第九章 硅酸鹽水泥的物化性能

第九章硅酸鹽水泥的性能9.1凝結(jié)時間9.2強(qiáng)度9.3體積變化9.4水化熱9.5粉磨細(xì)度

9.1凝結(jié)時間(settingtime)

水泥從加水開始到失去流動性，即從流體狀態(tài)發(fā)展到較致密的固體狀態(tài)，這個過程所需要的時間稱凝結(jié)時間。

初凝時間：初凝為從水泥加水開始到水泥漿完全失去流動性并開始失去可塑性的時間。終凝時間：終凝水泥從加水開始到水泥漿完全失去可塑性并開始產(chǎn)生強(qiáng)度的時間。加水拌合可塑性漿體具有流動性初凝稠硬漿體塑性消失終凝硬化漿體強(qiáng)度增長誘導(dǎo)期凝結(jié)初凝時間終凝時間硬化圖9-1-1水泥的初、終凝時間示意圖加水開始失去可塑性完全失去可塑性凝結(jié)過程初凝終凝初凝終凝水泥漿體的凝結(jié)時間，對于建筑工程的施工具有十分重要的意義。若初凝時間太短，往往來不及進(jìn)行施工，水泥漿體就已變硬。若終凝時間太長，未產(chǎn)生足夠大的強(qiáng)度，則影響施工的速度。

因此，應(yīng)有足夠長的時間來保證混凝土的攪拌、輸送、澆注、成型等操作的順利完成；同時還應(yīng)盡可能短的時間加快脫模及施工進(jìn)度，以保證工程的進(jìn)展。

◆凝結(jié)時間的重要意義◆凝結(jié)時間的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

我國硅酸鹽水泥國家標(biāo)準(zhǔn)GB175—2007規(guī)定：

初凝不得早于45min（≥45min）

終凝不的遲于390min（≤6.5h）

影響水泥凝結(jié)時間的因素是多方面的，凡是影響水泥水化速度的因素，一般都能影響水泥凝結(jié)時間。一、凝結(jié)速度

二、石膏(gypsum)的作用及摻加量三、假凝現(xiàn)象四、調(diào)凝外加劑凝結(jié)時間一、凝結(jié)速度

水泥的凝結(jié)時間決定于其凝結(jié)速度的快慢。從水泥的水化硬化過程可知，水泥加水拌和后產(chǎn)生各種水化產(chǎn)物，待到水化產(chǎn)物逐漸長大、增多并初步聯(lián)結(jié)成網(wǎng)，才會失去流動性而開始凝結(jié)。所以，凡是影響水化速度的各種因素，基本上也同樣影響水泥的凝結(jié)速度，如礦物組成、細(xì)度、水灰比、溫度和外加劑等。但水化和凝結(jié)又有一定的差異。例如，水灰比越大，水化越快，凝結(jié)反而變慢。這是因為加水量過多，顆粒間距增大，漿體結(jié)構(gòu)不易緊密，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)難以形成的緣故。

水泥的凝結(jié)速度既與熟料礦物水化難易有關(guān)，又與各礦物的含量有關(guān)。決定凝結(jié)速度的主要礦物為C3A和C3S。鮑格等人認(rèn)為，C3A的含量是控制初凝時間的決定因素。在C3A含量較高或石膏等緩凝劑摻量過少時，硅酸鹽水泥加水拌和后，C3A迅速反應(yīng)，很快生成大量片狀的水化鋁酸鈣，并相互聯(lián)結(jié)形成松散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)不可逆的固化現(xiàn)象，稱為“速凝”或“閃凝”。但是如果C3A較少(＜2％)或摻加有石膏等緩凝劑時，水泥的凝結(jié)則主要由C3S來決定。所以說，快凝是由C3A造成的，而正常凝結(jié)則是受C3S制約的。實驗證明，即使化學(xué)組成和表面積完全相同的水泥，但由于鍛燒制度的差異，仍可使熟料結(jié)構(gòu)有所不同，凝結(jié)時間也將發(fā)生相應(yīng)的變化。如急冷熟料凝結(jié)正常，而慢冷熱料常出現(xiàn)快凝現(xiàn)象。1、熟料礦物組成2、熟料礦物和水化產(chǎn)物的形態(tài)結(jié)構(gòu)另外，若水化產(chǎn)物是膠凝狀的，則會在水泥顆粒表面及周圍形成薄膜，阻礙水化的進(jìn)一步進(jìn)行，因而延緩水泥的凝結(jié)。

