水泥石的工程性质.ppt

水泥石的工程性质水泥石的工程性质 p变形p耐久性（抗冻性、抗渗性、抗腐蚀性） 第一部分第一部分 强度强度 一、强度理论一、强度理论1. 脆性材料断裂理论脆性材料断裂理论式中： σ——断裂应力； E——弹性模量； γ——单位面积的材料表面能； C——裂缝长度2. 结晶理论 该理论认为：硬化水泥浆体是由多种形貌的C-S-H以及钙矾石、氢氧化钙和单硫型水化硫铝酸钙等晶体交织在一起形成的它们密集连生交叉结合、接触，形成牢固的结晶结构网水泥石的强度取决于结晶结构网中接触点的强度与数量式中： f——水泥石多孔体的强度； ——结晶接触点的强度； F——断裂面上结晶接触点的面积o 3. 孔隙率理孔隙率理论o f=AXAn式中： f——水泥石抗压强度； A、n——经验常数，与水泥熟料矿物组成有关； XA——胶空比，水化水泥在水泥石体积中填充的程度，XA=凝胶体的体积/（凝胶体体积+毛细孔体积）：o S=S0Xn式中： S0——毛细孔隙率为零（即X=1）时的浆体强度； n——实验常数，与水泥种类以及实验条件有关，波动于2.6~3.0之间。

o典型的强度与胶空比曲线见P107图2-2-8-1）o其它学者还提出许多强度与水泥石孔隙率的半经验公式P106）二、影响水泥石强度的因素二、影响水泥石强度的因素1. 水泥矿物组成及含量o硅酸盐矿物的含量是决定水泥强度的主要因素，28天强度基本上依赖于C3S含量C2S对于后期强度贡献大C3A主要对极早期的强度有利，C4AF不仅对于水泥的早期强度有相当的贡献，也有助于后期强度的发展，而且对抗折强度影响较大2. 水灰比和水化程度o水灰比越大，产生的毛细孔隙越多，胶空比越小，强度越小一般强度与水灰比之间有很好的线性关系图2-2-8-4）o随着水化程度的提高，凝胶体积不断增加，毛细孔隙率相应减少3. 孔结构p当孔隙率相等时，孔径（指平均孔径，以下同）小，则强度大p孔径随总孔隙率降低而减小随着水化程度的提高，孔隙率减小，大孔减少，小孔增加，即平均孔径减小p水泥石中对强度最不利的影响产生于“工艺”孔，尤其是大孔径p除以上因素外，养护条件、拌和及成型条件、龄期以及试验方法等均影响水泥石强度的形成与发展第二部分 变形一、弹性模量o水泥石的应力—应变曲线在应变较小时成线性关系，而当应变较大时，不再成线性关系。

o水泥石的弹性模量与孔隙率有很大关系水泥石的弹性模量（动模量）E与水泥石的毛细孔（孔径>100×10-10m）孔隙率P有如下关系(Helmuth和Turk )：E=E0（1-P）3 式中：E0—在P=0时水泥石的弹性模量，E0大约为30000MPa二、收缩变形二、收缩变形o水泥石的收缩变形包括化学收缩、失水收缩（干缩）、碳化收缩、徐变o注：这部分简单介绍，在混凝土的部分要进行详细介绍1.化学收缩o对于水泥—水体系而言，水化后总体积要缩小o水泥熟料中各单矿物的缩减作用，无论就绝对数值或相对速度而言，大小排序如下： C3A>C4AF>C3S>C2So水泥熟料的缩减量大小，通常与C3A的含量成线性关系o影响：由于化学收缩作用所产生的孔隙，也会较大，会影响水泥石的抗冻性、抗渗性以及耐久性2. 失水收缩（干缩）o湿胀干缩定义：湿度变化所引起的混凝土体积变形——湿胀干缩，主要原因是水泥石中的凝胶水和毛细孔水的变化引起的o水泥石和混凝土的收缩行为Ø水泥石在水中连续浸泡，产生相当小的连续膨胀；Ø第1次干燥时，收缩最大，其收缩值有部分是不可逆的，即再次吸水不能恢复。

