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1、第八章第八章 硅酸盐水泥的耐久性硅酸盐水泥的耐久性本章主要内容本章主要内容 抗渗性抗渗性 抗冻性抗冻性 环境介质的侵蚀环境介质的侵蚀 碱碱-集料反应集料反应 耐久性的改善途径耐久性的改善途径 耐久性:硬化水泥石结构在确定环境条件下长期保持稳定质量和运用功能的性质称为耐久性。耐久性的因素:抗渗性 抗冻性 对环境介质的抗蚀性 碱集料反应等。9.1抗渗性抗渗性一一.定义：硬化水泥石或混凝土反抗各种有害定义：硬化水泥石或混凝土反抗各种有害介质进入内部的实力。介质进入内部的实力。有害介质主要有：有害介质主要有：流淌水、溶液、气体等流淌水、溶液、气体等 渗水速率：式中：渗水速率（mm3/s）；A试件的横截
2、面面积（mm2）；h作用于试件两侧的水压差（mm水柱）；L试件厚度（mm）；k渗透系数（mm/s）。由上式可知，当试件尺寸和两侧水压差确定时，渗水速率和渗透系数成正比，所以，常用渗透系数k表示抗渗性的凹凸。渗透系数：渗透系数：式中式中 -总孔隙率；总孔隙率；-孔的水力半径；孔的水力半径；-流体的粘度；流体的粘度；-常数。常数。二二.影响抗渗性因素：影响抗渗性因素：孔径尺寸：孔径尺寸：空隙率：空隙率：可见，渗透系数主要确定于毛细可见，渗透系数主要确定于毛细孔率的大小，尤其是大毛细孔。孔率的大小，尤其是大毛细孔。水灰比：见下图水灰比：见下图 水灰比越大，孔隙率越大，孔径尺寸水灰比越大，孔隙率越大，
3、孔径尺寸越大，渗透系数越大。越大，渗透系数越大。一般认为，水灰比在一般认为，水灰比在0.50.5以下时，硬化以下时，硬化水泥浆体的抗渗性较好。水泥浆体的抗渗性较好。水化龄期：水化龄期：渗透系数随龄期越小。渗透系数随龄期越小。返回三三.提高抗渗性的措施提高抗渗性的措施适当降低水灰比适当降低水灰比选用适当的骨料选用适当的骨料施工中加强振捣，接受适宜的养护制度。施工中加强振捣，接受适宜的养护制度。外加剂（减水剂，引气剂）外加剂（减水剂，引气剂）9.2 9.2 抗冻性抗冻性一一.抗冻性的定义：抗冻性的定义：1.1.定义：硬化水泥浆体反抗冻融循环的实力。定义：硬化水泥浆体反抗冻融循环的实力。2.2.危害
4、：冻融循环是寒冷地区混凝土，尤其是危害：冻融循环是寒冷地区混凝土，尤其是港口混凝土破坏的主要缘由之一。港口混凝土破坏的主要缘由之一。3.3.抗冻性的表示方法抗冻性的表示方法 以试块能经受以试块能经受-15-15和和2020的循环冻融而抗压的循环冻融而抗压强度降低不超过强度降低不超过25%25%时的最高次数来表示，如时的最高次数来表示，如200200次或次或300300次冻融循环等。次数越多说明抗冻性越好。次冻融循环等。次数越多说明抗冻性越好。什么样的状况才会发生冻融破坏？什么样的状况才会发生冻融破坏？抗冻性取决于孔隙率、孔隙特征及充水程度。抗冻性取决于孔隙率、孔隙特征及充水程度。水水粗大孔隙粗
5、大孔隙闭口孔隙闭口孔隙毛细管孔隙毛细管孔隙饱和水 化合水：化合水：不结冰不结冰 吸附水：吸附水：硬化水泥浆体中水的形式：硬化水泥浆体中水的形式：结冰，影响抗冻性结冰，影响抗冻性 自由水：自由水：凝胶水：毛细水：-78-78才结冰才结冰 可见，硬化水泥浆体中水的冰点受水成分和孔径大小可见，硬化水泥浆体中水的冰点受水成分和孔径大小的影响，孔径越小，冰点越低。的影响，孔径越小，冰点越低。二二.结冰的破坏机理结冰的破坏机理1.1.静水压理论静水压理论 水结冰时体积增加，未冻水被迫向外流水结冰时体积增加，未冻水被迫向外流淌，从而产生危害性静水压力。淌，从而产生危害性静水压力。2.2.渗透压理论渗透压理论