同時，熟料中堿（K2O）含量對凝結(jié)時間也有一定的影響。除此之外，溫度的變化也會影響水泥凝結(jié)的速度：溫度升高，水化加快，凝結(jié)時間縮短；反之，凝結(jié)時間延長。圖9-1-2溫度對凝結(jié)時間的影響3、溫度2、石膏的作用：主要是調(diào)節(jié)凝結(jié)時間，而且適量的石膏對提高水泥強(qiáng)度有利，尤其是早期強(qiáng)度；但石膏量不宜過多，否則會使水泥產(chǎn)生體積膨脹而使強(qiáng)度降低，甚至影響水泥的安定性。一般水泥中石膏摻加量以SO3計為水泥質(zhì)量的1.5～2.5%。二、石膏的作用及摻加量

1、石膏的緩凝機(jī)理：C3A在石膏、石灰的飽和溶液中生成AFt,這些柱狀小晶體長在水泥顆粒的表面，成為一層薄膜，封閉水泥組分的表面，阻滯水分子以及離子的擴(kuò)散，從而延緩了水泥顆粒特別是C3A的繼續(xù)水化。圖9-1-3石膏對水泥凝結(jié)時間的影響當(dāng)石膏摻量小于約1.3%時，石膏摻量過小，水泥會產(chǎn)生快凝，進(jìn)一步增加SO3含量時，石膏才出現(xiàn)明顯的緩凝作用；但石膏摻量超過2.5％以后時，凝結(jié)時間增長很少。故石膏摻量一般波動于SO3含量在1.5～2.5%之間。3、石膏摻量4、影響石膏摻量的因素（1）、石膏的種類表9-1-1各種石膏的緩凝作用（2）、熟料中C3A的含量

熟料中C3A的含量是石膏摻量的最主要影響因素。C3A含量多，則石膏摻量響應(yīng)增加，反之，則應(yīng)減少。（3）、熟料中SO3的含量

當(dāng)熟料中SO3的含量較高時，應(yīng)減少石膏的摻量。（4）、水泥細(xì)度

水泥細(xì)度越細(xì)，其水化越快，則應(yīng)適當(dāng)增加石膏摻量。（5）、混合材的品種和摻量（6）、R2O含量假凝是指水泥加水拌和后，在幾分鐘內(nèi)即迅速凝結(jié)變硬，經(jīng)劇烈攪拌后，又重新恢復(fù)塑性的現(xiàn)象。假凝和快凝是不同的，前者放熱量極微，而且經(jīng)劇烈攪拌后，漿體又可恢復(fù)塑性，并達(dá)到正常凝結(jié)，對強(qiáng)度并無不利影響；而快凝或閃凝往往是由于緩凝不夠所引起，漿體已具有一定強(qiáng)度，重拌并不能使其再具塑性。假凝的影響比快凝較為輕微，但仍會給施工帶來一定困難。

三、假凝現(xiàn)象1、假凝及其特征圖9-1-4不正常凝結(jié)的典型特性曲線比較項目假凝快凝凝結(jié)時間幾分鐘幾分鐘放熱量小大重新攪拌正常凝結(jié)不能恢復(fù)塑性強(qiáng)度大小沒有不利影響產(chǎn)生一定強(qiáng)度施工操作難度增大不可逆固化表9-1-2不正常的早期快速固化現(xiàn)象比較

假凝現(xiàn)象與很多因素有關(guān)——熟料中C3A含量過多、水泥在粉磨時受到高溫，使較多二水石膏脫水成半水石膏等。當(dāng)水泥調(diào)水后，半水石膏迅速溶于水又重新水化為二水石膏析出，形成針狀結(jié)晶網(wǎng)狀構(gòu)造，從而引起漿體固化。對于某些含堿較高的水泥，所含的硫酸鉀會依下式反應(yīng)：K2SO4十CaSO4·2H2O———K2SO4·CaSO4·H2O十H2O

所生成的鉀石膏結(jié)晶迅速長大，也會是造成假凝的原因。2、引起假凝的原因

引起假凝的主要原因是水泥在粉磨時受到高溫，其中二水石膏脫水形成半水石膏甚至可溶性無水石膏。

在生產(chǎn)中，為了防止假凝，采用措施：●使用無水硫酸鈣含量較高的石膏，以避免粉磨時石膏脫水；●在水泥粉磨時采取一定的降溫措施，也可避免石膏脫水?！裨诮ㄖ┕ぶ?，可以延長攪拌時間來消除假凝現(xiàn)象的產(chǎn)生。

