体积变化可分为以下几种：化学减缩、湿胀干缩和碳化收缩。

化学减缩：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。

湿胀干缩：指硬化水泥浆体的体积随其含水量而变化。湿胀和干缩大部分是可逆的。干燥与失水有关，但二者并没有线性关系。

碳化收缩：在一定的相对湿度下，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Ca CO₃和H₂O，造成硬化水泥浆体的体积减小，出现不可逆的收缩现象，称为碳化收缩。

二、水化热

各种熟料矿物在水化时都会放出一定的热量，水泥的水化热就是由各种熟料水化时产生的，在冬季施工中，水化热的产生能提高水泥浆体温度，有利于水泥正常水化，加快施工进度。但在大体积混凝土工程中，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。

大量实验表明，水泥的水化热与矿物组成有关。四种单矿物28d以前的水化速度为：C₃A＞C₄AF＞C₃S＞C₂S。因此，要降低水泥的水化热，应该增大熟料中C₂S和C₄AF，相应降低C₃A和C₃S的含量。

 

 

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。

影响耐久性的因素有很多，主要有抗渗性、抗冻性，以及对环境介质的抗蚀性和碱集料反应等。

一、抗渗性

抗渗性是指硬化水泥石或混凝土抵抗各种有害介质渗透的能力。

硬化水泥浆体的抗渗性一般用渗透系数k来表示。根据水对硬化水泥浆体的渗透试验可知，当水渗入水泥水泥石时，其渗水速率可用下式表示：

dq/dt=k·A⊿h/L

式中   dq/dt——渗水速率（cm³/s）；

           A——试件的横截面面积（cm²）；

           ⊿h——作用于试件两侧的水压差（cm水柱）；

          L——试件厚度（cm）；

          k——渗透系数（cm/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。

二、抗冻性

 抗冻性也是硬化水泥浆体的一项重要使用性能。硅酸盐水泥在寒冷的地区使用时，其耐久性主要取决于抵抗冻融循环的能力。据研究，寒冷地区的冻融循环对混凝土尤其是港口混凝土的破坏作用是相当严重的。

水泥的抗冻性一般是以试块能经受－15℃和20的循环冻融而抗压强度损失率小于25%时的最高冻融循环次数来表示，如200次或300次冻融循环等。次数越多说明抗冻性越好。

大量实践证明，水泥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关系。一般增加熟料中C₃S 含量或适当提高水泥石中石膏掺入量，可以改善其抗冻性。在其它条件相同的情况下，水泥的强度越高，浆体结构抵抗抵抗结冰时膨胀应力的能力就越强，其抗冻性就越好。

另外，在低温下施工时，采用适当的养护保温措施，防止过早受冻，或在混凝土中掺加引气剂，使水泥石内形成大量分散极细的气孔，也是提高抗冻性的重要途径。

三、环境介质的侵蚀

硬化的水泥浆体与环境接触时，通常会受到环境介质的影响。对于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等。在环境介质的侵蚀作用下，硬化的水泥石结构会发生一系列物理化学变化，降低强度，甚至溃裂破坏。

环境介质对水泥石的侵蚀作用可分为以下三类：

1、  淡水侵蚀

又称溶出侵蚀，它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。

在各种水化产物中，Ca(OH)₂溶解度最大，因而最先被溶解。由于水泥中的水化产物都必须在一定浓度的Ca(OH)₂溶液中才能稳定存在，当Ca(OH)₂被溶出后，若水量不多，且处于静止状态，则溶液会很快饱和，溶出即停止。但在流动水中，水流就会将Ca(OH)₂不断溶出并带走，从而促使其他水化产物分解，特别在有水压作用而混凝土的渗透性又较好的情况下，将会进一步增大孔隙率，使水更易渗透，使溶出侵蚀加快。

水泥结构与淡水接触时间较长时，会遭到一定的溶出侵蚀破坏。但对于抗渗性较好的水泥石或混凝土，淡水的溶出发展很慢，几乎可以忽略不计。

2、  酸和酸性水侵蚀

又称溶析和化学溶解双重侵蚀，这是指硬化水泥浆体与酸性溶液接触时，其化学组分就会直接溶析或与酸发生化学反应形成易溶物质被水带走，从而导致结构破坏的现象。

酸和酸性水对水泥结构的侵蚀反应式如下：

H⁺＋OH^-  =H₂O

Ca²⁺+＋2R^-  = CaR₂

酸类离解出来的H⁺离子和酸根R^-离子，分别与浆体中Ca(OH)₂电离出的OH^-离子和Ca²⁺离子结合成水和钙盐。由上可知，酸的侵蚀作用强弱，决定于溶液中的H⁺离子即酸性强弱。溶液酸性越强，H⁺离子越多，结合并带走的Ca(OH)₂就越多，侵蚀就越严重。当H⁺离子达到足够高的浓度时，还能直接与水化硅酸钙、水化铝酸钙甚至未水化的硅酸钙、铝酸钙等作用而破坏水泥结构。

侵蚀性的大小与酸根阴离子的种类也有关系。常见的酸大多能和Ca(OH)₂生成可溶性盐，如无机酸、盐酸和硝酸等，而磷酸与水泥石中的Ca(OH)₂反应则生成几乎不溶于水的磷酸钙，堵塞在毛细孔中，侵蚀速度就较慢。有机酸不如无机酸侵蚀程度强烈，其侵蚀性也与其生成的钙盐性质有关。一般情况下，有机酸浓度越高，分子量越大，侵蚀性越强。上述酸侵蚀一般只在化工厂或工业废水中才存在，在自然界中，对水泥有侵蚀作用的主要是从大气中溶入水中的CO₂产生碳酸侵蚀。

