§7.2 强度
一、强度的产生和发展
水泥加水拌和后，熟料矿物迅速水化，生成大量的水化产物C-S-H凝胶，并生成Ca(OH)2 及钙钒石(AFt)晶体；经过一定时间以后，C-S-H也以长纤维晶体从熟料颗粒上长出，同时钙钒石晶体逐渐长大，在水泥浆体中相互交织联结，形成网状结构，从而产生强度。随着水化进行，水化产物数量不断增加，晶体尺寸不断长大，从而使硬化浆体结构更为致密，强度逐渐提高。
二、影响强度的因素
1.熟料的矿物组成
单矿物净浆抗压强度 MPa
矿物 C3S 7d 28d 180d 365d 57.30 31.90 0 58.30 31.60 45.70 50.20 18.90 β-C2S 2.35 4.12 C3A C4AF 11.60 12.20 0 29.40 37.70 48.30
2.水泥细度
<1um：搅拌中就完全水化，对强度无益；增加需水量，降低浇筑性能。 1～3um：可提高3d强度，但增加需水量。
3～32um：决定28d强度，含量越高越好；强度富余大，可增加混合材掺量。 32～65um：对强度有贡献，但贡献率低。
>65um：只起骨架作用；含量增加，泌水性增大。 要求：水泥细度合适，级配合理
3.施工条件
§7.3 体积变化与水化热 一、体积变化
硬化水泥浆体的体积变化也是一项非常重要的性能指标。由于浆体中生成了各种水化产物以及反应前后湿度、温度等外界条件的改变，硬化水泥浆体必然会发生一系列的体积变化。如化学减缩，湿胀干缩和碳化收缩等。
1.体积安定性
2.化学减缩
水泥在水化硬化过程中，无水的熟料矿物转变为水化产物，固相体积大大增加，而水泥浆体的总体积却在不断缩小。由于这种体积减缩是化学反应所致,故称为化学减缩。
3.湿胀干缩
硬化水泥浆体的体积随其含水量而变化。浆体结构含水量增加时，其中凝胶粒子由于分子吸附作用而分开，导致体积膨胀，如果含水量减少，则会使体积收缩。湿胀和干缩大部分是可逆的。
4.碳化收缩
在一定的相对湿度下，硬化水泥浆体中的水化产物如Ca(OH)2、C-S-H等会与空气中的CO2作用，生成CaCO3和H2O，造成硬化浆体的体积减少，出现收缩现象，称为碳化收缩。
二、水化热
水泥的水化热是由各种熟料矿物与水作用时产生的。在冬季施工中，水化放热能提高水泥浆体的温度，有利于水泥正常凝结。但在大体积混凝土工程中，水化放出的热量聚集在混凝土内部不易散失，导致混凝土结构内外温差较大而产生应力，致使混凝土不均匀膨胀而产生裂缝，给工程带来严重的危害。
? 思考题：
? 1. 水泥的假凝现象是怎样产生的？如何避免？ ? 2.假凝和快凝有何异同？
? 3.影响水泥强度的因素有哪些？ ? 4.降低水泥水化热可采取哪些措施？
§8 硅酸盐水泥的耐久性
一、抗渗性
抗渗性是指硬化水泥石或混凝土抵抗各种有害介质渗透的能力。 硬化水泥浆体的抗渗性一般用渗透系数k来表示。
?r2 K?C?式中 ε-总孔隙率；
r-孔的水力半径(孔隙体积/孔隙表面积)； η-流体的粘度； C-常数。 可见，渗透系数K正比于孔隙半径的平方，与总孔隙率却只有一次方的正比关系。抗渗性主要与其孔隙率的大小及孔隙特征有关。水灰比是影响水泥石（混凝土）抗渗性能的重要因素。水灰比过大，泌水量就增多，泌水过程中形成许多毛细孔通道，压力液体将顺着这些通道渗入水泥石（混凝土）内部。当环境水中含有侵蚀性介质时，水泥石（混凝土）就容易受到侵蚀作用而引起破坏；对于钢筋混凝土，还容易因密实性差而引起钢筋锈胀，破坏钢筋的保护层，带来更严重的后果。
除降低水灰比外，还可以改变孔级配、变大孔为小孔以及尽量减小连通孔等途径来提高抗渗性，达到改善耐久性的目的。
二、抗冻性
