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模块2胶凝材料

思考与练习

1.硅酸盐水泥的矿物组成有哪些？

它们与水作用时各表现出什么特征？

（1）C3S的水化速度较快,早期强度高,28d强度可达一年强度的70%～80%；水化热较大,且主要是早期放出,其含量也最高,是决定水泥性质的主要矿物。

（2）C2S的水化速度最慢,水化热最小,且主要是后期放出,是保证水泥后期强度的主要矿物,且耐化学侵蚀性好。

（3）C3A的凝结硬化速度最快（故需掺入适量石膏作为缓凝剂）,也是水化热最大的矿物。

其强度值最低,但强度成形最快,3d几乎接近最终强度。

但其耐化学侵蚀性最差,且硬化时体积收缩最大。

（4）C4AF的水化速度也较快,仅次于铝酸三钙,其水化热中等,且有利于提高水泥抗拉（折）强度。

2.硅酸盐水泥的主要水化产物是什么？

硬化后水泥石的组成有哪些？

（1）硅酸三钙的水化。

在水泥矿物中,硅酸三钙含量最高,它与水作用时,反应较快,水化放热量大,生成水化硅酸钙及氢氧化钙。

（2）硅酸二钙的水化。

硅酸二钙的水化产物与硅酸三钙相同,但数量不同。

水化反应较慢,水化放热量小。

（3）铝酸三钙的水化。

铝酸三钙与水作用时,反应极快,水化放热量很大,生成水化铝酸三钙。

水化铝酸三钙为晶体,易溶于水,它在石灰饱和溶液中能与氢氧化钙进一步反应,生成水化铝酸四钙。

（4）铁铝酸四钙的水化。

铁铝酸四钙与水作用时反应也较快,水化热中等,生成水化铝酸三钙及水化铁酸钙凝胶。

3.简述硅酸盐水泥的凝结硬化机理。

影响凝结硬化过程的因素有哪些？

如何影响？

水泥颗粒与水接触后,首先是最表层的水泥与水发生水化反应,生成水化产物,组成水泥水水化产物混合体系。

反应初期,水化速度很快,不断形成新的水化产物扩散到水中,使混合体系很快成为水化产物的饱和溶液。

此后,水泥继续水化所生成的产物不再溶解,而是以分散状态的颗粒析出,附在水泥粒子表面,形成凝胶膜包裹层,使水泥在一段时间内反应缓慢,水泥浆的可塑性基本上保持不变。

由于水化产物的不断增加,凝胶膜逐渐增厚而破裂并继续扩展,水泥粒子又在一段时间内加速水化,这一过程可重复多次。

由水化产物组成的水泥凝胶在水泥颗粒之间形成了网状结构,水泥浆逐渐变稠,并失去塑性而出现凝结现象。

此后,由于水泥水化反应的继续进行,水泥凝胶不断扩展而填充颗粒之间的孔隙,使毛细孔越来越少,水泥石就具有越来越高的强度和胶结能力。

综上所述,水泥的凝结硬化是一个由表及里,由快到慢的过程。

较粗颗粒的内部很难完全水化。

因此,硬化后的水泥石是由水泥水化产物凝胶体（内含凝胶孔）及结晶体、未完全水化的水泥颗粒、毛细孔（含毛细孔水）等组成的不均质结构体。

影响硅酸盐水泥凝结硬化的因素

硅酸盐水泥的凝结硬化过程,也就是硅酸盐水泥强度发展的过程,受到许多因素的影响,有内部的和外界的,其主要影响因素分析如下。

（1）矿物组成。

矿物组成是影响水泥凝结硬化的主要内因,如前所述,不同的熟料矿物成分单独与水作用时,水化反应的速度、强度发展的规律、水化放热是不同的,因此改变水泥的矿物组成,其凝结硬化将产生明显的变化。

（2）水泥细度。

水泥颗粒的粗细程度直接影响水泥的水化、凝结硬化、强度、干缩及水化热等。

水泥的颗粒粒径一般为7～200μm,颗粒越细,与水接触的比表面积越大,水化速度就越快越充分,水泥的早期强度和后期强度就越高。

但水泥颗粒过细,在生产过程中消耗的能量会增多,机械损耗也会加大,生产成本便会增加,且水泥颗粒越细,需水性越大,在硬化时收缩也增大,因而水泥的细度应适中。

（3）石膏掺量。

石膏掺入水泥中的目的是为了延缓水泥的凝结、硬化速度,调节水泥的凝结时间。

需注意的是，石膏的掺入要适量,掺量过少,不足以抑制C3A的水化速度；掺量过多,其本身会生成一种促凝物质,反而使水泥快凝；如果石膏掺量超过规定的限量,则会在水泥硬化过程中仍有一部分石膏与C3A及C4AF的水化产物3CaO·Al2O3·6H2O继续反应生成水化硫铝酸钙针状晶体,体积膨胀,使水泥石强度降低,严重时还会导致水泥体积安定性不良。