●摻加較多的混合材。3、預(yù)防假凝的措施

四、調(diào)凝外加劑

除石膏外，還有許多無機(jī)鹽或有機(jī)化合物，能夠影響硅酸鹽水泥的凝結(jié)過程，均可作為調(diào)節(jié)凝結(jié)時間的外加劑。按照其所起的作用，通常有促凝劑和緩凝劑兩種。由于在正常情況下，主要是硅酸三鈣影響著凝結(jié)，而鋁酸三鈣則是引起不正常凝結(jié)的原因，因此一般就將外加劑的作用歸結(jié)于它們對硅酸三鈣和鋁酸三鈣水化的影響。試針0點試模凈漿

調(diào)整凝結(jié)時間測定儀的試針，當(dāng)接觸玻璃板時，指針應(yīng)對準(zhǔn)標(biāo)尺零點。

測定前的準(zhǔn)備工作凝結(jié)時間的測定方法

凝結(jié)時間的測定2～3mm初凝狀態(tài)由開始加水至初凝狀態(tài)時的時間為該水泥的初凝時間，用小時（h）或分（min）來表示。

凝結(jié)時間的測定方法

凝結(jié)時間的測定39～39.5mm終凝狀態(tài)由開始加水至終凝狀態(tài)時的時間為該水泥的終凝時間，用小時（h）或分（min）來表示。凝結(jié)時間的測定方法標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量在測定水泥的凝結(jié)時間和安定性時，為使其測定結(jié)果具有可比性，必須采用標(biāo)準(zhǔn)稠度的水泥凈漿進(jìn)行測定?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T1346-2001)規(guī)定，以標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀的試桿沉入凈漿距底板的距離為6mm±1mm時的水泥漿的稠度作為標(biāo)準(zhǔn)稠度。水泥凈漿達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)稠度時所需拌和水量稱為標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量。

不同的水泥品種，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量各不相同，一般在24%～30%之間。水泥凈漿攪拌機(jī)標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀凝結(jié)時間以試針沉入水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度凈漿至一定深度所需時間表示?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T1346-2001)規(guī)定：將標(biāo)準(zhǔn)稠度的水泥凈漿裝入凝結(jié)時間測定儀的試模中，以標(biāo)準(zhǔn)試針（分初凝用試針和終凝用試針）測試。標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀初凝試針終凝試針當(dāng)初凝試針沉至距底板4mm±1mm時，為水泥達(dá)到初凝狀態(tài)，由水泥加水時至達(dá)到初凝狀態(tài)所經(jīng)歷的時間作為初凝時間；完成初凝時間測定后，將試模連同漿體翻轉(zhuǎn)180°，換上終凝試針（終凝針上裝有一個環(huán)形附件），當(dāng)試針沉入試體0.5mm時，即環(huán)形附件開始不能在試體上留下痕跡時，為水泥達(dá)到終凝狀態(tài)，由水泥加水時至達(dá)到終凝狀態(tài)所經(jīng)歷的時間作為水泥的終凝時間。

水泥的初凝時間不宜過短，終凝時間不宜過長。水泥的初凝時間太短，則在施工前即已失去流動性和可塑性而無法施工；水泥的終凝時間過長，則將延長施工進(jìn)度和模板周轉(zhuǎn)期。我國現(xiàn)行國標(biāo)(GB175-2007)規(guī)定，硅酸鹽水泥初凝不得早于45min，終凝不得遲于6.5h。普通硅酸鹽水泥初凝不得早于45min，終凝不得遲于10h。

水泥加水拌和后，熟料礦物迅速水化，生成大量的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠，并生成Ca(OH)2及鈣釩石(AFt)晶體；經(jīng)過一定時間以后，C-S-H也以長纖維晶體從熟料顆粒上長出，同時鈣釩石晶體逐漸長大，在水泥漿體中相互交織聯(lián)結(jié)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時，又受到顆粒間范德華力或化學(xué)鍵的影響，從而產(chǎn)生強(qiáng)度。

隨著水化進(jìn)行，水化產(chǎn)物數(shù)量不斷增加，晶體尺寸不斷長大，從而使硬化漿體結(jié)構(gòu)更為致密，強(qiáng)度逐漸提高。

