水泥石的工程性質(zhì)

2-7水泥石的結構

水化物組成、形態(tài)、水泥石的孔結構、孔內(nèi)水的形態(tài)和相變溫度

2-8水泥石的工程性質(zhì)8StructureandpropertiesoffreshandhardenedPortlandcementpastes汞壓力測孔原理汞壓法(MIP)是高壓汞測孔,該方法是目前研究材料孔級配的較為先進的方法在壓力p作用下,凡是大于r的孔中都壓進了汞。改變壓力后又可測另一個r。壓力從p1改變到p2,測出單位重量試樣在此兩孔徑的孔之間的孔內(nèi)所壓入的汞體積ΔV,則連續(xù)改變測孔壓力時,就可測出汞進入不同孔級孔中的汞量,從而得到試樣的孔徑分布。汞槽中減少的汞液體積Vi為多孔介質(zhì)半徑Ri的孔隙的體積,這就是壓汞試驗原理模型。高壓測孔壓力為300MPa,測定直徑30?~11μm的孔;

低壓測孔壓力為0.15MPa,

測定直徑50?~750μm的孔。決定漿體強度的重要因素：總表面能（既有范德華力，也有化學鍵）2.結晶理論該理論認為：硬化水泥漿體是由無數(shù)鈣釩石的針狀晶體和多種形貌的C-S-H、以及六方板狀的氫氧化鈣和單硫型水化硫鋁酸鈣等晶體交織在一起而構成的、它們密集連生交叉結合、接觸，形成牢固的結晶結構網(wǎng)。水泥石的強度主要決定于結晶結構網(wǎng)中接觸點的強度與數(shù)量。3.孔隙率理淪大量的試驗表明：水泥石的強度發(fā)展決定于孔隙率，或者更準確地說決定于水化生成物充滿原始充水空間的程度。

三種理論分別從各個不同角度說明了強度產(chǎn)生的原因二、影響水泥石強度的因素1.水泥礦物組成及含量

硅酸鹽礦物的含量是決定水泥強度的主要因素,28天強度基本上依賴于C3S含量。7天前強度還有賴于C3A和C4AF，28天以后C2S的影響逐漸增大。2.水灰比和水化程度在熟料礦物組成大致相近的條件下，水泥漿體的強度主要與水灰比和水化程度有關。水灰比越大，產(chǎn)生的毛細孔隙越多，膠空比越小，抗壓強度越差。一般情況下，水泥漿體抗壓強度與水灰比之間有很好的線性關系。3．孔結構水化產(chǎn)物孔隙率、孔徑分布與混凝上強度密切相關。不同水化產(chǎn)物盡管孔隙率相同，但強度不同，而且相差很大。這是因為不同水化產(chǎn)物中孔的分布不同所致。當孔隙率相等時，孔徑小，強度則大。

美國的Mehta教授通過對希臘Santcrin火山灰水泥的研究，證明孔徑分布對強度、干縮、抗硫酸鹽性能以及堿-骨料反應都有顯著影響。Mehta認為:28天強度以摻10％火山灰的為最高，這時水泥石中大于100nm的孔最少;I年強度以火山灰摻量20%為最高，這時在水泥石中大于100nm的孔沒有，而小于50nm的孔最多；新生的水化產(chǎn)物填充孔縫，改變孔級配．隨齡期增長，大孔減少，小孔增加。8.5Strength（P.252）Factorsdeterminingthecompressivestrengthofacementpasteinclude:thecharacteristicsofthecement,suchasclinkercompositionandmicrostructure,gypsumcontentandparticlesizedistribution;thew/cratioandthecontentsofairandofanyadmixturespresentinthemix;(iii)themixingconditions;(iv)thecuringconditions,especiallytemperatureandRH(Relativehumidity

);(v)theage;(vi)themanneroftesting,includingthewatercontentofthespecimen.TheeffectsoftemperatureandadmixturesareconsideredmainlyinChapter11,andsomeadditionalfactorsrelevanttomortarorconcreteareconsideredinSection12.1.Invariousways,thefactorslistedabovedeterminethedegreesofhydrationoftheclinkerphasesandthephasecompositionandmicrostructureofthehardenedpaste,whichinturndetermineitsphysicalproperties,includingstrength.