抗冻性是指水泥石（混凝土）在水饱和状态下，经过多次冻融循环不破坏，强度也不严重降低的性能。它也是硬化水泥浆体的一项重要使用性能。硅酸盐水泥在寒冷的地区使用时，其耐久性主要取决于抵抗冻融循环的能力。据研究，寒冷地区的冻融循环对混凝土尤其是港口混凝土的破坏作用是相当严重的。
水泥的抗冻性一般是以试块能经受-15℃和20的循环冻融而抗压强度损失率小于25%时的最高冻融循环次数来表示，如200次或300次冻融循环等。次数越多说明抗冻性越好。
水泥石（混凝土）的抗冻性与其孔隙率及孔隙特征、强度、耐水性等因素有关。由于水泥石（混凝土）内部存在连通或不连通的孔隙(这些孔隙是渗水的途径)，当水泥石（混凝土）处于饱和状态并遇到正负气温交替变化时，就会出现冻融现象。随着冻融循环次数的增多，必使水泥石（混凝土）开裂甚至遭受破坏。由此可见，水泥石（混凝土）的密实度是直接影响水泥石（混凝土）的抗渗性和抗冻性的主要因素。也是水泥石（混凝土）耐久性的重要指标。提高水泥石（混凝土）的密实度，可显著提
高水泥石（混凝土）的抗渗性能。提高抗渗性又是提高抗冻性的必要条件。 孔结构对浆体的抗冻性也很重要。在混凝土中掺用引气剂，使其形成大量分散的极细气孔，是目前提高抗冻性最为有效的一个措施。
三、环境介质的侵蚀
对于水泥耐久性有害的环境介质主要为:淡水、酸和酸性水、硫酸盐溶液和碱溶液等。影响侵蚀过程的因素很多，除了水泥品种和熟料矿物组成以外，还与硬化浆体或混凝土的密实度、抗渗性以及侵蚀介质的压力、流速、温度的变化等多种因素有关，而且又往往有数种侵蚀作用同时并存，互相影响。
1.淡水侵蚀
又称溶出侵蚀，它是指硬化水泥浆体受淡水浸析时，其组成逐渐被水溶解并在水流动时被带走，最终导致水泥石结构破坏的现象。
Ca(OH)2首先被溶解，其次是高碱性的水化硅酸盐、水化铝酸盐等分解而成为低碱性的水化产物。如果不断浸析，最后会变成硅酸凝胶、氢氧化铝等无胶结能力的产物。不过，对于抗渗性良好的硬化浆体或混凝土，淡水溶出过程的发展一般是很慢的。 2. 离子交换反应 ⑴ 形成可溶性钙盐
如盐酸等酸性水。 ⑵ 形成不溶性钙盐
如草酸、酒石酸、氢氟酸以及磷酸等，与浆体中的Ca(OH)2反应，所形成的就是不溶又不膨胀的钙盐，不会引起破坏。 ⑶ 镁盐侵蚀
氯化镁、硫酸镁或碳酸氢镁等镁盐，会与硬化浆体中的Ca(OH)2形成可溶性钙盐，析出氢氧化镁。在长期接触的条件下，水化硅酸钙凝胶中的Ca2+离子逐渐被Mg2+离子所置换，最终转化成水化硅酸镁，导致胶结性能下降。
3. 形成膨胀性产物 ⑴ 硫酸盐侵蚀
主要是由于硫酸钠、硫酸钾等多种硫酸盐都能与浆体所含的氢氧化钙作用生成硫酸钙，再和水化铝酸钙反应而生成钙矾石，从而使固相体积增加，产生相当的结晶压力，造成膨胀开裂以至毁坏。 ⑵ 盐类结晶膨胀
四、碱－集料反应
碱－集料反应是指水泥石（混凝土）孔溶液中所含的碱（Na2O和K2O）与集料的活性成分（微晶质或非晶质SiO2等），在潮湿条件下逐渐发生化学反应，反应产物体积
膨胀，导致水泥石（混凝土）开裂的现象。
类型 目前公认的有以下三种： ⑴ 碱－硅酸反应（ASR） ⑵ 碱－硅酸盐反应
⑶ 碱－碳酸盐反应（ACR） 反应条件
发生碱－集料反应必须具备三个条件：一是在混凝土中存在着一定数量的活性集料；二是在混凝土中存在着一定数量的碱；三是存在着水。
五、耐久性的改善途径
1. 提高密实性、改善孔结构 2.改变熟料矿物组成
降低熟料中铝酸三钙、相应增加铁铝酸钙的含量，可以提高水泥的抗硫酸盐能力。在煅烧熟料后采用急速冷却，增加玻璃体含量，对水泥的抗硫酸盐性会有不同的影响。如氧化铝含量高的水泥采用急冷提高抗硫酸盐性能；含氧化铁高的水泥，急冷反要使抗蚀性变差。 3. 掺加混合材料
4.表层处理或涂覆
? 思考题：
? 1.如何提高水泥抗渗性？ ? 2.如何提高水泥抗冻性？
? 3.侵蚀的类型有哪些？试述每一种侵蚀的原因
? 4. 何谓碱－集料反应？如何避免或减轻碱－集料反应？
水泥工艺学教案