6、 凝胶水渗透入正在结冰的毛细孔内是凝胶水渗透入正在结冰的毛细孔内是引起冻融破坏的缘由。引起冻融破坏的缘由。三三.影响抗冻性的因素：影响抗冻性的因素：1.1.水泥品种与矿物组成：水泥品种与矿物组成：2.2.水灰比：水灰比：3.3.养护龄期养护龄期4.4.孔结构孔结构5.5.硬化浆体的充水程度硬化浆体的充水程度增加增加C3S含量，适当增含量，适当增加水泥中石膏掺入量，加水泥中石膏掺入量，可以改善抗冻性。可以改善抗冻性。水泥强度越高，水泥强度越高，抗冻性抗冻性越好越好三三.影响抗冻性的因素：影响抗冻性的因素：水灰比越小，硬化水泥浆水灰比越小，硬化水泥浆体中毛细孔率越小，孔径体中毛细孔率越小，孔径尺寸
7、越小，抗冻性越好尺寸越小，抗冻性越好。1.水泥品种与矿物组成：水泥品种与矿物组成：2.水灰比：水灰比：3.养护龄期养护龄期4.孔结构孔结构5.硬化浆体的充水程度硬化浆体的充水程度三三.影响抗冻性的因素：影响抗冻性的因素：养护龄期越长，抗养护龄期越长，抗冻性越好冻性越好1.水泥品种与矿物组成：水泥品种与矿物组成：2.水灰比：水灰比：3.养护龄期养护龄期4.孔结构孔结构5.硬化浆体的充水程度硬化浆体的充水程度9.39.3环境介质的侵蚀环境介质的侵蚀对水泥耐久性有害的对水泥耐久性有害的环境介质环境介质主要有：主要有：淡水淡水 酸和酸性水酸和酸性水 硫酸盐溶液和碱溶液硫酸盐溶液和碱溶液结果结果结构受到
8、破坏，强度降低结构受到破坏，强度降低表现形式表现形式体积膨胀膨胀型腐蚀体积膨胀膨胀型腐蚀体积收缩溶出型腐蚀体积收缩溶出型腐蚀一一.淡水侵蚀（又称溶出性侵蚀）淡水侵蚀（又称溶出性侵蚀）淡水侵蚀是指硬化水泥浆体受淡水浸析时，其淡水侵蚀是指硬化水泥浆体受淡水浸析时，其组成渐渐被水溶解并在水流淌时被带走，最终导致组成渐渐被水溶解并在水流淌时被带走，最终导致水泥石结构破坏的现象。水泥石结构破坏的现象。淡水包括：雨水、雪水、内陆河水、湖水淡水包括：雨水、雪水、内陆河水、湖水腐蚀机理：腐蚀机理：Ca(OH)2 Ca(OH)2 溶解度溶解度 1.2g/L 1.2g/L不饱水水泥石中不饱水水泥石中Ca(OH)2
9、Ca(OH)2晶体渐渐溶出；晶体渐渐溶出；在静水、无水压下溶液饱和溶解作用停止；在静水、无水压下溶液饱和溶解作用停止；在有压、流淌的水下在有压、流淌的水下 Ca(OH)2 Ca(OH)2不断溶出并带走不断溶出并带走并引起在确定碱度下稳定的并引起在确定碱度下稳定的C-S-HC-S-H的分解溶出水的分解溶出水泥石崩溃；泥石崩溃；对抗渗性较好的水泥石溶出侵蚀很慢，可忽视。对抗渗性较好的水泥石溶出侵蚀很慢，可忽视。二二.酸和酸性水侵蚀酸和酸性水侵蚀1.1.侵蚀机理侵蚀机理 物理溶析物理溶析 化学溶解化学溶解硬化浆体硬化浆体 易溶盐类易溶盐类 水水+钙盐钙盐2.2.影响酸性水侵蚀作用的因素影响酸性水侵蚀
10、作用的因素 水中水中 H H+离子的浓度离子的浓度 酸中阴离子的种类酸中阴离子的种类物理溶析物理溶析化学溶解化学溶解H+R-OH-+Ca 2+H+OH-=H2O Ca2+2R-=CaR2 无机酸：盐酸、硝酸等：形成可溶性钙盐，侵蚀无机酸：盐酸、硝酸等：形成可溶性钙盐，侵蚀性强。性强。磷酸：形成不溶性的钙盐，侵蚀慢。磷酸：形成不溶性的钙盐，侵蚀慢。有机酸：整体侵蚀程度不如无机酸猛烈。有机酸：整体侵蚀程度不如无机酸猛烈。醋酸、蚁酸、乳酸：形成易溶钙盐，醋酸、蚁酸、乳酸：形成易溶钙盐，草酸：形成不溶性钙盐。草酸：形成不溶性钙盐。3.3.自然界中酸性水的侵蚀自然界中酸性水的侵蚀碳酸侵蚀碳酸侵蚀侵蚀机理