9.2水泥強(qiáng)度（strength）一、水泥強(qiáng)度形成和發(fā)展

水泥強(qiáng)度是硬化的水泥石能夠承受外力破壞的能力。根據(jù)受力的形式不同，水泥強(qiáng)度通常分抗壓、抗拉、抗折三種。

（一）、抗壓強(qiáng)度(compressivestrength)

水泥膠砂硬化試體承受壓縮破壞時的應(yīng)力，稱為水泥的抗壓強(qiáng)度；以MPa表示。

（二）、抗拉強(qiáng)度(tensilestrength)

也稱為抗張強(qiáng)度。水泥膠砂硬化試體承受拉伸破壞時的應(yīng)力，稱為水泥的抗拉強(qiáng)度，以MPa表示。二、水泥強(qiáng)度的分類

（三）、抗折強(qiáng)度

水泥膠砂硬化試體承受彎曲破壞時的最大應(yīng)力稱為水泥的抗折強(qiáng)度，以MPa表示。表示水泥強(qiáng)度等級的指標(biāo)即為水泥強(qiáng)度等級（以前稱為標(biāo)號）。

我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法（ISO法）》（GB17671－2007）規(guī)定：將水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂及水按規(guī)定的比例（水泥：標(biāo)準(zhǔn)砂：水＝1：3：0.5），用規(guī)定方法制成40mm×40mm×160mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件（24h之內(nèi)在溫度20℃±1℃，相對濕度不低于90％的養(yǎng)護(hù)箱或霧室內(nèi)，24h后在20℃±1℃的水中）下養(yǎng)護(hù)，測定其3d和28d的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。相對濕度：空氣中實際所含水蒸氣密度和同溫度下飽和水蒸氣密度的百分比值。水泥膠砂攪拌機(jī)水泥膠砂試模水泥膠砂振實臺電動抗折試驗機(jī)壓力試驗機(jī)抗折強(qiáng)度結(jié)果評定：以一組三個棱柱體抗折強(qiáng)度結(jié)果的平均值作為試驗結(jié)果。當(dāng)三個強(qiáng)度值中有一個超出平均值±10%時，應(yīng)剔除后再取平均值作為抗折強(qiáng)度試驗結(jié)果。若兩個超出則試驗結(jié)果無效?？箟簭?qiáng)度結(jié)果評定：以一組三個棱柱體上得到的六個抗折強(qiáng)度測定值的算術(shù)平均值作為試驗結(jié)果。如六測定值中有一個超出六個平均值的±10%，就應(yīng)剔除這個結(jié)果，而以剩下五個的平均數(shù)為結(jié)果，如果五個測值中再有超過它們平均數(shù)±10%的，則此結(jié)果作廢。三、影響水泥強(qiáng)度的因素◆熟料的礦物組成

◆細(xì)度◆施工條件在施工過程中，水灰比，骨料級配，攪拌振搗的程度，養(yǎng)護(hù)溫度及是否采用外加劑等對強(qiáng)度有很大影響。

水灰比及密實程度

養(yǎng)護(hù)溫度

外加劑表9-2-1四種主要礦物的抗壓強(qiáng)度（MPa）◆熟料的礦物組成

硅酸鹽礦物的含量是決定水泥強(qiáng)度的主要因素。圖9-2-1C3S,C2S相對含量對強(qiáng)度發(fā)展的影響其中，C3S的早期強(qiáng)度最大，28d強(qiáng)度基本上依賴于C3S含量，C3S含量高，水泥的早期強(qiáng)度高，但以后強(qiáng)度增長不大。而C2S高的水泥雖早期強(qiáng)度不高，但長期強(qiáng)度增幅大，到1年以后可以趕上甚至超過C3S高的水泥。◆水泥細(xì)度

水泥越細(xì)，顆粒分布范圍越窄越均勻，其水化速度越快，而且水化更為完全，水泥的強(qiáng)度，尤其是早強(qiáng)越高。

但是水泥太細(xì)，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量越大，增大了硬化漿體結(jié)構(gòu)的孔隙率，從而引起強(qiáng)度下降?！裘軐嵆潭葓D9-2-2水泥漿體抗壓強(qiáng)度和孔隙率的關(guān)系水泥石結(jié)構(gòu)中孔隙率和大毛細(xì)孔減少時，其強(qiáng)度能得到較大程度的提高。圖9-2-3水泥漿體抗壓強(qiáng)度和水灰比的關(guān)系◆水灰比圖9-2-4養(yǎng)護(hù)溫度對水泥漿體強(qiáng)度的影響◆養(yǎng)護(hù)溫度

