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硅酸盐水泥的性能分析

昆明工业职业技术学院

毕业论文

题目：

　　　硅酸盐水泥的性能分析　　　　　　　　　　　

姓名：

赵华庚　

系　　部：

材料工程技术　

班级：

材料工程

（1）班　　　　　　　

学号：

2009216003　　　　　　　

指导教师：

尹春晓　

2011年11月08日

硅酸盐水泥的性能分析

目录

摘要……………………………………………………………………1

关键词…………………………………………………………………1

硅酸盐水泥的凝间……………………………………………………1

凝结速度………………………………………………………………1

假凝现象………………………………………………………………2

调凝外加剂……………………………………………………………2

缓凝剂…………………………………………………………………3

促凝剂…………………………………………………………………3

硅硅酸盐水泥的强度…………………………………………………4

强度的产生与发展……………………………………………………4

影响水泥强度的因素…………………………………………………4

熟料的矿物组成………………………………………………………4

水泥细度………………………………………………………………5

施工条件………………………………………………………………5

硅酸盐水泥的体积变化和水化热……………………………………6

化学缩写………………………………………………………………6

湿胀干缩………………………………………………………………7

碳化收缩………………………………………………………………7

硅酸盐水泥的耐久性…………………………………………………9

抗渗性…………………………………………………………………9

抗冻性…………………………………………………………………9

环境介质的侵蚀………………………………………………………9

耐久性的改善途径……………………………………………………10

总结……………………………………………………………………11

致谢词…………………………………………………………………12

参考文献………………………………………………………………13

摘要：

硅酸盐水泥在现代建筑工程中主要用以配制砂浆、混凝土和生产水泥制品，随着国民经济的不断发展，水泥作为大量应用的工程材料，研究和改善其性能，对于发展水泥品种、提高建筑效率、改善工程质量都具有十分重要的意义。

硅酸盐水泥的性能包括：

物理性能，如密度细度等，建筑性能，如凝结时间、强度、体积变化和水化热、耐久性等。

关键词：

凝结时间，强度，水化热，耐久性

1.硅酸盐水泥的凝结时间

水泥浆体的凝结时间，对于建筑工程的施工具有十分重要的意义。

水泥浆体的凝结可分为初凝和终凝。

初凝表示水泥浆体失去流动性和部分可塑性，开始凝结终凝则表示水泥浆体逐渐硬化，完全失去可塑性，并具有一定的机械强度、能抵抗一定的外个来压力。

从水泥加水拌合到水泥初凝所经历的时间称为“初凝时间”，到终凝所经历的时间称为“终凝时间”。

根据中国水泥标准GB175-1999规定，硅酸盐水泥初凝不得早于45min,终凝不得迟于390min。

1.1凝结速度

水泥凝结时间的长短决定于其凝结速度的快慢。

从水泥的水化硬化过程可知，水泥加水拌合后熟料矿物开始水化，熟料中各矿物28d的水化速度大小顺序为C3A＞C3S＞C4AF＞C2S，并产生各种水化物，C3S与C2S水化生成C-S-H凝胶和Ga（OH）2,C3A与C4AF在石膏作用下，根据石膏掺量的不同可分别水化生成三硫型水化硫铝（铁）酸钙（AFt）、单硫型水化硫铝（铁）酸钙（AFm）和C4AH13固溶体。

随着水化作用的继续进行，水化产物逐渐长大增多并初步联接成网，逐渐失去流动性和可塑性而凝结。

所以，凡是影响水化速度的各种因素，基本上也同样影响水泥的凝结速度，如熟料矿物组成、水泥细度、水灰比、温度和外加剂等。

水泥的凝结速度与熟料矿物水化有关，又与各矿物的含量有关。

决定凝结速度的矿物为C3A和C3S，快凝是由C3A造成的，而正常凝结则是受C3S的制约的。

事实上，水泥的凝结速度还与矿物和水化产物的形态结构有关系。

实验证明，即使化学组成和表面积完全相同的水泥，由于煅烧制度的差异认可是熟料结构有所不同，凝结时间也将发上相应的变化。

与此同时，温度的变化也会影响水泥的凝结速度。

温度升高水化加快凝结时间缩短，反之凝结时间会延长。

总之，影响水泥凝结快慢的因素是多方面的，但主要还是C3A的影响，因此在生产上都是掺入石膏来控制水泥的凝结时间。

1.2假凝现象

假凝是指水泥的一种不正常的早期固化或过早变硬现象。

在水泥用水拌合的几分钟内，物料就显示凝结。

假凝和快凝是不同的，前者放热量极微，而且经剧烈搅拌后，浆体又可恢复塑性，并达到正常凝结，对强度并无不利影响；而快凝或闪凝往往是由于缓凝不够所引起的，浆体已具有一定强度，重拌并不能使其再具塑性。