這些影響因素決定了熟料相的水化程度和硬化水泥漿體的相組成和硬化水泥漿體的微結構。相組成和微結構又決定了硬化水泥漿體的物理性質(zhì)，包括強度。水泥石石的彈彈性模模量與與水泥泥石的的孔隙隙有很很大關關系，，E=E0(1-pc）E———水泥石石的彈彈性模模量值值Eo——水泥石石在孔孔隙率率為0時的彈彈性模模量值值pc——毛細孔孔隙率率根據(jù)單單礦物物的縮縮減作作用研研究表表明，，水泥泥熟料料中各各單礦礦物的的縮減減作用用，無無論就就絕對對數(shù)值值或相相對速速度而而言，，其大大小都都按下下列順順序排排列：：C3A＞C4AF＞C3S＞C2S因此，，水泥泥熟料料的縮縮減量量大小小，常常與C3A的含量量成線線性關關系。。二、收收縮變變形l．化學學收縮縮水泥完完全水水化后后體積積變化化：V（水化化凝膠膠）/V（水化化前水水泥體體積））≈≈2.2<V（水化化前水水泥體體積））+V（水））原因：：水化化前后后反應應物和和生成成物的的密度度不同同。水泥縮縮減作作用所所產(chǎn)生生的孔孔隙，，會影影響水水泥石石的抗抗凍性性和抗抗水性性以及及耐久久性。。2.失水收收縮水泥石石在濕濕潤時時要發(fā)發(fā)生輕輕微的的膨脹脹，在在干燥燥失去去水份份時要要產(chǎn)生生收縮縮。））對于于水化化程度度很好好的水水泥石石，在在下燥燥失去去水份份時收收縮量量可達達2%以上，，水泥泥石在在第一一次干干燥時時的收收縮量量大部部分是是不可可恢復復的，，進一一步的的干濕濕循環(huán)環(huán)會使使不可可恢復復的收收縮量量有所所增加加，但但經(jīng)幾幾次干干濕循循環(huán)后后，每每次干干燥產(chǎn)產(chǎn)生的的收縮縮將變變?yōu)榭煽苫謴蛷偷模ǎㄒ妶D圖2-2-8-7)原因1：毛細孔孔水面面曲率率變化化漿體失失水時時，首首先是是毛細細孔中中的水水蒸發(fā)發(fā)，并并形成成凹月月面，，在水水分蒸蒸發(fā)過過程中中，退退到毛毛細孔孔中的的凹月月面曲曲率半半徑減減小，，從而而使毛毛細孔孔水在在液面面下所所受到到的張張力增增加（（液壓減減?。?，致致使孔孔壁產(chǎn)產(chǎn)生彈彈性壓壓縮變變形，，這是是造成成干縮縮的主主要原原因之之一。。毛細現(xiàn)現(xiàn)象：：浸潤液液體在在細管管里升升高的的現(xiàn)象象和不不浸潤潤液體體在細細管里里降低低的現(xiàn)現(xiàn)象.叫做毛毛細現(xiàn)現(xiàn)象.液體表表面類類似張張緊的的橡皮皮膜,如果液液面是是彎曲曲的,它就有有變平平的趨趨勢.因此凹液面面對下下面的的液體體施以以拉力力，凸凸液面面對下下面的的液體體施以以壓力力.浸潤液液體在在毛細細管中中的液液面是是凹形形的,它對下下面的的液體體施加加拉力力,使液體體沿著著管壁壁上升升,當向上上的拉拉力跟跟管內(nèi)內(nèi)液柱柱所受受的重重力相相等時時,管內(nèi)的的液體體停止止上升升，達達到平平衡P-P0=2γ/R這里P是液體體向外外的壓壓力；；P0是外部部壓力力；γ是液體體表面面張力力；R是液體體曲率率半徑徑。平面：：R=∞∞，P-P0=0。表明明平面面液體體不受受附加加壓力力。凹面：：R<0,P-P0=P‘-P0<0。表明明凹面面下液液體受受力小小于平平面。。凸面：：R>0,P-P0=P〃-P0>0。表明明凸面面下液液體受受力大大于平平面。。補充：：彎曲曲液面面下的的壓力力原因2：表面能能變化化由于水水泥凝凝膠具具有巨巨大的的比表表面積積，膠膠粒表表面上上由于于分子子排列列不規(guī)規(guī)整而而具有有較高高的表表面能能，表表面上上所受受到的的張力力極大大，致致使膠膠粒受受到相相當大大的壓壓縮應應力。。吸濕濕時，，由于于分子子的吸吸附，，膠粒粒表面面張力力降低低，壓壓縮應應力減減小，，體積積增大大，而而干燥燥時則則相反反。