11、侵蚀机理 Ca(OH)2+CO2 CaCO3+H2O CaCO3+CO2+H2O Ca(HCO3)2 平衡碳酸平衡碳酸 水中的碳酸水中的碳酸 结合结合碳酸碳酸 侵蚀性碳酸：侵蚀性碳酸：超过了平衡碳酸量的部分超过了平衡碳酸量的部分 三三.硫酸盐侵蚀（又称膨胀侵蚀）硫酸盐侵蚀（又称膨胀侵蚀）1.侵蚀机理侵蚀机理Ca(OH)2+Na2SO410H2OCaS042H20+2NaOH+8H2O 石膏析晶石膏析晶，体积增大，体积增大124%124%石膏侵蚀）石膏侵蚀）生成生成钙矾石钙矾石体积增加体积增加94%94%硫铝酸盐侵蚀硫铝酸盐侵蚀镁盐腐蚀镁盐腐蚀双重腐蚀双重腐蚀 MgSO4+Ca(OH)2+2H2
12、O CaSO4.2H2O+Mg(OH)2 3CaO2SiO2+3MgSO4+nH2O 3CaS042H2O +3Mg(OH)2+2SiO2Mg2+还会进入水化硅酸钙凝胶，使其胶结性能变差。还会进入水化硅酸钙凝胶，使其胶结性能变差。四四.含碱溶液含碱溶液 化学腐蚀化学腐蚀 物理析晶物理析晶1.1.化学侵蚀：化学侵蚀：碱溶液与水泥石的组分起化学反应，生成胶结力不强、碱溶液与水泥石的组分起化学反应，生成胶结力不强、易为碱溶液溶析的产物，代替了水泥石原有的结构组成。易为碱溶液溶析的产物，代替了水泥石原有的结构组成。2CaOSiO2nH2O+2NaoH 2Ca(OH)2+Na2SiO3 +(n-1)H2
13、O 3CaOAlO36H2O+2NaoH 3Ca(OH)2+Na2OAlO3 +4H2O2.结晶侵蚀：结晶侵蚀：由于孔隙中的碱液，因蒸发析晶产生结晶压力引起水泥由于孔隙中的碱液，因蒸发析晶产生结晶压力引起水泥石膨胀破坏。石膨胀破坏。9.4 9.4 碱集料反应碱集料反应 一一.定义及类型定义及类型碱碱集集料料反反应应：是是指指当当水水泥泥碱碱含含量量高高时时，在在有有水水存存在在的的条条件件下下，水水泥泥中中的的碱碱与与集集料料中中的的某某些些活活性性物物质质发发生生化化学学反反应应，从从而而导导致致水水泥泥石石产产生生膨膨胀胀开开裂裂而破坏的现象。而破坏的现象。碱集料反应的类型碱集料反应的类型
14、碱碱氧化硅反应氧化硅反应碱碱碳酸盐反应碳酸盐反应 碱碱硅酸盐反应硅酸盐反应二二.碱集料反应的机理碱集料反应的机理碱集料反应主要是由于水泥中碱含量较高碱集料反应主要是由于水泥中碱含量较高（R R2O0.6%O0.6%），而同时集料中含有活性），而同时集料中含有活性SiOSiO2时，碱时，碱就会与集料中的活性就会与集料中的活性SiOSiO2反应，形成碱性硅酸盐凝反应，形成碱性硅酸盐凝胶。胶。反应式如下反应式如下：活性活性SiOSiO2+2mNaOH mNaOSiO+2mNaOH mNaOSiO2nHnH2O O 上式反应生成的碱性硅酸盐凝胶有相当强的吸上式反应生成的碱性硅酸盐凝胶有相当强的吸水性能
15、，在积聚水分的过程中产生膨胀而将硬化浆水性能，在积聚水分的过程中产生膨胀而将硬化浆体结构胀裂破坏。体结构胀裂破坏。三三.碱集料反应的影响因素及防止措施碱集料反应的影响因素及防止措施碱集料反应的影响因素碱集料反应的影响因素水泥中的碱含量；水泥中的碱含量；活性集料含量及粒径；活性集料含量及粒径；水含量。水含量。防止碱集料反应的措施防止碱集料反应的措施尽量降低水泥中碱含量；尽量降低水泥中碱含量；实行适当粒径的集料；实行适当粒径的集料；降低活性集料含量；降低活性集料含量；依据实际掺加适量活性氧化硅或火山灰、粉依据实际掺加适量活性氧化硅或火山灰、粉煤灰等。煤灰等。9.5 9.5 耐久性的改善途径耐久性的