Ø试验证明：相对湿度为70%的空气中的收缩值为水中膨胀值的6倍，相对湿度为50%，为8倍o混凝土的湿胀干缩变形重要的是干缩变形，因在约束下的收缩将导致混凝土开裂连续浸泡连续浸泡下的湿胀下的湿胀不可逆收缩可逆收缩应变膨胀收缩第1次干燥时间水泥石或混凝土在干湿循环下的变形行为 混凝土的干缩机理o干缩来自材料内部水的损失，二者的关系如图所示，收缩值随着水的损失变化的斜率不一致o环境湿度不同，有以下几种不同的干缩机理：Ø毛细张力 毛细孔和较大的凝胶孔中的自由水因大气水蒸气压降低而蒸发时，表面张力增加，产生拉伸应力，使得孔壁受压而收缩；Ø分离压 水泥石中的凝胶孔中的吸附水使得孔壁间存在分离压力(湿胀的原因),因干燥而吸附水损失时，将降低孔壁的分离压，引起整体收缩；Ø层间可挥发水的迁移 0510152025-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0水损失对水灰比为0.5的水泥石干缩的影响变形百分率(%)水损失量（质量百分数%)毛细水吸附水分离压3. 碳化收缩o水泥石与二氧化碳作用产生的收缩称为碳化收缩o空气中的二氧化碳含量虽然很低，但如果有一定的湿度，水泥石中的氢氧化钙与二氧化碳作用，生成碳酸钙和水，引起水泥石结构的解体，出现不可逆的碳化收缩。

o条件：二氧化碳的浓度；湿度4. 徐变o水泥石的变形P112图2-2-8-9o徐变的机理Ø凝胶（包括晶体）的流变和凝胶（包括晶体）粒子间的滑移 故与凝集-结晶结构网接触点的性质、晶体与凝胶的比值等有关Ø水泥石中凝胶水、吸附水或层间水的转移（如蒸发） 故徐变与干缩实际上互相促进第三部分第三部分 抗冻性及抗渗性抗冻性及抗渗性一、抗冻性一、抗冻性o宏观原因：水分结冰导致体积膨胀，对于孔壁产生一定的膨胀压力，导致孔壁产生微裂缝o加入引气剂可以增加抗冻性的原因：气孔为水压力提供了外逸的空间；气泡在温度降低时体积收缩，可以平衡部分水结冰造成的膨胀；压缩的气泡作用于凝胶体并使凝胶水向毛细孔转移，凝胶水的转移伴随着体积的减小，可以平衡部分水结冰造成的膨胀o水泥石冻融变化时体积变化曲线（P113图2-2-8-10）：其中永久变形的累积可以认为是微裂缝的逐步的扩展o水泥石中可以结冰的水是可蒸发水，凝胶孔中的水在-78℃以上不会结冰o结冰时的破坏机理：o机理一、静水压理论 水结冰体积增加时，未冻水被迫向外流动（即由凝胶孔向毛细孔流动），从而产生危害性的静水压力，导致水泥石破坏o机理二、渗透压理论 当毛细孔水部分结冰时，未结冰水中所含的碱以及其它物质等溶质的浓度会增大，但是凝胶孔内的水不结冰，溶液浓度不变，因此产生浓度差。

浓度差初始凝胶孔内的水向毛细孔扩散，产生渗透压，造成一定的膨胀压力o机理三、热力学理论 当水泥石浆体处于结冰环境中时，凝胶孔中的水以过冷的液态水存在，毛细管中的水以冰的形式存在，凝胶孔中的水处于高能状态，毛细管中的水处于低能状态，造成了热力学不平衡冰和过冷水两者熵的差别迫使过冷水向毛细管迁移，这个过程会造成内部压力和系统膨胀o抗冻性影响因素：1. 孔隙率和孔径 孔隙率越小，孔径越细，则抗冻性越好2. 水泥矿物成分 C3S的含量越高，抗冻性越好（强度高），故硅酸盐水泥的抗冻性优于掺混合材水泥3. 水灰比 水灰比大，抗冻性差4. 遭受冰冻前的养护龄期 该龄期越长，抗冻性越好二、抗渗性1. 定义：指抵抗各种有害介质进入内部的能力2. 参数 o 渗透系数o式中： ε——总孔隙率；r——孔的水力半径（孔隙体积/孔隙表面积）；η——液体的粘度；C——常数3. 抗渗性影响因素o由渗透系数公式可以看出，主要是孔隙率和孔径（如主要是毛细孔影响抗渗性，而凝胶孔由于孔径小基本不影响抗渗性）另外，还包括孔的连通程度（主要是毛细孔的连通程度）。

