第二篇第二章第八節(jié)水泥石的工程性質(zhì)

1、第第8節(jié)節(jié) 水泥石的工程性質(zhì)水泥石的工程性質(zhì) p強度p變形p耐久性（抗凍性、抗?jié)B性、抗腐蝕性） 第一部分第一部分 強度強度 一、強度理論一、強度理論1. 脆性材料斷裂理論脆性材料斷裂理論式中： 斷裂應(yīng)力； E彈性模量； 單位面積的材料表面能； C裂縫長度。CE22. 結(jié)晶理論 該理論認為：硬化水泥漿體是由多種形貌的C-S-H以及鈣礬石、氫氧化鈣和單硫型水化硫鋁酸鈣等晶體交織在一起形成的。它們密集連生交叉結(jié)合、接觸，形成牢固的結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)。水泥石的強度取決于結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)中接觸點的強度與數(shù)量。式中： f水泥石多孔體的強度； 結(jié)晶接觸點的強度； F斷裂面上結(jié)晶接觸點的面積。Fff fo 3. 孔隙率理論

2、孔隙率理論o f=AXAn式中： f水泥石抗壓強度； A、n經(jīng)驗常數(shù)，與水泥熟料礦物組成有關(guān)； XA膠空比，水化水泥在水泥石體積中填充的程度，XA=凝膠體的體積/（凝膠體體積+毛細孔體積）：o S=S0Xn式中： S0毛細孔隙率為零（即X=1）時的漿體強度； n實驗常數(shù)，與水泥種類以及實驗條件有關(guān)，波動于2.63.0之間。o典型的強度與膠空比曲線。（見P107圖2-2-8-1）o其它學者還提出許多強度與水泥石孔隙率的半經(jīng)驗公式。（P106）二、影響水泥石強度的因素二、影響水泥石強度的因素1. 水泥礦物組成及含量o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。C2S

3、對于后期強度貢獻大。C3A主要對極早期的強度有利，C4AF不僅對于水泥的早期強度有相當?shù)呢暙I，也有助于后期強度的發(fā)展，而且對抗折強度影響較大。2. 水灰比和水化程度o水灰比越大，產(chǎn)生的毛細孔隙越多，膠空比越小，強度越小。一般強度與水灰比之間有很好的線性關(guān)系。（圖2-2-8-4）o隨著水化程度的提高，凝膠體積不斷增加，毛細孔隙率相應(yīng)減少。3. 孔結(jié)構(gòu)o當孔隙率相等時，孔徑（指平均孔徑，以下同）小，則強度大。o孔徑隨總孔隙率降低而減小。隨著水化程度的提高，孔隙率減小，大孔減少，小孔增加，即平均孔徑減小。o水泥石中對強度最不利的影響產(chǎn)生于“工藝”孔，尤其是大孔徑。o除以上因素外，養(yǎng)護條件、拌和及成型

4、條件、齡期以及試驗方法等均影響水泥石強度的形成與發(fā)展。第二部分 變形一、彈性模量o水泥石的應(yīng)力應(yīng)變曲線在應(yīng)變較小時成線性關(guān)系，而當應(yīng)變較大時，不再成線性關(guān)系。o水泥石的彈性模量與孔隙率有很大關(guān)系。水泥石的彈性模量（動模量）E與水泥石的毛細孔（孔徑10010-10m）孔隙率P有如下關(guān)系(Helmuth和Turk )：E=E0（1-P）3 式中：E0在P=0時水泥石的彈性模量，E0大約為30000MPa。二、收縮變形二、收縮變形o水泥石的收縮變形包括化學收縮、失水收縮（干縮）、碳化收縮、徐變。o注：這部分簡單介紹，在混凝土的部分要進行詳細介紹。1.化學收縮o對于水泥水體系而言，水化后總體積要縮小。

5、o水泥熟料中各單礦物的縮減作用，無論就絕對數(shù)值或相對速度而言，大小排序如下： C3AC4AFC3SC2So水泥熟料的縮減量大小，通常與C3A的含量成線性關(guān)系。o影響：由于化學收縮作用所產(chǎn)生的孔隙，也會較大，會影響水泥石的抗凍性、抗?jié)B性以及耐久性。2. 失水收縮（干縮）o濕脹干縮定義：濕度變化所引起的混凝土體積變形濕脹干縮，主要原因是水泥石中的凝膠水和毛細孔水的變化引起的。o水泥石和混凝土的收縮行為n水泥石在水中連續(xù)浸泡，產(chǎn)生相當小的連續(xù)膨脹；n第1次干燥時，收縮最大，其收縮值有部分是不可逆的，即再次吸水不能恢復。n試驗證明：相對濕度為70%的空氣中的收縮值為水中膨脹值的6倍，相對濕度為50%，