实践表明，假凝现象在掺有混合材料的水泥中很少产生。

实际生产时，为了防止所掺的二水石膏脱水，在水泥粉磨时常采用必要的降温措施。

还应尽量采用无水硫酸钙含量较高的石膏，将水泥适当存放一段时间，或者在制备混泥土时延长搅拌时间等，也可以消除假凝现象的产生。

1.3调凝外加剂

除石膏外，还有许多无机盐或有机化合物，能够影响硅酸盐水泥的凝结过程，它们均可作为调节凝结时间的外加剂，通常有缓凝剂和促凝剂（早强剂）两种。

1.3.1缓凝剂

缓凝剂是用来延长凝结时间，使新拌混泥土浆体较长时间保持塑性，以便满足较长时间运输的需要，提高施工效率的外加剂。

可以应用的有几缓凝剂有：

木质素磺酸盐、羟基羌酸及其盐、多元醇及其衍生物、糖类及碳水化合物、按沿河氨酸等；无机缓凝材料包括：

硼砂，氯化锌，碳酸锌、铁、通、锌和鎘的硫酸盐、磷酸盐和偏磷酸盐等由于其缓凝作用不稳定，因此不常使用，他们的作用机理在于在水泥颗粒表面形成难溶性膜，阻碍水泥水化过程。

1.3.2促凝剂

促凝剂是减少水泥浆由塑性变为固态所需时间的外加剂。

在施工过程中，有时要求水泥浆体较快的凝结和硬化，或者要求较高的早期强度。

在低温气候条件下要求加速水泥水化和硬化。

这些场合需要促凝剂。

可以应用的无极促凝剂有：

铵盐、碳酸盐、硅酸盐、氟硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、硫代硫酸盐等或者氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化铵等。

其中最常用的是氯化钙。

通常认为，虽然绝大部分无机电解质有促进C3S水化的作用，但其中尤以可溶性的盐最为有效。

其主要作用是能使液相提早达到必须的Ca（OH）2过饱和度，从而加快Ca（OH）2的结晶析出，缩短诱导期。

值得注意的是，有些外加剂在掺量改变时会起相反作用，如缓凝剂，在一定掺量时缓凝，超量则凝结加速。

还有，加有缓凝剂的水泥，凝结延迟，早期强度的发展变慢，而后期强度反而有所增加；而加有促凝剂的水泥，常兼有块硬早强的特性，但最终强度却又会低于正常硬化下的强度。

为了克服对后期物理性质的不利影响，往往采用无机盐与有机表面活性剂或聚合物电解质组成的复合外加剂。

2.硅酸盐水泥的强度

水泥的强度是评价水泥质量的重要指标，是划分强度等级的依据。

通常按龄期将28d以前的强度称为早期强度；28d及以后的强度称为后期强度。

水泥强度及其发展与很多因素有关，如熟料的矿物组成、水泥细度、水灰比、养护温度、石膏掺量以及外加剂等。

2.1强度的产生与发展

有关硬化水泥强度的产生，存在这不同的说法。

一种说法认为，水泥加水拌合后熟料矿物迅速水化，随着水化的进一步进行，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。

另一种看法认为，硬化水泥浆体强度的产生，是由于水化产物尤其是C-S-H凝胶素具有的巨大表面能，导致克里产生范德华力或化学键力，吸引其他离子形成空间网络结构，从而具有强度。

2.2影响水泥强度的因素

影响水泥强度的因素非常复杂，而且涉及很广，有些机理目前还缺乏确切的结论，仍有待进一步研究。

2.2.1熟料的矿物组成

在硅酸盐水泥熟料中，四种主要矿物C3S、C2S、C3A、C4AF每一种都已单独的相存在，并在水化反应中显示各自不同的特性。

因此，矿物组成及其相对含量对水泥的水化速度、水化物的形态和尺寸有决定性影响，对水泥强度的形成和发展有着至关重要的作用。

可以说，矿物组成是是水泥中期强度、强度增长速度和后期强度高低最为重要的影响因素。

作为调凝集加入的石膏，也能改变水泥的强度。

石膏对强度的影响受细度、C3A含量和碱含量等因素控制当加入适量的石膏时，有利于提高水泥的强度，特别是早期强度，但石膏加入量过多时，则会使水泥产生体积膨胀而使强度降低。