o其它因素的影响均通过影响孔来影响抗渗性如水灰比、硬化龄期等都影响抗渗性第四部分 水泥石的腐蚀与防止 o水泥石的腐蚀：在某些环境条件（如受到某些侵蚀性液体或气体的作用）下，引起水泥石的结构逐渐破坏，强度降低，以致全部溃裂的现象称为水泥石的腐蚀o水泥石的抗腐蚀性能可用耐蚀系数表示: 耐蚀系数：以同一龄期的分别浸在侵蚀性溶液中的水泥石试件强度与在淡水中养护的试件强度的比值来表示 耐腐蚀系数越大，水泥石的抗腐蚀性能也就越好o水泥石腐蚀的原因很多，作用也很复杂，主要有软水腐蚀、盐类腐蚀、酸类腐蚀、强碱腐蚀等 o水泥中碱性物质：Ca(OH)2、水化铝酸钙（一）水泥石的几种主要侵蚀作用1.软水腐蚀（溶出性侵蚀）软水腐蚀（溶出性侵蚀）p雨水、雪水、蒸馏水、工业冷凝水及含碳酸盐很少的河水与湖水等都属于软水 p水泥与软水接触——水化产物氢氧化钙被溶出——不断溶解流失——孔隙增大，碱度下降——并促使硬化水泥石的其它产物（如水化铝酸钙、水化硅酸钙）分解——使水泥石结构遭受破坏p在碱度较低时，水化硅酸钙分解成氢氧化钙和硅酸凝胶pP116表2-2-8-72.盐类腐蚀盐类腐蚀（（1）硫酸盐腐蚀）硫酸盐腐蚀p当海水、沼泽水、工业污水等中含有碱性硫酸盐（如Na2SO4、K2SO4等）时，其中的水泥石还会受到硫酸盐的侵蚀。

Ca(OH)2 +硫酸盐硫酸盐——CaSO4p硫酸钙亦能与水泥石中的固态水化铝酸钙作用，生成高硫型水化硫铝酸钙晶体4CaO·Al2O3·12H2O+3CaSO4+20H2O→3CaO·Al2O3·3 CaSO4·31H20+Ca(OH)2p反反应应是是在在固固相相中中进进行行的的——高高硫硫型型水水化化硫硫铝铝酸酸钙钙结结合合着着大大量量结结晶晶水水——其其体体积积膨膨胀胀为为原原来来的的水水化化铝铝酸酸钙钙体体积积的的2.5倍倍——水水泥泥石石产产生生很很大大的的内内应应力力——水水泥泥石开裂、强度降低和造成破坏石开裂、强度降低和造成破坏 （（2）镁盐腐蚀）镁盐腐蚀 海水、地下水中常含有大量镁盐 硫酸镁 (MgSO4) 氯化镁(MgCl2)MgSO4十十Ca(0H)2十十2 H20 →CaSO4·2 H20十十Mg(0H)2(3CaO·Al203·6 H20十十3（（CaSO4·2 H20）十）十19 H20 →3CaO·Al203·3CaSO4·31 H20 )MgCl2十十Ca(0H)2→CaCl2十十Mg(0H)2p反应的结果： 氢氧化镁（Mg(0H)2）松软而无胶凝能力 二水硫酸钙（Ca SO4·2H20）又将引起硫酸盐的破坏作用 氯化钙（CaC12）易溶解于水 均能使水泥石强度降低或破坏。

p硫酸镁对水泥石起着硫酸盐和镁盐的双重腐蚀作用 3.3.酸类腐蚀酸类腐蚀（（1）碳酸腐蚀）碳酸腐蚀p在工业污水、地下水中常溶解有较多的二氧化碳p二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙反应——生成碳酸钙——继续与含碳酸的水作用——变成易溶于水的碳酸氢钙（Ca（HCO3）2），由于碳酸氢钙的溶解使Ca（0H）2浓度降低，导致水泥石中其它产物的分解，而使水泥石结构破坏开始：Ca（（0H））2十十C02十十H20→CaC03十十2 H20然后：CaC03十十C02十十H20 Ca（（HCO3））2p可逆的，当碳酸超过平衡浓度（溶液中的pH＜7）时，则上式反应向右进行，形成碳酸腐蚀 （（2）一般酸的腐蚀（）一般酸的腐蚀（HCl、、H2SO4））p在工业废水、地下水、沼泽水中常含无机酸和有机酸；工业窑炉中的烟气常含有二氧化硫，遇水后生成亚硫酸p各种酸类与水泥石中的氢氧化钙作用——生成化合物——或者易溶于水，或者体积膨胀而导致水泥石破坏p对水泥石腐蚀作用最快的是无机酸中的盐酸、氢氟酸、硝酸、硫酸和有机酸中的醋酸、蚁酸和乳酸等例如，盐酸和硫酸分别与水泥石中氢氧化钙作用，其反应式如下：2HCl十Ca(0H)2→CaCl2十2H20 氯化钙易溶于水而导致化学腐蚀型破坏H2SO4十Ca(0H)2→CaSO4·2H20 石膏对水泥石产生硫酸盐膨胀型破坏。