6、為8倍。o混凝土的濕脹干縮變形重要的是干縮變形，因在約束下的收縮將導致混凝土開裂。連續(xù)浸泡連續(xù)浸泡下的濕脹下的濕脹不可逆收縮可逆收縮應(yīng)變膨脹收縮第1次干燥時間水泥石或混凝土在干濕循環(huán)下的變形行為 混凝土的干縮機理o干縮來自材料內(nèi)部水的損失，二者的關(guān)系如圖所示，收縮值隨著水的損失變化的斜率不一致。o環(huán)境濕度不同，有以下幾種不同的干縮機理：毛細張力 毛細孔和較大的凝膠孔中的自由水因大氣水蒸氣壓降低而蒸發(fā)時，表面張力增加，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，使得孔壁受壓而收縮；分離壓 水泥石中的凝膠孔中的吸附水使得孔壁間存在分離壓力(濕脹的原因),因干燥而吸附水損失時，將降低孔壁的分離壓，引起整體收縮；層間可揮發(fā)水的遷移

7、 0510152025-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0水損失對水灰比為0.5的水泥石干縮的影響變形百分率(%)水損失量（質(zhì)量百分數(shù)%)毛細水吸附水分離壓3. 碳化收縮o水泥石與二氧化碳作用產(chǎn)生的收縮稱為碳化收縮。o空氣中的二氧化碳含量雖然很低，但如果有一定的濕度，水泥石中的氫氧化鈣與二氧化碳作用，生成碳酸鈣和水，引起水泥石結(jié)構(gòu)的解體，出現(xiàn)不可逆的碳化收縮。o條件：二氧化碳的濃度；濕度。4. 徐變o水泥石的變形P112圖2-2-8-9。o徐變的機理o凝膠（包括晶體）的流變和凝膠（包括晶體）粒子間的滑移 故與凝集-結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)接觸點的性質(zhì)、晶體與凝膠的比值等有關(guān)。o水泥

8、石中凝膠水、吸附水或?qū)娱g水的轉(zhuǎn)移（如蒸發(fā)） 故徐變與干縮實際上互相促進第三部分第三部分 抗凍性及抗?jié)B性抗凍性及抗?jié)B性一、抗凍性一、抗凍性o宏觀原因：水分結(jié)冰導致體積膨脹，對于孔壁產(chǎn)生一定的膨脹壓力，導致孔壁產(chǎn)生微裂縫。o加入引氣劑可以增加抗凍性的原因：氣孔為水壓力提供了外逸的空間；氣泡在溫度降低時體積收縮，可以平衡部分水結(jié)冰造成的膨脹；壓縮的氣泡作用于凝膠體并使凝膠水向毛細孔轉(zhuǎn)移，凝膠水的轉(zhuǎn)移伴隨著體積的減小，可以平衡部分水結(jié)冰造成的膨脹。o水泥石凍融變化時體積變化曲線（P113圖2-2-8-10）：其中永久變形的累積可以認為是微裂縫的逐步的擴展。o水泥石中可以結(jié)冰的水是可蒸發(fā)水，凝膠孔中的水

9、在-78以上不會結(jié)冰。o結(jié)冰時的破壞機理：o機理一、靜水壓理論 水結(jié)冰體積增加時，未凍水被迫向外流動（即由凝膠孔向毛細孔流動），從而產(chǎn)生危害性的靜水壓力，導致水泥石破壞。o機理二、滲透壓理論 當毛細孔水部分結(jié)冰時，未結(jié)冰水中所含的堿以及其它物質(zhì)等溶質(zhì)的濃度會增大，但是凝膠孔內(nèi)的水不結(jié)冰，溶液濃度不變，因此產(chǎn)生濃度差。濃度差初始凝膠孔內(nèi)的水向毛細孔擴散，產(chǎn)生滲透壓，造成一定的膨脹壓力。o機理三、熱力學理論 當水泥石漿體處于結(jié)冰環(huán)境中時，凝膠孔中的水以過冷的液態(tài)水存在，毛細管中的水以冰的形式存在，凝膠孔中的水處于高能狀態(tài)，毛細管中的水處于低能狀態(tài)，造成了熱力學不平衡。冰和過冷水兩者熵的差別迫使過冷

10、水向毛細管遷移，這個過程會造成內(nèi)部壓力和系統(tǒng)膨脹。o抗凍性影響因素：1. 孔隙率和孔徑 孔隙率越小，孔徑越細，則抗凍性越好。2. 水泥礦物成分 C3S的含量越高，抗凍性越好（強度高），故硅酸鹽水泥的抗凍性優(yōu)于摻混合材水泥。3. 水灰比 水灰比大，抗凍性差4. 遭受冰凍前的養(yǎng)護齡期 該齡期越長，抗凍性越好。二、抗?jié)B性1. 定義：指抵抗各種有害介質(zhì)進入內(nèi)部的能力。2. 參數(shù) o 滲透系數(shù)o式中： 總孔隙率；r孔的水力半徑（孔隙體積/孔隙表面積）；液體的粘度；C常數(shù)。2rCk3. 抗?jié)B性影響因素o由滲透系數(shù)公式可以看出，主要是孔隙率和孔徑（如主要是毛細孔影響抗?jié)B性，而凝膠孔由于孔徑小基本不影響抗?jié)B性