3、  硫酸盐侵蚀

又称膨胀侵蚀，它是指介质溶液中的硫酸盐与水泥石组分反应形成钙钒石而产生结晶压力，造成膨胀开裂，破坏硬化浆体结构的现象。

硫酸盐对水泥石结构的侵蚀主要是由于硫酸钠、硫酸钾等能与硬化浆体中的Ca(OH)₂反应生成CaSO₄·2H₂O，使固相体积增大了114%，在水泥石内产生很大的结晶压力，从而引起水泥石开裂以至毁坏。

四、碱集料反应

水泥属碱性物质,一般能够抵抗碱类的侵蚀，但当水泥结构中碱含量较高，而配制混凝土的集料中含有活性物质时，水泥结构经过一定时间后会出现明显的膨胀开裂，甚至剥落溃散等现象，称为碱集料反应。

碱集料反应主要是由于水泥中碱含量较高，而同时集料中又含有活性二氧化硅时，碱就会与集料中的活性二氧化硅反应，形成碱性硅酸盐凝胶。由于碱性硅酸盐凝胶有相当强的吸水能力，在积聚水分的过程中产生膨胀而将硬化浆体结构胀裂破坏。

一般情况下，碱集料反应通常很慢，要经过相当长的时间后才会明显出现。影响碱集料反应的因素很多，主要与水泥中含碱量、活性集料含量及粒径、水含量等有关。

掺加适量活性二氧化硅细粉或火山灰、粉煤灰等，可有效抑制碱集料膨胀。

要提高混凝土质量，防止碱集为反应，可采取如下措施：尽量降低水泥中碱含量，采取适当粒径的集料、降低活性集料含量或根据实际掺加适量活性二氧化硅粉或火山灰、粉煤灰等。

五、耐久性的改善途径

影响水泥混凝土耐久性的因素有很多方面，为了提高混凝土的耐久性，在使用水泥时，首先要考虑使用的环境条件，采用适当组成的水泥，量材为用，从根本上提高混凝土的耐久性，配制混凝土时，要精心设计，采取合理的配比，尽量降低水灰比，并考虑适宜的施工方案，加强搅拌、振捣、养护等，提高混凝土的致密度，以提高其强度尤其是早强。改善混凝土的性能，在特殊情况下，还可利用其他材料，进行表面处理以弥补水泥混凝土本身的不足。

1、  选择适当组成的水泥

水泥质量的好坏，是关系硬化水泥浆体耐久性的首要问题。只有提高水泥质量，才能从根本上提高其耐久性。在使用水泥时，就根据环境的不同来选择不同熟料矿物组成部分的水泥。

2、  掺适量混合材料

一般说来，硅酸盐水泥中掺加火山灰质混合材料和粒化高炉矿渣可以提高其抗蚀能力。另外，掺加混合材料后，熟料所占的比例减少，C₃A和C₃S的含量相应降低，也会改善其抗蚀性，而且由于生成较多的凝胶，提高了硬化水泥浆体的密实性，阻止侵蚀介质的溶入，从而增强了其抗蚀能力。所以说，火山灰水泥和矿渣水泥的抗蚀性又与其矿渣掺量、A l₂O₃含量有关。

3、  提高施工质量

施工质量的好坏，也是关系到混凝土耐久性的关键。在施工中，应加强搅拌，防止各组分产生离析分层现象，提高混凝土的均匀性和流动性，使拌合物很好地充满模板，减少其内部空隙，并且强化振捣，增大混凝土的密实度，尽可能排出其内部气泡，减少显孔、大孔，尤其是连通孔，提高其强度，从而提高其抗渗能力，最终达到改善其耐久性的目的。

在混凝土施工中，还可以根据实际需要，掺加合适的减水剂、加气剂等外加剂。

采取适当的养护措施，保持水化的适宜温度和湿度，保证水泥水化硬化的正常进行，从而提高早强，也有利于改善混凝土的耐久性。

4、  进行表面处理

在特殊情况下，对水泥结构进行表面处理，可以避免水泥结构与侵蚀介质直接接触，从而保障其耐久性。

表面处理通常有表面化学处理和涂覆贴面处理两种。

（1）表面化学处理

对混凝土表面进行化学处理，可以提高其表面的密实程度。常用表面碳化处理的方法，使水泥结构表面毛细孔中氢氧化钙和空气中的二氧化碳反应，生成硫酸钙，沉积在水泥结构表面，形成难溶的保护性外壳，并堵塞毛细孔，从而改善抗淡水浸析和硫酸盐侵蚀的能力。

在混凝土表面用硅酸钠或氟硅酸盐的水溶液处理，使其在表面孔隙中生成极难溶的氟化钙和硅酸凝胶等，也能提高抗渗耐蚀能力，但形成的保护层同样很薄。使用压渗法则是将四氟化硅气体以一定压力压渗进混凝土内部，能够获得较厚的保护层，但比较昂贵，不适于现场施工。

（2）表面涂覆和贴面处理

在侵蚀强烈的情况下，最好的方法是将混凝土与侵蚀介质隔绝，即在混凝土表面涂上一层防渗抗蚀层，如沥青、树脂、有机硅、沥青石蜡等。在化学侵蚀特别强的工程中，可以采用贴面材料的方法，如瓷砖、金属、塑料及复合贴面材料等，以防止侵蚀介质与混凝土直接接触而造成侵蚀破坏。

在实际生产中，就根据工程具体情况和客观条件的需要，针对不同的侵蚀采取相应的预防措施和改善耐久性的方法。

 

 

 

本刊由产品互链网提供，资料仅供参考

打印本页 关闭页面 收藏本页 TOP