原因3：其它水養(yǎng)護護后的的漿體體在相相對濕濕度為為50%的空氣氣中干干燥時時，其其收縮縮值約約為0.2～0.3%，完全全干燥燥時約約為0.5~0.6%?；炷现兄杏捎谟诩狭系南尴拗谱髯饔茫?，干干縮要要小得得多，，完全全干燥燥時的的收縮縮量僅僅為0.06～0.09%左右。。3．碳化化收縮縮水泥石石與CO2作用產(chǎn)產(chǎn)生的的收縮縮稱為為碳化化收縮縮?？諝庵兄蠧O2含量雖雖然很很低（（僅占占0.03%），但但如果果有一一定的的濕度度，水水泥石石中的的氫氧氧化鈣鈣與CO2作用，，生成成碳酸酸鈣和和水，，出現(xiàn)現(xiàn)不可可逆的的碳化化收縮縮。圖2-2-8-8水泥砂砂漿的的碳化化收縮縮1：在無無CO2空氣中中干燥燥；2：干噪噪與碳碳化同同時進進行；；3：先干干燥再再碳化化4．徐變變（蠕蠕變））在持續(xù)續(xù)的恒恒定荷荷載作作用下下，變變形隨隨時間間而增增長的的變化化。試件：：硅酸鹽鹽水泥泥在標標準條條件下下養(yǎng)護護28天的水水泥石石，32MPa的恒定定荷載載持續(xù)續(xù)作用用21大，然然后卸卸掉荷荷載。。水泥石石徐變變原因因：（1）凝膠膠體網(wǎng)網(wǎng)狀結結構在在應力力作用用下容容易產(chǎn)產(chǎn)生位位移和和偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。（2）凝膠膠在應應力作作用下下，容容易產(chǎn)產(chǎn)生緩緩慢的的流變變，晶晶膠比比愈大大，徐徐變愈愈小。。（3）水泥泥石中中的水水在應應力作作用下下，由由高應應力區(qū)區(qū)向低低應力力區(qū)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移。。如果果水泥泥石處處于飽飽和狀狀態(tài)，，當應應力消消除后后，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移的的凝膠膠水可可以復復原，，由于于水分分轉(zhuǎn)移移引起起的變變形也也可以以恢復復，但但是，，如果果水泥泥石處處于干干燥狀狀態(tài)，，水分分蒸發(fā)發(fā)，則則變形形就不不能恢恢復，，這時時，徐徐變和和干燥燥收縮縮相聯(lián)聯(lián)系，，互相相促進進，加加大了了水泥泥石的的變形形。水泥石石的抗抗凍性性及抗抗?jié)B勝勝是評評價耐耐久性性的重重要指指標一、抗抗凍性性在寒區(qū)區(qū)使用用水泥泥時，，其耐耐久性性在很很大程程度上上取決決于抵抵抗凍凍融循循環(huán)的的能力力。圖2-2-8-10凍融過過程中中水泥泥石體體積變變化圖2-2-8-II加引氣氣劑的的水泥泥漿冰冰凍時時的體體積變變化硬化水水泥石石中可可以結結冰的的水分分是可可蒸發(fā)發(fā)水，，對于于飽水水的水水泥石石來說說，其其中可可蒸發(fā)發(fā)水的的成冰冰量是是溫度度的函函數(shù)。。見P.113，表2-2-8-4有關結結冰的的破壞壞機理理主要要有靜靜水壓壓和滲滲透壓壓兩種種理論論。靜水壓壓理論論認為：：毛細細孔內(nèi)內(nèi)經(jīng)冰冰并不不直接接使?jié){漿體脹脹壞，，而是是由于于水結結冰體體積增增加時時，未未凍水水被迫迫向外外流動動，從從而產(chǎn)產(chǎn)生危危害性性的靜靜水壓壓力，，導致致水泥泥石破破壞。。滲透壓理論則認為：凝膠膠水要滲透入入正在結冰的的毛細孔內(nèi)，，是引起凍融融破壞的原因因。當毛細孔孔水部分結冰冰時，水中含含的堿以及其其它溶質(zhì)的濃濃度會增大；；但在凝膠孔孔內(nèi)的水并不不結冰，溶液液濃度不變，，因而產(chǎn)生濃濃度差，促使使凝膠孔內(nèi)的的水向毛細孔孔擴散，其結結果產(chǎn)生滲透透壓，造成膨膨脹壓力。