混凝土的組成材料

一、膠凝材料——水泥1.膠凝材料的定義：2.膠凝材料分類3.水泥的種類4.原材料及生產(chǎn)工藝5.硅酸鹽水泥熟料的礦物組成6.硅酸鹽水泥的水化7.硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)8.水泥石的腐蝕與防止1膠凝材料的定義：凡經(jīng)過自身的物理、化學(xué)作用，能夠由漿體變成堅(jiān)硬的固體，并能把粒狀材料或塊狀材料粘結(jié)為一個(gè)整體，具有一定力學(xué)強(qiáng)度的物質(zhì)，統(tǒng)稱為膠凝材料。2膠凝材料分類氣硬性膠凝材料：只能在空氣中凝結(jié)硬化，并且只能在空氣中保持和發(fā)展強(qiáng)度的膠凝材料。常用的氣硬性膠凝材料，例如石灰、石膏、菱苦土、水玻璃等。氣硬性膠凝材料只能用于地面以上，處于干燥環(huán)境中的部位。水硬性膠凝材料：不僅能在空氣中，而且能在水中很好地凝結(jié)硬化，并保持和發(fā)展強(qiáng)度的膠凝材料。代表性的水硬性膠凝材料：水泥水硬性膠凝材料既可用于干燥環(huán)境，也可用于地下、水中等潮濕環(huán)境。3.水泥的種類是最普遍使用的水泥品種硅酸鹽水泥的種類通用水泥六大品種4.原材料及生產(chǎn)工藝

石灰質(zhì)原料：主要提供CaO

粘土質(zhì)原料：主要提供SiO2、Al2O3和Fe2O3

輔助原料：進(jìn)行成分調(diào)整

硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝

——“兩磨一燒”原材料按比例配合生料熟料水泥適量石膏磨細(xì)煅燒1450℃磨細(xì)生料的主要化學(xué)成分及含量范圍

CaO：60～67%SiO2：17～25%Al2O3：3～8%Fe2O3：0.5～6.0%這些成分并不是以游離的化合物形式存在，而是在高溫煅燒的過程中形成硅酸鈣、鋁酸鈣、鐵鋁酸鈣等鹽類,叫做水泥的礦物成分；化學(xué)成分相同的水泥，由于煅燒溫度、時(shí)間等因素，可能形成不同含量的礦物成分；水泥的礦物成分直接影響其性質(zhì)。5.硅酸鹽水泥熟料的礦物組成礦物組成名稱分子式代號(hào)含量范圍硅酸三鈣3CaO·SiO2C3S45～65%硅酸二鈣2CaO·SiO2C2S15～30%鋁酸三鈣3CaO·Al2O3C3A7～15%鐵鋁酸四鈣4CaO·Al2O3·Fe2O3C4AF10～18%熟料中的其它礦物組分6.硅酸鹽水泥的水化1)水化反應(yīng)的有關(guān)概念：水化反應(yīng)：水泥的礦物成分與水發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，稱為水化反應(yīng)。水化產(chǎn)物：水化反應(yīng)生成的物質(zhì)叫做水化產(chǎn)物（或稱為水化物）。水化熱：水化反應(yīng)所放出的熱量，稱為水化熱。通常以單位質(zhì)量的水泥完全水化所放出的熱量來衡量（J/kg)。2）各礦物成分的水化反應(yīng)式2(3CaO·SiO2)+6H2O=

3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2

2(2CaO·SiO2)+4H2O=

3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2

3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O=

3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O3CaO·Al2O3·6H2O+3(CaSO4·2H2O)+20H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

3）各水化產(chǎn)物的名稱及代號(hào)：

3CaO·2SiO2·3H2O：水化硅酸鈣，凝膠體

記作：C3S2H3

（或C-S-H）占50~60%

Ca(OH)2

：氫氧化鈣，晶體記作：CH占20~25%說明：水化硅酸鈣膠體并非每一個(gè)分子的組成都一樣，C3S2H3分子式只表示總體上平均分子組成，所以通常用C-S-H表示。3CaO·Al2O3·6H2O：C3AH6