应该注意的是，水泥的强度并非是几种矿物强度的简单加和，还与各种矿物之间的比例、煅烧条件、结构形态、微量元素存在着一定的关联。

因此，必须把各种影响因素综合考虑，否则将直接影响水泥的强度。

2.2.2水泥细度

水泥细度对强度和强度增长速度也有着十分重要的影响。

水泥越细，颗粒分布范围越窄越均匀，其水化速度越快，而且水化更为完全，水泥的强度尤其是早期强度越高。

适当增大水泥细度，还能改善浆体泌水性、和易性和黏结力等。

而且颗粒水泥只能在表面水化，未水化部分只起填充作用。

不同细度的水泥水化活性不同，但是水泥越细标准稠度需水量越大，增大了硬化浆体结构的孔隙率，从而引起强度下降。

因此，水泥细度只有在一定范围内强度才能最高。

2.2.3施工条件

水泥石结构的强度预期施工过程密切相关在施工过程中，水灰比、颗粒级配、搅拌振捣的程度、养护温度及是否采用外加剂等对强度都有很大影响。

①水灰比及密实程度

水泥的水化越高，单位体积内水化产物就越多，水泥浆体内毛细孔被水化产物填充的程度就高，水泥浆体的密实程度也就高些。

事实上，水灰比是孔隙率的一个量度，在水泥组成和细度相同的情况下，水灰比与强度之间的关系，和孔隙率与强度之间的关系相类似

②养护温度

在水泥水化过程中，提高养护温度（即水化的温度），可以使早期强度得到较快发展，但后期强度特别是抗折强度反而会降低。

应该注意的是，在提高养护温度的同时，必须使浆体保持湿润，否则水化将可能停止。

为防止强度下降，一般在浆体蒸压时掺假适量硅质材料，如细石英砂或粉煤灰等。

③外加剂

在现代建筑工程中，几乎绝大部分混凝土及其制品中都采用外加剂。

根据需要采用适当的外加剂对水泥石结构的强度也会有一定的影响。

如采用掺入量适当品种与掺量的减水剂，可使水灰比大幅度减小到0.25，稳定的促进强度的增长；采用早强剂可大幅度调高早期强度；而采用另外一些外加剂如引气剂、膨胀剂、速凝剂等则会引起后期强度的降低，固在使用时应严格控制其掺加量。

3.硅酸盐水泥的体积变化和水化热

3.1.1化学缩写

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，而水泥浆体的体积却在不断缩小，由于这种减缩是化学反应所致，故称化学减缩。

水泥水化后固相体积总是大大增加，即填充原来体系中水所占的部位，使硬化浆体变得更加致密，因而导致整个体系产生体积减缩现象当硬化过程在空气中进行时，会引起外表体积收缩，同时在体系内产生气孔。

由于化学减缩是水泥水化反映的结果，所以可以利用化学减缩来间接说明水泥的水花速度和水化程度。

在一定龄期内化学减缩越大，说明水化速度越大，水化程度越高。

同时化学减缩作用带来的孔隙数量也是相当大的。

不过，随着水化作用的进展，化学减缩虽在相应增加，但固相体积的大幅度增长，填充了大部分孔隙，总孔隙率还是在不断减少的。

3.1.2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，期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。

干燥与失水有关，但二者没有线性关系。

关于干燥引起收缩的确切原因，目前尚有不同看法，一般认为与毛细孔张力、表面张力、拆散压力及层间水的变化等因素有关。

在实际生产中，应适当降低水灰比，并加强养护，以减少干缩。

3.1.3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会与空气中的二氧化碳反应造成硬化浆体的体积减少，出现不可逆的收缩现象称为碳化收缩。

通常在大气中，实际的碳化速度很慢，而且仅限于表面进行，大约在1年后才会在硬化水泥浆体表面产生微裂缝，只影响其外观质量，对强度并没有不利影响。

综上所述，引起硬化水泥浆体体积变化的因素是多方面的。

在生产应用中，不论是膨胀还是收缩，最重要的是体积变化的均匀性，如果水泥形成的固相发生局部的不均匀膨胀，则会引起硬化浆体结构破坏，造成安定性不良但如控制得当，所增加的固相体积恰能使水泥浆体产生均匀的膨胀，反而有利于水泥石结构变得更加致密，提高其强度，相应改善抗冻、抗渗等性能；甚至还可以利用其作为膨胀组分，称为配置各种膨胀水泥的基础。

3.2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，不致因环境温度过低而使水化太慢，影响施工进度。

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，使其内部温度升高，导致混凝土结构内外温差较大而产生应力，致使混凝土结构不均匀膨胀而产生裂缝，给工程带来严重的危害。