适宜的石膏掺量主要取决于水泥中C3A的含量和石膏的品种及质量,同时与水泥细度及熟料中SO3的含量有关,一般生产水泥时石膏掺量占水泥质量的3%～5%,具体掺量应通过试验确定。

（4）水胶比。

拌和水泥浆时,水与水泥的质量比称为水胶比。

从理论上讲,水泥完全水化所需的水胶比为0.22左右。

但拌和水泥浆时,为使浆体具有一定的塑性和流动性,所加入的水量通常要大大超过水泥充分水化时所需用水量,多余的水在硬化的水泥石内形成毛细孔。

因此拌和水越多,硬化水泥石中的毛细孔就越多,当水胶比为0.4时,完全水化后水泥石的总孔隙率为29.6%；而水胶比为0.7时,水泥石的孔隙率高达50.3%。

水泥石的强度随其孔隙率的增加而降低。

因此,在不影响施工的条件下,水胶比小,则水泥浆稠,易于形成胶体网状结构,水泥的凝结硬化速度快,同时水泥石整体结构内毛细孔少,强度也高。

（5）养护湿度和温度。

温度对水泥的凝结硬化影响很大,提高温度可加速水泥的水化速度,有利于水泥早期强度的形成。

就硅酸盐水泥而言,提高温度可加速其水化,使早期强度能较快发展,但对后期强度可能会产生一定的影响（因而硅酸盐水泥不适宜用于蒸汽养护、压蒸养护的混凝土工程）。

而在较低温度下进行水化时,虽然凝结硬化慢,但水化产物较致密,可获得较高的最终强度。

但当温度低于0℃时,强度不仅不增长,而且还会因水的结冰而导致水泥石被冻坏。

湿度是保证水泥水化的一个必备条件,水泥的凝结硬化实质是水泥的水化过程。

因此,在干燥环境中,水化浆体中的水分蒸发,导致水泥不能充分水化,同时硬化也将停止,并会因干缩而产生裂缝。

在工程中,保持环境的温度、湿度,使水泥石强度不断增长的措施称为养护,水泥混凝土在浇筑后的一段时间里应十分注意控制温度、湿度的养护。

（6）龄期。

龄期指水泥在正常养护条件下所经历的时间。

水泥的凝结、硬化是随龄期的增长而渐进的过程,在适宜的温、湿度环境中,随着水泥颗粒内各熟料矿物水化程度的提高,凝胶体不断增加,毛细孔相应减少,水泥的强度增长可持续若干年。

4.为什么在生产硅酸盐水泥时掺入适量的石膏对水泥不起破坏作用,而硬化后水泥石遇到有硫酸盐溶液的环境,掺入石膏时就有破坏作用？

石膏掺入水泥中的目的是为了延缓水泥的凝结、硬化速度,调节水泥的凝结时间。

需注意的是，石膏的掺入要适量,掺量过少,不足以抑制C3A的水化速度；掺量过多,其本身会生成一种促凝物质,反而使水泥快凝；如果石膏掺量超过规定的限量,则会在水泥硬化过程中仍有一部分石膏与C3A及C4AF的水化产物3CaO·Al2O3·6H2O继续反应生成水化硫铝酸钙针状晶体,体积膨胀,使水泥石强度降低,严重时还会导致水泥体积安定性不良。

5.什么是细度？

为什么要对水泥的细度做规定？

硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的细度指标各是什么？

细度是指水泥颗粒的粗细程度。

细度对水泥的水化、凝结硬化以及强度发展均有很大影响。

水泥颗粒越细,其比表面积（单位质量的表面积）越大,因而水化较快也较充分,水泥的早期强度和后期强度均较高。

但水泥颗粒过细,易与空气中的水分及二氧化碳反应,致使水泥不宜久存,过细的水泥硬化时产生的收缩亦较大,而且磨制过细的水泥耗能多、成本高。

硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的细度以比表面积表示,其比表面积不小于300m3/kg；矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥的细度以筛余表示,其80μm方孔筛筛余不大于10%或45μm,方孔筛筛余不大于30%。