另另外，類似于于土壤中冰棱棱鏡的形成，，毛細管效應應也是多孔體體膨脹的主要要原因。按照Litvan理淪，水泥漿漿體中中間層層和凝膠孔中中吸附的水在在0℃時不能結冰，，據(jù)估計凝膠膠孔中的水在在-78℃以上不會結冰冰，因此，當當水泥石漿體體處于結冰環(huán)環(huán)境時，凝膠膠孔中的水以以過冷態(tài)的液液態(tài)水存在。。低能狀態(tài)結結冰的水與凝凝膠孔內(nèi)處于于高能狀態(tài)的的過冷水之間間形成熱力學學不平衡，冰冰水和過冷水水的自由能差差迫使后者自自發(fā)遷入低能能位置，使其其結冰，這個個過程會產(chǎn)生生內(nèi)部壓力和和系統(tǒng)膨脹。。水泥石的抗凍凍性與水泥石石的毛細孔有有關，毛細孔孔愈細，相變變溫度越低，，則抗凍性愈愈好。硅酸鹽水泥比比摻混合材水水泥的抗凍性性要好，增加加熟料中的C3S含量，抗凍性性可以改善。。水灰比影響響孔隙率，也也影響抗凍性性。當水灰比小于于0.4時，硬化漿體體的抗凍性好好。當水灰比比大于0.55時，抗凍性將將顯著降低。。此外，水泥漿漿體的抗凍性性又與遭受冰冰凍前的養(yǎng)護護齡期有關。。硬化齡期越越長，受凍后后其膨脹值愈愈小。因此，，工程上應防防止水泥石過過早受凍。采用樹脂浸漬漬混凝土，可可提高水泥石石抗凍性。試試驗證明：當當水泥石的充充水程度小于于85％～90%時，一般也不不會有凍害的的問題二、抗?jié)B性水泥石的抗?jié)B滲性指抵抗各各種有害介質(zhì)質(zhì)進入內(nèi)部的的能力。抗?jié)B性是評價價耐久性的重重要指標之一一。對于某些些水泥制品，，如輸油、輸輸水及輸氣用用的水泥壓力力管等，其抗抗?jié)B性均有一一定要求。水泥石的滲透透系數(shù)與水化化齡期和孔隙隙率及孔結構構有關，水化齡期↑，滲透系數(shù)↓孔隙率影響滲透系數(shù)隨水水灰比增大而而提高。當水水灰比較小時時，水泥漿中中的毛細孔常常被水泥凝膠膠所堵隔，不不易連通，因因此滲透系數(shù)數(shù)較小。當水水灰比較大時時，不僅總孔孔隙率提高，，而且可使毛毛細孔徑增大大并基本連通通，從而使?jié)B滲透系數(shù)顯著著提高。因此此降低毛細孔的的數(shù)量。是提高水泥石石抗?jié)B性的最最有效的措施施。滲透系數(shù)除了了與孔結構、、水灰比有關關外，它還與與水泥漿體硬硬化齡期、水水化程度有關關。水化反應應齡期增長、、水化產(chǎn)物增增多，毛細管管系統(tǒng)變得更更加細小曲折折，致使?jié)B透透系數(shù)隨齡期期變小。水灰比的影響響2-8-4抗腐蝕性溶出侵蝕（淡水侵蝕））離子交換侵蝕蝕（包括：碳酸酸、有機酸及及無機酸侵蝕蝕、鎂鹽侵蝕蝕等）硫酸鹽侵蝕一、侵蝕分類類水泥石腐蝕的的主要原因：：（1）浸蝕性介質(zhì)質(zhì)以液相形式式與水泥石接接觸并有一定定濃度和數(shù)量量；（2）水泥有中存存在有引起腐腐蝕的組分氫氫氧化鈣和水水化鋁酸鈣；；（3）水泥石本身身結構不致密密，有可供浸浸蝕介質(zhì)滲入入的毛細通道道。二、侵蝕機理理1．溶出性侵蝕蝕雨水、雪水以以及多數(shù)河水水和湖水均屬屬于軟水（重重碳酸鹽含量量低的水．當當水泥石與這這些水長期接接觸時，水泥泥石中的氫氧氧化鈣將很快快溶解，1升水可溶達1.3g。在靜水及無無水壓情況下下，由于周圍圍的水易為氫氫氧化鈣所飽飽和，使溶解解作用中止，，在流水及壓力力水作用下，，氫氧化鈣將將不斷溶解流流失，不但使使水泥石變得得疏松，而且且使水泥石的的堿度降低。而水泥水化化物（水化硅硅酸鈣、水化化鋁酸鈣等））只有在一定定的堿度環(huán)境境才能穩(wěn)定存存在，所以氫氧化鈣鈣的不斷溶出出又導致了其其它水化產(chǎn)物物的分解溶蝕蝕，最終使水水泥石破壞。。2．離子交換侵侵蝕溶解于水中的的酸類和鹽類類可以與水泥泥石中的氫氧氧化鈣