水化鋁酸鈣，晶體CaO·Fe2O3·H2O：CFH

水化鐵酸一鈣，膠體3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O：C3AS3H32

高硫型水化硫鋁酸鈣（鈣礬石，AFt），晶體可見，硅酸鹽水泥中最主要的水化產(chǎn)物是C-S-H膠體粒子，粒徑為10～1000

，比表面積大（100~700m2/g），具有很大的表面能和填充間隙的能力、粘結(jié)能力，是水泥強(qiáng)度及粘結(jié)力的主要來源。C-S-H凝膠大約占水泥硬化體的50~60%，呈層狀緊密堆積狀態(tài)，層間孔隙及凝膠孔，占凝膠體總量的28%。氫氧化鈣晶體（Ca(OH)2

）大約占20~25%，是六角板狀晶體，使水泥凝膠體呈強(qiáng)堿性，對混凝土的鋼筋具有保護(hù)作用；Ca(OH)2易溶解，與酸性物質(zhì)容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以對水泥硬化體中的強(qiáng)度、耐腐蝕性不利。水化鋁酸鈣（C3AH6）屬于晶體，在有石膏存在的條件下，與石膏反應(yīng)生成高硫型水化硫鋁酸鈣（AFt

），也叫鈣礬石，是針狀晶體，體積膨脹。C3A的水化反應(yīng)速度很快，在幾分鐘內(nèi)即生成C3AH6，由于水泥在磨細(xì)時(shí)加入了適量的石膏，所以C3AH6與石膏反應(yīng)生成鈣礬石，包裹在水泥顆粒周圍，具有延緩水化速度的作用；這就是加入石膏的目的。水泥中的石膏消耗之后，通常仍然存在著一定量的C3AH6，所以水泥硬化體在有硫酸鹽存在的環(huán)境下，將發(fā)生同樣的反應(yīng)，產(chǎn)生體積膨脹而破壞。所以C3AH6對于抗硫酸鹽腐蝕性不利。水化鐵酸鈣（CFH）是膠體物質(zhì)，填充于孔隙之間。C3AH6、AFt的生成速度很快。在水泥與水拌合24小時(shí)后，即能觀察到大量的針狀晶體。4）硅酸鹽水泥的凝結(jié)硬化過程凝結(jié)：水泥與水拌合，從可塑性、流動(dòng)性的漿體到失去可塑性、流動(dòng)性的過程。但此時(shí)還不能承受外力的作用。硬化：凝結(jié)之后隨時(shí)間的延長，水泥凝膠體逐漸產(chǎn)生強(qiáng)度的過程。水泥的凝結(jié)硬化過程示意圖1.水泥顆粒2.水分3.凝膠體4.晶體5.未水化的水泥顆粒內(nèi)核6.毛細(xì)孔水泥的凝結(jié)硬化階段劃分(a)初始溶解和水化：水泥+水——水泥漿體，水泥顆粒與水接觸，水化反應(yīng)從顆粒表面開始迅速產(chǎn)生；生成的水化硅酸鈣、氫氧化鈣、鈣礬石等產(chǎn)物堆積在水泥顆粒周圍。(b)潛伏期：大約持續(xù)1小時(shí)：水泥顆粒周圍形成水化產(chǎn)物膜層，阻礙水泥與水直接接觸，水化反應(yīng)減慢。水——通過膜層向內(nèi)滲透；水化產(chǎn)物——通過膜層向外滲透；水的滲透速度快，所以產(chǎn)生由內(nèi)向外的滲透壓，使膜層破裂，水化反應(yīng)重新加快。(c)凝結(jié)期水化反應(yīng)重新加速，生成大量水化產(chǎn)物，填充在水泥顆粒之間，水泥顆粒之間空隙縮小，接觸點(diǎn)相互粘結(jié)，水泥漿體粘度提高，可塑性降低，發(fā)生凝結(jié)。(d)硬化期水化反應(yīng)不斷進(jìn)行，凝膠體填充毛細(xì)孔，漿體逐漸產(chǎn)生強(qiáng)度，進(jìn)入硬化階段。硅酸鹽水泥的水化放熱速率拌合后時(shí)間（h）放熱速率（J/kg/s)潛伏期AB5）各礦物成分的水化特性C3S：水化速度較快，水化熱較大，主要在早期放出。