6.规定水泥标准稠度及标准稠度用水量有何意义？

水泥凝结时间的测定是在规定温度和湿度条件下用凝结时间测定仪对标准稠度的水泥浆进行测定。

测定过程中,标准稠度用水量是指水泥净浆达到规定稠度时所需的拌和水量,以占水泥质量的百分率表示,一般为24%～30%。

水泥熟料矿物成分不同时,其标准稠度用水量亦有所差别,磨得越细的水泥,其标准稠度用水量越大。

7.什么是水泥的体积安定性？

产生的原因是什么？

水泥体积安定性不良应如何处理？

水泥体积安定性是指水泥浆在凝结硬化过程中,体积变化的均匀性。

如水泥硬化后产生不均匀的体积变化,即为体积安定性不良。

使用体积安定性不良的水泥,会使水泥制品、混凝土构件产生膨胀性裂缝,降低建筑物质量,甚至引发严重的工程事故。

引起水泥体积安定性不良的原因主要有以下两点。

①水泥中含有过多的游离氧化钙和游离氧化镁。

当水泥原料比例不当、煅烧工艺不正常或原料质量差（MgCO3含量高）时,会产生较多游离状态的氧化钙和氧化镁,它们与熟料一起经历了1450℃的高温煅烧,属严重过火的氧化钙、氧化镁,水化极慢,在水泥凝结硬化后很长时间才进行熟化。

生成的Ca（OH）2和Mg（OH）2在已经硬化的水泥石中膨胀,使水泥石出现开裂、翘曲、疏松和崩溃等现象,甚至完全破坏。

②石膏掺量过多。

当石膏掺量过多时,在水泥硬化后,残余石膏与固态水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙,体积增大约1.5倍,从而导致水泥石开裂。

国家标准规定,由游离氧化钙引起的水泥安定性不良可采用煮沸法（试饼法和雷氏法）检验。

试饼法是将标准稠度的水泥净浆做成试饼经恒沸3h后,观察其外形变化,目测试饼未出现裂缝,用直尺检查没有弯曲现象,即认为体积安定性合格；反之,为不合格。

雷氏法是测定水泥浆在雷氏夹中硬化沸煮后的膨胀值,当两个试件沸煮后的膨胀值的平均值不大于规定值（5.0mm）时,即判定该水泥安定性合格,反之为不合格。

当采用试饼法与雷氏法所测得的结果不同时,以雷氏法为准。

游离氧化镁的水化比游离氧化钙更缓慢,由游离氧化镁引起的安定性不良必须采用压蒸法才能检验出来。

由石膏造成的体积安定性不良则需通过将其长期浸泡在常温水中才能发现。

由于游离氧化镁和石膏引起的体积安定性不良不易被快速检验出来,故常在水泥生产中对其用量严格加以控制。

国家标准规定,硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥中游离氧化镁的含量不得超过5.0%,矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中氧化镁的含量不得超过6.0%,三氧化硫的含量不得超过3.5%。

其中矿渣硅酸盐水泥中三氧化硫的含量不得超过4.0%。

水泥的体积安定性检验必须合格,体积安定性不合格的水泥为不合格品,但某些体积安定性不合格的水泥在放置一段时间后,由于水泥中的游离氧化钙吸收空气中的水蒸气而水化,反而变为合格。