所以，水化热是大体积混凝土工程一个重要的使用性能，如何降低水化热，是提高大体积混凝土质量的重要举措之一。

水泥水化放热的时间很长，但大部分热量是在3d以内，特别是在水泥浆发生凝结、硬化的初期放出。

由此可知调整熟料矿物组成是配置地热水泥的基本措施。

4.硅酸盐水泥的耐久性

硅酸盐水泥硬化后，在通常的适用条件下一般可以有较好的耐久性。

影响耐久性的因素虽然很多，但抗渗性、抗冻性以及对环境介质的抗蚀性事衡量硅酸盐水泥耐久性的三个主要方面

4.1抗渗性

因为绝大多数的有害流动水、溶液、气体等介质，无不是从水泥浆体或混凝土中德孔隙渗入的，而抗渗性就是抵抗各种有害介质进入内部的能力，所以提高抗渗性是改善耐久性的一个有效途径。

另外，水泥构建筑物以及储油罐、压力管、蓄水塔等工程对抗渗性更有一定的使用要求。

值得注意的是，在实验室条件下虽然能够制得抗渗性很好的硬化浆体，但实际使用的砂浆、混凝土，其渗透系数要大得多。

这是因为砂、石等集料界面上存在着过渡的多孔区。

集料越粗影响越大。

如果浆体先经干燥后受湿，渗透系数要增加。

特别是集料界面上的开裂对混凝土的影响更为明显。

所以，混凝土的抗渗性仍然是一个值得重视的问题。

4.2抗冻性

抗冻性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。

硬化水泥浆体中水的存在形式有：

化合水、吸附水、自由水三种，其中化合水不会结冰，吸附水只能在极低温度下（如-78℃）下才能结冰，只有自由水才会结冰但就一般混凝土而言在-30℃时毛细孔谁就能完全结冰所以在寒冷地区，混凝土常会受冻而开裂

另外，在地温下施工时，采用适当的养护保温措施，防止过早受冻，或在混凝土中掺加引气剂，使水泥石内形成大量分散极细的气孔，也是提高抗冻性的重要途径。

4.3环境介质的侵蚀

硬化的水泥浆体与环境接触时，通常会受到环境介质的影响。

对于水泥耐久性有害的环境介质主要有淡水、酸和酸性水、硫酸盐溶液和碱溶液等。

在环境介质的侵蚀作用下，硬化的水泥石结构会会发生一系列物理化学变化，降低温度，甚至匮竭破坏。

淡水侵蚀又称溶出寝室，它是指硬化水泥浆体受淡水侵析时，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；酸和酸性水侵蚀又称荣析和化学溶解双重侵蚀，这是指硬化水泥浆体与酸性溶液接触时其化学组分就会直接溶惜或与酸发生化学反应形成易容物质被水带走，从而导致结构破会的现象；硫酸盐侵蚀又称膨胀侵蚀，它是指介质溶液中的硫酸盐与水泥石组分反应形成钙矾石而产生结晶压力，造成膨胀开裂，破坏硬化浆体结构的现象。

4.4耐久性的改善途径

由上述讨论可知，影响水泥混凝土耐久性的因素有很所方面。

为了提高混凝土的耐久性，在使用水泥是，首先要考虑使用的环境条件，采用适当组成的水泥，量材为用，从根本上提高混凝土的耐久性；配置混凝土时，要精心设计，采取合理的配比，尽量降低水灰比，并考虑适宜的施工方案，加强搅拌、振捣、养护等，提高混凝土的致密度，以提高其强度尤其是早期强度；改善孔径分布，防止侵蚀介质深入内部；并考虑使用合适的外加剂，改善混凝土的性能，在特殊情况下，还可以利用其它材料，进行表面处理以弥补水泥混凝土本身的不足。

总结

硅酸盐水泥在现代建筑工程中主要用以配制砂浆、混凝土和生产水泥制品，随着国民经济的不断发展，水泥作为大量应用的工程材料，研究和改善其性能，对于发展水泥品种、提高建筑效率、改善工程质量都具有十分重要的意义。

硅酸盐水泥的性能包括：

物理性能，如密度细度等，建筑性能，如凝结时间、强度、体积变化和水化热、耐久性等。

致谢

本人的论文是在我的导师尹老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。

她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。

从课题的选择到项目的最终完成，尹老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。

在此谨向温老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

在此，我还要感谢在一起愉快的度过大学生活的每个可爱的同学们和尊敬的老师们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

谢谢你们！

姓名：

赵华庚

2011年11月08日

参考文献

[1]肖争鸣等.水泥工艺技术.北京:

化学工业出版社，2006

[2]戴金辉等.无机非金属材料概论.哈尔滨：

哈尔滨工业大学出版社，2004

[3]雷元春等.硅酸盐材料理化性能检测.武汉：

武汉理工大学出版社，2010

[4]张云洪等.生产质量控制.武汉：

武汉理工大学出版社，2002