16、改善途径 1、选择适当组成的水泥；2、掺适量混合材料；3、提高施工质量；4、进行表面处理表面化学处理：表面涂覆和贴面处理表面碳化处理 表面用硅酸钠或氟硅酸盐的水溶液处理 9.5 9.5 耐久性的改善途径耐久性的改善途径 影响水泥混凝土耐久性的因素有很多方面，为影响水泥混凝土耐久性的因素有很多方面，为了提高混凝土的耐久性，在运用水泥时，首先要了提高混凝土的耐久性，在运用水泥时，首先要考虑运用的环境条件，接受适当组成的水泥，量考虑运用的环境条件，接受适当组成的水泥，量材为用，从根本上提高混凝土的耐久性，配制混材为用，从根本上提高混凝土的耐久性，配制混凝土时，要细心设计，实行合理的配比，尽量降凝土时
17、，要细心设计，实行合理的配比，尽量降低水灰比，并考虑适宜的施工方案，加强搅拌、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，以提高其振捣、养护等，提高混凝土的致密度，以提高其强度尤其是早强。改善混凝土的性能，在特殊状强度尤其是早强。改善混凝土的性能，在特殊状况下，还可利用其他材料进行表面处理以弥补水况下，还可利用其他材料进行表面处理以弥补水泥混凝土本身的不足。泥混凝土本身的不足。选择适当组成的水泥选择适当组成的水泥 水泥质量的好坏，是关系硬化水泥浆体耐久性水泥质量的好坏，是关系硬化水泥浆体耐久性的首要问题。只有提高水泥质量，才能从根本上的首要问题。只有提高水泥质量
18、，才能从根本上提高其耐久性。在运用水泥时，就依据环境的不提高其耐久性。在运用水泥时，就依据环境的不同来选择不同熟料矿物组成部分的水泥。同来选择不同熟料矿物组成部分的水泥。掺适量混合材料掺适量混合材料 一般说来，硅酸盐水泥中掺加火山灰质混合材一般说来，硅酸盐水泥中掺加火山灰质混合材料和粒化高炉矿渣可以提高其抗蚀实力。另外，料和粒化高炉矿渣可以提高其抗蚀实力。另外，掺加混合材料后，熟料所占的比例削减，掺加混合材料后，熟料所占的比例削减，C3A和和C3S的含量相应降低，也会改善其抗蚀性，而且的含量相应降低，也会改善其抗蚀性，而且由于生成较多的凝胶，提高了硬化水泥浆体的密由于生成较多的凝胶，提高了硬化
19、水泥浆体的密实性，阻挡侵蚀介质的溶入，从而增加了其抗蚀实性，阻挡侵蚀介质的溶入，从而增加了其抗蚀实力。所以说，火山灰水泥和矿渣水泥的抗蚀性实力。所以说，火山灰水泥和矿渣水泥的抗蚀性又与其矿渣掺量、又与其矿渣掺量、A l2O3含量有关。含量有关。提高施工质量提高施工质量 施工质量的好坏，也是关系到混凝土耐久性的施工质量的好坏，也是关系到混凝土耐久性的关键。在施工中，应加强搅拌，防止各组分产生关键。在施工中，应加强搅拌，防止各组分产生离析分层现象，提高混凝土的匀整性和流淌性，离析分层现象，提高混凝土的匀整性和流淌性，使拌合物很好地充溢模板，削减其内部空隙，并使拌合物很好地充溢模板，削减其内部空隙，
20、并且强化振捣，增大混凝土的密实度，尽可能排出且强化振捣，增大混凝土的密实度，尽可能排出其内部气泡，削减显孔、大孔，尤其是连通孔，其内部气泡，削减显孔、大孔，尤其是连通孔，提高其强度，从而提高其抗渗实力，最终达到改提高其强度，从而提高其抗渗实力，最终达到改善其耐久性的目的。善其耐久性的目的。进行表面处理进行表面处理 在特殊状况下，对水泥结构进行表面处理，在特殊状况下，对水泥结构进行表面处理，可以避开水泥结构与侵蚀介质干脆接触，从而保可以避开水泥结构与侵蚀介质干脆接触，从而保障其耐久性。障其耐久性。表面处理通常有表面化学处理和涂覆贴面处理两表面处理通常有表面化学处理和涂覆贴面处理两种。种。本章小节本章小节 通过本章学习，应理解并驾驭确定凝合通过本章学习，应理解并驾驭确定凝合时间的意义和影响凝合时间的因素；驾驭时间的意义和影响凝合时间的因素；驾驭水泥强度的产生、发展和影响因素；理解水泥强度的产生、发展和影响因素；理解体积变更与水化热在工程中所产生影响；体积变更与水化热在工程中所产生影响；了解抗渗性、抗冻性及环境介质对水泥耐了解抗渗性、抗冻性及环境介质对水泥耐久性的影响机理。久性的影响机理。