8.什么是水泥的凝结时间？

国家标准为什么要规定水泥的凝结时间？

水泥的凝结分初凝和终凝。

自水泥加水拌和算起到水泥浆开始失去可塑性所需的时间称为初凝时间；自水泥加水拌和算起到水泥浆完全失去可塑性,并开始有一定结构强度所需的时间称为终凝时间。

水泥的凝结时间在施工中具有重要作用。

初凝时间不宜过短,以便有足够的时间在初凝之前对混凝土进行搅拌、运输和浇筑。

当浇筑完毕,则要求混凝土尽快凝结硬化,产生强度,以利于下道工序的进行,因此终凝时间不宜过迟。

9.用于水泥中的混合材料有哪些类？

掺入水泥后的作用分别是什么？

硅酸盐水泥常掺入哪几种活性混合材料？

用于水泥中的混合材料,根据其是否参与水化反应分为活性混合材料和非活性混合材料。

1）活性混合材料

活性混合材料是指具有潜在活性的矿物质材料。

所谓潜在活性是指单独不具有水硬性,但在石灰或石膏的激发和参与下,可一起和水反应,而形成具有水硬性的化合物的性能。

硅酸盐水泥熟料水化后会产生大量的氢氧化钙,并且水泥中需掺入适量的石膏,因此在硅酸盐水泥中具备了使活性混合材料发挥潜在活性的条件。

通常将氢氧化钙、石膏称为活性混合材料的“激发剂”,分别称为碱性激发剂和硫酸盐激发剂,但硫酸盐激发剂必须在有碱性激发剂的条件下才能发挥作用。

水泥中常用的活性混合材料有：

粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料及粉煤灰。

（1）粒化高炉矿渣。

将炼铁高炉中的熔融矿渣经水淬等急冷方式处理而成的松软颗粒称为粒化高炉矿渣,又称水淬矿渣,其中主要的化学成分是CaO、SiO2和Al2O3,占90%以上。

急速冷却的矿渣结构为不稳定的玻璃体,有较高的潜在活性。

如果熔融状态的矿渣缓慢冷却,其中的SiO2等形成晶体,活性极小,称为慢冷矿渣,则不具有活性。

（2）火山灰质混合材料。

凡是天然的或人工的以活性氧化硅和活性氧化铝为主要成分,其含量一般可达65%～95%,具有火山灰活性的矿物质材料,都称为火山灰质混合材料。

按其成因分为天然火山灰和人工火山灰两类。

天然火山灰主要是火山喷发时随同熔岩一起喷发的大量碎屑沉积在地面或水中形成的松软物质,包括浮石、火山灰、凝灰岩等。

人工火山灰是将一些天然材料或工业废料经加工处理而成,如硅藻土、沸石、烧黏土、煤矸石、煤渣等。

（3）粉煤灰。

粉煤灰是发电厂燃煤锅炉排出的细颗粒废渣,其颗粒直径一般为0.001～0.050mm,呈玻璃态实心或空心的球状颗粒,表面比较致密。

粉煤灰的成分主要是活性氧化硅、活性氧化铝及一定量的氧化钙,根据氧化钙的含量可分为低钙粉煤灰（氧化钙含量低于10%）和高钙粉煤灰（氧化钙含量大于等于10%）。

高钙粉煤灰通常活性较高,因为所含的钙绝大多数是以活性结晶化合物存在的,如C3A、CS。

此外,其所含的钙离子使铝硅玻璃体的活性得到增强。

2）非活性混合材料

在水泥中主要起填充作用而不参与水泥水化反应或水化反应很微弱的矿物材料,称为非活性混合材料。

将它们掺入水泥中主要是为了提高水泥产量,调节水泥强度等级。

实际上非活性混合材料在水泥中仅起填充和分散作用,所以又称为填充性混合材料、惰性混合材料。

磨细的石英砂、石灰石、黏土、慢冷矿渣及各种废渣等都属于非活性材料。

另外,凡不符合技术要求的粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料及粉煤灰均可作为非活性混合材料使用。

10.为什么用不耐水的石灰拌制成的灰土、三合土具有一定的耐水性？

利用石灰与黏性土可拌制成灰土；利用石灰、黏土与砂石或碎砖、炉渣等填料可拌制成三合土或碎砖三合土；利用石灰与粉煤灰、黏性土可拌制成粉煤灰石灰土；利用石灰与粉煤灰、砂、碎石可拌制成粉煤灰碎石土等,大量应用于建筑物基础、地面、道路等的垫层,地基的换土处理等。

为方便石灰与黏土等的拌和,宜用磨细的生石灰或消石灰粉,磨细的生石灰还可使灰土和三合土有较高的紧密度、强度和耐水性。

11.与硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥相比,粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥有什么特点（共性）？

这几种水泥又各有什么个性？

矿渣硅酸盐水泥的性能与应用

（1）泌水性和干缩性较大。

由于粒化高炉矿渣是玻璃体,对水的吸附能力差（即保水性差）,成形时易泌水而形成毛细通路及粗大的水隙,降低混凝土的密实性及均匀性。

同时,增加水分的蒸发,因此其干缩较大,易使混凝土表面产生很多微细裂缝,从而降低混凝土的力学性能和耐久性。

矿渣混凝土不宜用于要求抗渗的混凝土工程和受冻融干湿交替作用的混凝土工程。

（2）耐热性好。

由于矿渣水泥硬化后Ca（OH）2的含量低,矿渣本身又是耐火掺料,当受高温（不高于200℃）作用时,强度不致显著降低,因此矿渣水泥适用于受热的混凝土工程,若掺入耐火砖粉等材料可制成耐更高温度的混凝土。