4.4.强碱腐蚀强碱腐蚀 p 碱类溶液如浓度不大时一般是无害的，但铝酸盐含量较高的硅酸盐水泥遇到强碱作用后也会破坏1）氢氧化钠可与水泥熟料中未水化的铝酸盐作用，生成易溶的铝酸钠，其反应式为： 3CaO ·Al2O3十十6NaOH→3Na2O·Al2O3十十3Ca(0H)2（2）当水泥石被氢氧化钠溶液浸透后又在空气中干燥，与空气中的二氧化碳作用生成碳酸钠 2NaOH＋＋CO2 → Na2CO3＋＋H20 碳酸钠在水泥石毛细孔中结晶沉淀，可使水泥石胀裂 o铵盐腐蚀：o以硝酸铵为例：o硝酸铵潮解后, 与水泥中的CaCO3、Ca ( OH) 2、CaO 作用生成硝酸钙, 并释放出氨气和CO2CaCO3+ 2NH4NO3= Ca(NO3) 2+ 2NH3↑+ CO2+ H2OCa(OH)2+ 2NH4NO3= Ca(NO3 )2+ 2NH3↑+ 2H2OCaO+ 2NH4NO3= Ca(NO3)2+ 2NH3↑+ H2Oo在25℃时还会继续进行如下反应:Ca(OH)2+ Ca(NO3)2 + 2H2O= Ca2N2O3·3H2O+ 2O2↑o上述反应生成的硝酸盐易被水溶解冲散, 在水流的影响下, 将使水泥砂浆、混凝土不断溶蚀,孔隙增大, 强度下降, 导致破坏。

o课本上对于水介质对于水泥石的侵蚀作用分类课本上对于水介质对于水泥石的侵蚀作用分类o第一类侵蚀：溶出侵蚀（淡水侵蚀） 将已硬化的水泥石中的固相组分逐渐溶解带走，使水泥石结构遭受破坏o第二类侵蚀：离子交换侵蚀（包括碳酸、有机酸及无机酸、镁盐等的侵蚀） 水泥石的组分与水介质发生了离子交换反应，反应生成物或者是容易溶解的物质为水带走，或者是生成了一些没有胶结能力的无定型物质，破坏了原有水泥石的结构o第三类侵蚀：硫酸盐侵蚀 在混凝土土内部孔隙内生城难溶的盐类，这些盐类结晶逐渐积累长大，体积增加，会使混凝土内部产生有害的内应力o环境水侵蚀分级oP118表2-2-8-9和2-2-8-10（二）水泥石腐蚀的原因及防止措施1. 水泥石腐蚀的基本原因内因：水泥石中存在有引起腐蚀的组成成分氢氧化钙和水化铝酸钙；水泥石本身不密实，有很多毛细孔通道，侵蚀性介质易进入其内部； 外因 ：外界存在腐蚀性介质和条件2. 水泥石腐蚀的防止p根据环境特点，合理选择水泥品种如处于软水环境的工程，常选用掺混合材料的矿渣水泥、火山灰水泥或粉煤灰水泥，因为这些水泥的水泥石中氢氧化钙含量低，对软水侵蚀的抵抗能力强。

掺混合材的水泥由于水泥水化生成的氢氧化钙和混合材中的可溶性硅酸、铝酸化合生成次生水化物，故碱度低）p提高水泥石的致密度，降低水泥石的孔隙率通过减小水灰比，掺加外加剂，采用机械搅拌和机械振捣，可以提高水泥石的密实度p在水泥石的表面涂抹或铺设保护层，隔断水泥石和外界的腐蚀性介质的接触例如，可在水泥石表面涂抹耐腐蚀的涂料，如：水玻璃、沥青、环氧树脂等；或在水泥石的表面铺建筑陶瓷、致密的天然石材等。