11、）。另外，還包括孔的連通程度（主要是毛細孔的連通程度）。o其它因素的影響均通過影響孔來影響抗?jié)B性。如水灰比、硬化齡期等都影響抗?jié)B性。第四部分 水泥石的腐蝕與防止 o水泥石的腐蝕：在某些環(huán)境條件（如受到某些侵蝕性液體或氣體的作用）下，引起水泥石的結(jié)構(gòu)逐漸破壞，強度降低，以致全部潰裂的現(xiàn)象稱為水泥石的腐蝕。o水泥石的抗腐蝕性能可用耐蝕系數(shù)表示: 耐蝕系數(shù)：以同一齡期的分別浸在侵蝕性溶液中的水泥石試件強度與在淡水中養(yǎng)護的試件強度的比值來表示。 耐腐蝕系數(shù)越大，水泥石的抗腐蝕性能也就越好。o水泥石腐蝕的原因很多，作用也很復雜，主要有軟水腐蝕、鹽類腐蝕、酸類腐蝕、強堿腐蝕等。 o水泥中堿性物質(zhì)：Ca(O

12、H)2、水化鋁酸鈣。（一）水泥石的幾種主要侵蝕作用1.軟水腐蝕（溶出性侵蝕）軟水腐蝕（溶出性侵蝕）p雨水、雪水、蒸餾水、工業(yè)冷凝水及含碳酸鹽很少的河水與湖水等都屬于軟水。 p水泥與軟水接觸水化產(chǎn)物氫氧化鈣被溶出不斷溶解流失孔隙增大，堿度下降并促使硬化水泥石的其它產(chǎn)物（如水化鋁酸鈣、水化硅酸鈣）分解使水泥石結(jié)構(gòu)遭受破壞。p在堿度較低時，水化硅酸鈣分解成氫氧化鈣和硅酸凝膠。pP116表2-2-8-7。2.鹽類腐蝕鹽類腐蝕（1）硫酸鹽腐蝕）硫酸鹽腐蝕p當海水、沼澤水、工業(yè)污水等中含有堿性硫酸鹽（如Na2SO4、K2SO4等）時，其中的水泥石還會受到硫酸鹽的侵蝕。Ca(OH)2 +硫酸鹽硫酸鹽CaSO

13、4p硫酸鈣亦能與水泥石中的固態(tài)水化鋁酸鈣作用，生成高硫型水化硫鋁酸鈣晶體。4CaOAl2O312H2O+3CaSO4+20H2O3CaOAl2O33 CaSO431H20+Ca(OH)2p反應(yīng)是在固相中進行的反應(yīng)是在固相中進行的高硫型高硫型水化硫鋁酸鈣結(jié)合著大量結(jié)晶水水化硫鋁酸鈣結(jié)合著大量結(jié)晶水其體其體積膨脹為原來的水化鋁酸鈣體積的積膨脹為原來的水化鋁酸鈣體積的2.5倍倍水泥石產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力水泥石產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力水水泥石開裂、強度降低和造成破壞。泥石開裂、強度降低和造成破壞。 （2）鎂鹽腐蝕）鎂鹽腐蝕 海水、地下水中常含有大量鎂鹽 硫酸鎂 (MgSO4) 氯化鎂(MgCl2)MgSO4十十C

14、a(0H)2十十2 H20 CaSO42 H20十十Mg(0H)2(3CaOAl2036 H20十十3（CaSO42 H20）十十19 H20 3CaOAl2033CaSO431 H20 )MgCl2十十Ca(0H)2CaCl2十十Mg(0H)2p反應(yīng)的結(jié)果： 氫氧化鎂（Mg(0H)2）松軟而無膠凝能力 二水硫酸鈣（Ca SO42H20）又將引起硫酸鹽的破壞作用 氯化鈣（CaC12）易溶解于水 均能使水泥石強度降低或破壞。p硫酸鎂對水泥石起著硫酸鹽和鎂鹽的雙重腐蝕作用。 3.3.酸類腐蝕酸類腐蝕（1）碳酸腐蝕）碳酸腐蝕p在工業(yè)污水、地下水中常溶解有較多的二氧化碳p二氧化碳與水泥石中的氫氧化鈣反