C2S：水化速度最慢，水化熱最小，主要在后期放出。

C3A：水化速度最快，水化熱最大，主要在早期放出。

C4AF：水化反應(yīng)速度較快，水化熱中等，強(qiáng)度較低。

各礦物成分單獨(dú)水化時(shí)強(qiáng)度增長特性C3SC3A可見，硅酸鹽水泥的強(qiáng)度主要來自于C3S和

C2S。而水化速度、水化熱主要取決于C3A和C3S的含量。所以，調(diào)整水泥熟料中不同礦物成分的含量，可得到不同性質(zhì)的水泥（例如快硬水泥，低熱水泥等等）不同礦物成分含量的水泥強(qiáng)度增長曲線抗壓強(qiáng)度，MPa水泥的水化速度開始較快，隨著齡期延長，水化速度逐漸減慢，強(qiáng)度趨于平穩(wěn)。一般以28天強(qiáng)度作為水泥的最終強(qiáng)度。但是，只有條件合適，水泥加水后直到十幾年甚至幾十年還未完全水化。

水化速率特點(diǎn)6）影響水泥凝結(jié)硬化速度的主要因素

請同學(xué)們自己歸納總結(jié)！作為課堂練習(xí)，下課交。7）水泥硬化體的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)多相性：包括固相、液相、氣相；多孔性：水泥凝膠體內(nèi)含有各種孔徑大小不一、形狀各異的孔隙；非均質(zhì)性：各相、孔隙分布沒有嚴(yán)格的規(guī)律性。7硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)（標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量）不溶物、燒失量氧化鎂含量、三氧化硫含量細(xì)度凝結(jié)時(shí)間（初凝、終凝）安定性強(qiáng)度堿含量（密度與堆積密度、水化熱）1）標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量水泥漿達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)稠度時(shí)所需的用水量，占水泥重量的百分比（%）叫做水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量。標(biāo)準(zhǔn)稠度：使用標(biāo)準(zhǔn)稠度測定儀，維卡儀的下落深度為6±1mm時(shí)的水泥漿稠度。硅酸鹽水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量一般在20~30%。水泥漿標(biāo)準(zhǔn)稠度的測定稱取一定重量的水泥（500g）；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)稱取一定量的水（例如取水泥重量的25%，125g）；拌制水泥漿，測定維卡儀下沉深度。如果維卡儀的下沉深度不滿足要求，則再次稱量水泥和水，直到下沉深度在4~6mm范圍內(nèi)，則所用水量占水泥質(zhì)量的百分比，即為標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量（%）。標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量不作為水泥性質(zhì)的衡量指標(biāo)，它是進(jìn)行水泥其他性質(zhì)試驗(yàn)（凝結(jié)時(shí)間、安定性）之前需測定的指標(biāo)。2）細(xì)度水泥顆粒的粗細(xì)程度。水泥的細(xì)度影響水泥的活性和水化反應(yīng)速度，是水泥質(zhì)量檢驗(yàn)的重要指標(biāo)。細(xì)度不符合要求的水泥為不合格品。細(xì)度的表示方法：80微米方孔篩篩余百分率（%）比表面積(m2/kg)硅酸鹽水泥的細(xì)度用比表面積表示，要求不小于300(m2/kg)；其他水泥的細(xì)度用篩余百分率表示，用水篩法，要求不大于10%。3）凝結(jié)時(shí)間水泥完全加入水中開始拌合開始失去可塑性完全失去可塑性初凝時(shí)間終凝時(shí)間初凝時(shí)間影響施工質(zhì)量及硬化后質(zhì)量在初凝之前要完成混凝土的攪拌、運(yùn)輸、澆注、振搗和表面修平等施工過程，如果水泥在施工完全之前即凝結(jié)，則施工操作將破壞硬化體的結(jié)構(gòu)。為了保證施工過程的完成，初凝時(shí)間不能太短，國家標(biāo)準(zhǔn)對水泥的初凝時(shí)間嚴(yán)格規(guī)定了最小值。例如硅酸鹽水泥初凝時(shí)間不得小于45分鐘。凡初凝時(shí)間不滿足要求的水泥作為廢品處理。終凝時(shí)間影響施工進(jìn)度施工完成之后，希望水泥漿體盡快硬化，以便進(jìn)行下一步施工。所以終凝時(shí)間關(guān)系到工程的進(jìn)度。國家標(biāo)準(zhǔn)對各品種水泥的終凝時(shí)間規(guī)定了最大值，例如硅酸鹽水泥的終凝時(shí)間不大于6.5小時(shí)，其他水泥終凝時(shí)間不大于10小時(shí)。凡終凝時(shí)間不滿足要求者作為不合格品處理。凝結(jié)時(shí)間的測定拌制標(biāo)準(zhǔn)稠度水泥漿。從水泥加水拌合時(shí)起作為時(shí)間起點(diǎn)，開始計(jì)時(shí)。采用凝結(jié)時(shí)間測定儀，測定標(biāo)準(zhǔn)試針（維卡儀）自由下落深度。凝結(jié)時(shí)間的測定水泥完全加入水中初凝時(shí)間終凝時(shí)間4±1mm0.5mm4）體積安定性水泥在凝結(jié)硬化的過程中體積變化的穩(wěn)定性。水泥的安定性不良表現(xiàn)為硬化后的水泥硬化體產(chǎn)生扭曲變形，表面龜裂等現(xiàn)象。引起體積安定性不良的原因游離氧化鈣(f-CaO)游離氧化鎂(f-MgO)