在水泥水化過程中，提高養(yǎng)護(hù)溫度(即水化的溫度)，可以使早強(qiáng)得到較快的發(fā)展，但后期強(qiáng)度，特別是抗折強(qiáng)度反而會降低?！敉饧觿?/p>

根據(jù)需要采用適當(dāng)?shù)耐饧觿λ嗍Y(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也會有影響。如采用適量的減水劑，可使水灰比在大幅度減到0.25時，強(qiáng)度的增長也比較穩(wěn)定；采用早強(qiáng)劑可大幅度提高早期強(qiáng)度，并且后期強(qiáng)度也有所增長；另外，還可引入引氣劑、膨脹劑、速凝劑等。

硬化水泥漿體的體積變化也是一項非常重要的性能指標(biāo)。由于漿體中生成了各種水化產(chǎn)物以及反應(yīng)前后濕度，溫度等外界條件的改變，硬化水泥漿體必然會發(fā)生一系列的體積變化。如化學(xué)減縮，濕脹干縮和碳化收縮等。

◆化學(xué)減縮水泥在水化硬化過程中，無水的熟料礦物轉(zhuǎn)變?yōu)樗a(chǎn)物，固相體積大大增加，而水泥漿體的總體積卻在不斷縮小，由于這種體積減縮是化學(xué)反應(yīng)所致,故稱化學(xué)減縮。

9.3體積變化以C3S的水化反應(yīng)為例：縮。化學(xué)減縮表9-3-1硅酸鹽水泥熟料單礦物的減縮作用水泥熟料中各單礦物的減縮作用，其大小順序:

C3A＞C4AF＞C3S＞C2S化學(xué)減縮◆濕脹干縮

硬化水泥漿體的體積隨其含水量而變化。漿體結(jié)構(gòu)含水量增加時，其中凝膠粒子由于分子吸附作用而分開，導(dǎo)致體積膨脹，如果含水量減少，則會使體積收縮。濕脹和干縮大部分是可逆的。干燥與失水有關(guān)，但二者沒有線性關(guān)系。體積變化圖9-3-1水泥漿體干縮率隨時間變化情況◆濕脹干縮

有關(guān)研究表明，硬化漿體的干縮值主要由C3A的含量決定，并隨C3A的增加而提高，其他組成的作用比較次要。而在C3A含量相同時，石膏摻量就成了決定脹縮的主要因素。◆碳化收縮

在一定的相對濕度下，硬化水泥漿體中的水化產(chǎn)物如Ca(OH)2、C-S-H等會與空氣中的CO2作用，生成CaCO3和H2O，造成硬化漿體的體積減少，出現(xiàn)不可逆的收縮現(xiàn)象，成為碳化收縮。其反應(yīng)式如下：

通常，在大氣中，實際的碳化速度很慢，而且僅限于表面進(jìn)行，大約在1年后才會在硬化水泥漿體表面產(chǎn)生微裂縫，只影響其外觀質(zhì)量，對強(qiáng)度并沒有不利的影響。體積變化◆體積安定性體積變化體積安定性：水泥漿體在凝結(jié)硬化過程中體積變化的均勻性。

引起水泥體積安定性不良的因素：游離CaO和方鎂石結(jié)晶過多（主要原因）；石膏摻量。體積安定性的測定方法

體積安定性測試方法

蒸煮試餅法

雷氏夾法

雷氏夾法：將水泥漿體裝入沿縱向分開的小銅圈中，在水中養(yǎng)護(hù)24小時，再在沸水中煮沸1小時，然后測量裝在銅圈上的兩針尖間的距離。如果不超過規(guī)定值，即可認(rèn)為從游離CaO考慮的安定性合格。

蒸煮試餅法：將水泥漿體制成規(guī)定尺寸的試餅，經(jīng)4小時煮沸后，不應(yīng)有彎曲、開裂、潰散等明顯變形產(chǎn)生。水化過程中所放出的熱量，稱為水泥的水化熱。水泥的水化熱是由各熟料礦物水化作用所產(chǎn)生的。從水化熱對混凝土的危害性來看，既需考慮放熱的數(shù)量，也需考慮放熱的速度。如果放熱速度非?？?，迅速放出大量的熱，對大體積混凝土就會產(chǎn)生不良后果。水化熱是大壩水泥主要技術(shù)要求之一。9.4水化熱(hydratedheat)

對冬季施工而言，水化