15、應(yīng)生成碳酸鈣繼續(xù)與含碳酸的水作用變成易溶于水的碳酸氫鈣（Ca（HCO3）2），由于碳酸氫鈣的溶解使Ca（0H）2濃度降低，導致水泥石中其它產(chǎn)物的分解，而使水泥石結(jié)構(gòu)破壞。開始：Ca（0H）2十十C02十十H20CaC03十十2 H20然后：CaC03十十C02十十H20 Ca（HCO3）2p可逆的，當碳酸超過平衡濃度（溶液中的pH7）時，則上式反應(yīng)向右進行，形成碳酸腐蝕。 （2）一般酸的腐蝕（）一般酸的腐蝕（HCl、H2SO4）p在工業(yè)廢水、地下水、沼澤水中常含無機酸和有機酸；工業(yè)窯爐中的煙氣常含有二氧化硫，遇水后生成亞硫酸。p各種酸類與水泥石中的氫氧化鈣作用生成化合物或者易溶于水，或者體積膨

16、脹而導致水泥石破壞。p對水泥石腐蝕作用最快的是無機酸中的鹽酸、氫氟酸、硝酸、硫酸和有機酸中的醋酸、蟻酸和乳酸等。例如，鹽酸和硫酸分別與水泥石中氫氧化鈣作用，其反應(yīng)式如下：2HCl十Ca(0H)2CaCl2十2H20 氯化鈣易溶于水而導致化學腐蝕型破壞H2SO4十Ca(0H)2CaSO42H20 石膏對水泥石產(chǎn)生硫酸鹽膨脹型破壞。4.4.強堿腐蝕強堿腐蝕 p 堿類溶液如濃度不大時一般是無害的，但鋁酸鹽含量較高的硅酸鹽水泥遇到強堿作用后也會破壞。（1）氫氧化鈉可與水泥熟料中未水化的鋁酸鹽作用，生成易溶的鋁酸鈉，其反應(yīng)式為： 3CaO Al2O3十十6NaOH3Na2OAl2O3十十3Ca(0H)2

17、（2）當水泥石被氫氧化鈉溶液浸透后又在空氣中干燥，與空氣中的二氧化碳作用生成碳酸鈉 2NaOHCO2 Na2CO3H20 碳酸鈉在水泥石毛細孔中結(jié)晶沉淀，可使水泥石脹裂。 o銨鹽腐蝕：o以硝酸銨為例：o硝酸銨潮解后, 與水泥中的CaCO3、Ca ( OH) 2、CaO 作用生成硝酸鈣, 并釋放出氨氣和CO2。CaCO3+ 2NH4NO3= Ca(NO3) 2+ 2NH3+ CO2+ H2OCa(OH)2+ 2NH4NO3= Ca(NO3 )2+ 2NH3+ 2H2OCaO+ 2NH4NO3= Ca(NO3)2+ 2NH3+ H2Oo在25時還會繼續(xù)進行如下反應(yīng):Ca(OH)2+ Ca(NO3)

18、2 + 2H2O= Ca2N2O33H2O+ 2O2o上述反應(yīng)生成的硝酸鹽易被水溶解沖散, 在水流的影響下, 將使水泥砂漿、混凝土不斷溶蝕,孔隙增大, 強度下降, 導致破壞。o課本上對于水介質(zhì)對于水泥石的侵蝕作用分類課本上對于水介質(zhì)對于水泥石的侵蝕作用分類o第一類侵蝕：溶出侵蝕（淡水侵蝕） 將已硬化的水泥石中的固相組分逐漸溶解帶走，使水泥石結(jié)構(gòu)遭受破壞。o第二類侵蝕：離子交換侵蝕（包括碳酸、有機酸及無機酸、鎂鹽等的侵蝕） 水泥石的組分與水介質(zhì)發(fā)生了離子交換反應(yīng)，反應(yīng)生成物或者是容易溶解的物質(zhì)為水帶走，或者是生成了一些沒有膠結(jié)能力的無定型物質(zhì)，破壞了原有水泥石的結(jié)構(gòu)。o第三類侵蝕：硫酸鹽侵蝕。 在混凝土土內(nèi)部孔隙內(nèi)生城難溶的鹽類，這些鹽類結(jié)晶逐漸積累長大，體積增加，會使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生有害的內(nèi)應(yīng)力。o環(huán)境水侵蝕分級oP118表2-2-8-9和2-2-8-10。（二）水泥石腐蝕的原因及防止措施1. 水泥石腐蝕的基本原因內(nèi)因：水泥石中存在有引起腐蝕的組成成分氫氧化鈣和水化鋁酸鈣；水泥石本身不密實，有很多毛細孔通道，侵蝕性介質(zhì)易進入其內(nèi)部； 外因 ：外界存在腐蝕性介質(zhì)和條件。2.