在水泥煅燒的過程中，沒有和氧化硅類物質(zhì)化合形成鹽類，而是以游離的化合物狀態(tài)存在，并且經(jīng)過高溫煅燒，結(jié)晶密實(shí)，水化緩慢，在水泥漿體硬化之后才開始水化，體積膨脹并放出熱量，使周圍的硬化體遭到破壞（開裂或扭曲變形）。引起體積安定性不良的原因過量的SO3

：

在熟料磨細(xì)時(shí)摻入了過量的石膏，水化初期不能消耗完畢，在水泥漿體硬化后與水化鋁酸鈣反應(yīng)，生成高硫型水化硫鋁酸鈣（即鈣礬石），伴隨體積膨脹，造成破壞。體積安定性的檢測方法f-CaO：餅法、雷氏夾法f-MgO：壓蒸法過量的SO3：溫水浸泡法。由于后兩者試驗(yàn)不易進(jìn)行，所以對其含量進(jìn)行嚴(yán)格控制：

f-MgO≤5.0%；

SO3≤3.5%.。餅法檢驗(yàn)體積安定性采用標(biāo)準(zhǔn)稠度的水泥漿；制作扁圓形試餅，在標(biāo)準(zhǔn)溫度下養(yǎng)護(hù)24小時(shí)；在100水中沸煮4小時(shí)；觀察表面是否開裂及形狀變化。體積安定性的判斷體積安定性良好體積安定性不良雷氏夾法檢驗(yàn)體積安定性采用標(biāo)準(zhǔn)稠度的水泥漿；裝入雷氏夾試件，養(yǎng)護(hù)24小時(shí)；測量初始寬度A；加熱沸煮0.5+3小時(shí)后，測量指針之間寬度C；計(jì)算膨脹值C-A，如果超過5mm，則安定性不合格。5）強(qiáng)度與強(qiáng)度等級強(qiáng)度是劃分水泥強(qiáng)度等級的依據(jù)。水泥的強(qiáng)度既要反映水泥凝膠體本身的強(qiáng)度，又要反映水泥的粘結(jié)能力。所以采用水泥砂漿進(jìn)行強(qiáng)度測定。水泥的粘結(jié)能力不僅取決于水泥本身，還與被粘結(jié)的骨料性質(zhì)有關(guān)，所以采用統(tǒng)一監(jiān)制的骨料——標(biāo)準(zhǔn)砂。水泥膠砂強(qiáng)度試件的制作所用材料及配比如下：水泥∶標(biāo)準(zhǔn)砂∶水=1∶3∶0.5=450g∶1350g∶225g試件尺寸：40mm×40mm×160mm養(yǎng)護(hù)條件：（20±1℃）水中齡期：3天，28天水泥膠砂試件的抗折強(qiáng)度水泥膠砂試件的抗壓強(qiáng)度40mm根據(jù)水泥膠砂試件強(qiáng)度確定強(qiáng)度等級1.根據(jù)28天抗壓強(qiáng)度值初步確定水泥強(qiáng)度等級;2.校核其它齡期的抗壓、抗折強(qiáng)度值是否滿足同一強(qiáng)度等級的各強(qiáng)度值要求。如果其中之一不滿足要求，降低強(qiáng)度等級。即：試驗(yàn)測得的各齡期的抗壓、抗折強(qiáng)度必須同時(shí)滿足某強(qiáng)度等級中規(guī)定的強(qiáng)度值。