在这三种水泥中矿渣硅酸盐水泥的活性混合材料的含量最多,耐腐蚀性最好、最稳定。

火山灰质硅酸盐水泥的性能与应用

（1）抗渗性高。

由于水泥中含有大量较细的火山灰,泌水性小,当在潮湿环境下或水中养护时,会生成较多的水化硅酸钙凝胶,使水泥石结构致密,因而具有较高的抗渗性,适用于要求抗渗的水中混凝土工程。

（2）干缩大,易起粉。

火山灰质硅酸盐水泥在硬化过程中的干缩现象较矿渣硅酸盐水泥更显著。

若处在干燥的空气中,水泥石中的水化硅酸钙会逐渐干燥,产生干缩裂缝。

在水泥石表面,由于空气中CO2的作用,可使水化硅酸钙分解成CaCO3和SiO2的粉状混合物,使已硬化的水泥石表面产生“起粉”现象。

为此,施工时应加强养护,较长时间保持潮湿,以免产生干缩裂缝和起粉。

所以,火山灰质硅酸盐水泥不宜用于干燥或干湿交替环境下的混凝土工程,以及有耐磨要求的混凝土工程。

粉煤灰硅酸盐水泥的性能与应用

（1）早期强度低。

由于粉煤灰呈球形颗粒,表面致密,不易水化,因此粉煤灰活性的发挥主要在后期,这种水泥早期强度的增进率比矿渣水泥和火山灰水泥更低,但后期可以提高。

（2）干缩小,抗裂性强。

由于粉煤灰的吸水能力弱,拌和时需水量较小,因而干缩小、抗裂性强。

但球形颗粒保水性差、泌水较快,若养护不当易引起混凝土产生失水裂缝。

12.水泥在运输和存放过程中为何不能受潮和雨淋？

储存水泥时应注意哪些问题？

水泥受潮后因表面水化而结块,从而丧失胶凝能力,严重降低其强度。

即使在良好的储存条件下,水泥也不可储存过久,因为水泥会吸收空气中的水分和二氧化碳,缓慢水化和碳化反应,经3个月后水泥强度会降低10%～20%,6个月后会降低15%～30%,一年后会降低25%～40%。

由于水泥水化是从颗粒表面开始的,水化过程中水泥颗粒被水化产物所包裹,随着包裹层厚度的增加,反应速率会减缓。

据研究测试,当包裹层厚达25μm时,水化将终止。

因此,受潮水泥颗粒只会在表面水化,若将其重磨,可使其暴露出新表面而恢复部分活性。

对于轻微结块（能用手捏碎）的水泥,其强度降低10%～20%,这种水泥可以采取适当方式压碎后用于次要工程。

13.试述铝酸盐水泥的矿物组成、水化产物及特性,以及使用中应注意的问题。

高铝水泥的特性及应用

（1）快硬早强,早期强度增长快。

高铝水泥宜用于紧急抢修工程（筑路、修桥、堵漏等）和早期强度要求高的工程。

但高铝水泥后期强度可能会下降,尤其是在高于30℃的湿热环境下,强度下降更快,甚至会引起结构的破坏。

因此,结构工程中使用高铝水泥应慎重。

（2）水化热大,而且集中在早期放出。

高铝水泥适合于冬季施工,不能用于大体积混凝土工程及高温潮湿环境中的工程。

（3）具有较好的抗硫酸盐侵蚀能力。

这是因为其主要成分为低钙铝酸盐,游离的氧化钙极少,水泥石结构比较致密,故适合于有抗硫酸盐侵蚀要求的工程。

（4）耐碱性差。

高铝水泥与碱性溶液接触,甚至混凝土骨料内含有少量碱性化合物时,都会引起侵蚀,故不能用于接触碱溶液的工程。

（5）耐热性好。

因为高温时产生了固相反应,烧结结合代替了水化结合,使得高铝水泥在高温下仍能保持较高的强度。

高铝水泥使用时应注意的问题

（1）最适宜的硬化温度为15℃左右,一般施工时环境温度不得超过25℃,否则,会产生晶型转换,强度降低。

高铝水泥拌制的混凝土不能进行蒸汽养护。

（2）严禁高铝水泥与硅酸盐水泥或石灰混杂使用,也不得与尚未硬化的硅酸盐水泥混凝土接触作用,否则将产生瞬凝,以至无法施工,且强度很低。

（3）由于晶型转化及铝酸盐凝胶体老化等原因,高铝水泥的长期强度有降低的趋势。

如需用于工程中,应以最低稳定强度为依据进行设计。