6）堿含量水泥中堿性物質(zhì)（Na2O、K2O）的含量稱為堿含量。堿含量計(jì)算值=Na2O+0.685K2O國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定水泥的堿含量不得大于0.60%。堿性物質(zhì)對水泥性能的影響水泥中堿性物質(zhì)的存在影響水泥混凝土的耐久性——堿骨料反應(yīng)。如果混凝土中采用含有活性的SiO2或活性的碳酸鹽，即堿活性物質(zhì)，當(dāng)水泥中堿含量過大時(shí)，在長期使用過程中將發(fā)生堿—骨料反應(yīng)，破壞水泥石與骨料的界面而使混凝土遭到破壞。堿骨料反應(yīng)混凝土內(nèi)部水泥石中的堿性氧化物（Na2O、K2O）與骨料中的活性SiO2

發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，生成堿—硅酸鹽凝膠體（或生成堿—碳酸鹽凝膠），吸水后體積膨脹（3倍以上），導(dǎo)致混凝土開裂破壞，稱為堿骨料反應(yīng)。7）水化熱水泥與水發(fā)生反應(yīng)所放出的熱量：通常用單位重量的水泥全部水化所放出的熱量來表示。水化熱對于大體積混凝土不利，是造成溫度應(yīng)力、溫度裂縫的原因。8）密度與堆積密度水泥的密度大致在以下范圍：水泥的密度=3.1～3.2g/cm3堆積密度=900～1300kg/m3

標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、密度：不做數(shù)值上的規(guī)定；細(xì)度、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間、安定性、強(qiáng)度、堿含量等性質(zhì)均有嚴(yán)格的限制。初凝時(shí)間、安定性：若不滿足要求，作為廢品處理；細(xì)度、終凝時(shí)間、強(qiáng)度：若不合格，按不合格品處理。氧化鎂、三氧化硫含量不合格，按廢品處理。對各性質(zhì)的要求8水泥石的腐蝕與防止水泥石在長期使用環(huán)境中，由于其自身的多孔性，侵蝕性的物質(zhì)會(huì)進(jìn)入水泥石的內(nèi)部，與水泥石中的某些成分，例如氫氧化鈣、水化鋁酸鈣等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使水泥石遭到破壞，叫做水泥石的腐蝕。1）軟水侵蝕（溶出性侵蝕）硬化的水泥石中含有易溶解的Ca(HO)2（20~25%）溶出流動(dòng)的軟水水泥石被溶蝕，堿度降低，導(dǎo)致其他組分溶解，最后破壞。如果環(huán)境中含有較多的重碳酸鹽（Ca(HCO3)2

），即水的硬度較高，則重碳酸鹽與水泥石中的氫氧化鈣反