水泥的结构和性能读书笔记

第二章水泥的相组成一、硅酸钙C3S（阿利特）高水硬性化合物，OPC中占50%—90%。C2S（贝利特）OPC中占10%—40%。贝利特相对于阿利特有能力接纳数量较大的外源离子。二、硅酸铝、铝硅酸钙的性能偏高岭土和莫来石能作为粘土物料的分解产物出现在生料组成中。而一些铝硅酸钙通常则出现在矿渣和灰分中。铝酸钙铝酸三钙（C3A）是OPC中含铝最丰富的物相。铝酸一钙（CA）则是HAC的主要物相，C11A7Ca(OH)2中的氢氧化物能被F2和Cl2及其它物类所取代。铁铝酸钙典型的熟料中，会产生对镁、钛和硅的吸收。三、水泥中的碱碱能够引起混凝土中的碱-骨料反应；含有碱元素的正交晶系的C3A，其水化性能降低。四、增多的MgO含量MgO形成游离方镁石，或进入含硅酸三钙和铁铝酸钙等物相的一些固溶体。五、含硫酸盐各相硫铝钙石是硫铝酸盐熟料的主要物相，表现出相当快的水化性能。C2SCaSO4CaCl2是一种具有较好水硬性的稳定矿物，能用于特种水泥方面。六、含氯各相若存在硫酸盐，含铝的硫硅钙石就会结晶。但是不是水硬性的。若温度较低时，就能生成水硬性的物相C2SCaSO4CaCl2。七、水泥中的磷酸盐磷酸盐仅以很小的浓度进入硅酸三钙，磷酸盐的含量增加导致C3S的生成量减少，C2S多晶相含量提高。八、水泥中的重金属随生料而来的一般是少量的ZnO。铬的含量一般是非常小的，并且通过水化能掺杂在钙矾石中。第三章波特兰水泥的水化一、C3S的水化C3S水化生成的C-S-H是一种组分可变的无定形显著的物相。外加剂的影响可溶的磷酸盐、氟化物以及Zn、Sn和Pb的盐都是缓凝剂，几乎所有的有机化合物也都充作缓凝剂。而碱金属的硫酸盐则是一类十分有效的促凝剂。由于同离子效应的缘故，可溶性钙盐和碱金属氢氧化物两者都能影响C3S的初始溶解。CH的核化受控于溶度积KCH=[Ca2+][OH-]金属氢氧化物能进一步与羟基离子反应形成复杂的羟基阴离子，可以作为一种不溶性的钙盐而沉淀。ZnCl2-Zn(OH)2-Zn(OH)4-CaZnO2。二、C2S的水化C2S水化的贡献主要在长期性能上。C2S水化组成的C-S-H与C3S所形成的相似，但是由于其放热较低，水化动力学过程较慢。三、C3A的水化PC中所有矿物中，C3A的反应活性最大。无硫酸盐时，能形成一类六方型水化物的前驱体，随后长成结晶性较好的带有C2AH8和C4AH19的六方板状体。这种亚稳的水化物继续转换到立方型的C3AH6稳定形态。硫酸盐存在时，首先生成钙矾石。当石膏消耗完后，钙矾石继续水化生成稳定水化物C4ASH（单硫型硫铝酸盐）。最后产物为居于C4ASH12与C4AH13之间的固溶体，二者具有同结构关系，硫酸根和氢氧根离子以随机的方式占据层间位置，碳酸根等其他阴离子也可以占据，并且Fe3+还可以取代Al3+。因此化合物在总体上统称为AFm相。AFt用来标示具有相似组成变化的钙矾石类的物相。四、C4AF的水化水化历程类似于C3A，无石膏时生成亚稳态的铁代AFm相，并转化为C3(A,F)H6。有石膏存在时候，首先生成铁代AFt，此后石膏消耗完毕后转化为AFm。五、硬化浆体的微观结构C-S-H-多样性，CH-等边棱柱体或薄板状体，AFt-棱柱形针状体，AFm-薄六方片状体或不规则的“玫瑰花形”物。第四章铝酸钙水泥一、CACs的两种类型a、“常规产品”，具有较多的含铁相，深灰或黑色，能用在很宽的温度范围内。b、白色的一类，具有较多的铝氧化物，主要用于高温下的耐火目的。二、CAC的水化CA是首要的胶凝组分，同时C12A7、C4AF和C2S也显示出很好的水硬性，C2AS-C2MS2固溶体（黄长石）、CA2和多色玻璃相为弱水硬性。CT无水硬性。CAC水化期间，缺少所生成的游离石灰，导致良好的抗硫酸盐性，但是其抗强碱性则较弱。三、与其他材料的混合a、CAC-OPC混合物制作快硬水泥，使凝结时间和抗压强度有所减少。当CAC掺量够大时（80%）可以产生良好的抗硫酸盐特性。b、氢氧钙石可以限制或终止专精的单碳型水化碳铝酸钙，可以避免强度的丧失。c、GGBS1：1掺入时可以减慢转晶速率，强度至少在一年内不会明显下降。d、宏观无缺陷（mdf）水泥能够增加抗弯刚度，强度为纯CAC的两倍以上。磷酸盐基的化合物不形成结晶的水化产物，而形成通过减小孔径尺寸和孔隙率而给CAC带来完整结构的铝铝酸盐-磷酸盐凝胶。e、偏高岭土可以稳定混合料的强度。f、pfa主要用于北极环境下油井水泥的配制。四、抗硫酸盐性水灰比不超过0.40时，铝酸钙水泥能够减轻并有效克服硫酸盐和氯化物的双重侵蚀。铝酸钙水泥中存在的氢氧化钙较为贫乏，难以促成钙矾石的生成。第六章特种水泥一、特种二元型混合水泥a、硅粉PC硅粉是无定形二氧化硅(85%)的一种球粒,无定形有助于反应活性,颗粒形状则能改善工作性.硅粉的加入可以增加水泥的稠度,抑制碱骨料反应(AAR)膨胀并提高水泥强度。b、石灰石PC石灰石的加入对水化相集合体作出贡献，形成单碳铝酸钙（C3A·CaCO3·11H2O）；可以改善抗硫酸盐性能，尽管有时会出现碳硫硅钙石的有害形成；当取代50%水泥组分时，水泥浆体抗硫酸（pH=4）侵蚀的能力有所提高。c、拌有窑灰/生料磨灰的PC碳铝酸钙水化物快速形成以及钙矾石的同时存在对强度更好的发展做出了贡献。二、高贝利特PC阿利特相被限制在20%上下，贝利特相接近或超过60%，并带有一部分玻璃质的，含低比率硅铝酸钙以及微细晶粒的铝酸盐和铁酸盐的基本相，就可以被类分为高贝利特水泥或活性贝利特水泥。相较于阿利特水泥，贝利特水泥表现出较低的谈话性能，并具有更低的毛细孔隙率；并具有更高的28d抗压强度；后期强度更好并具有较低的水化热。三、球粒波特兰水泥制备混凝土时具有更好的流动性；水灰比可以下降6-8%，有利于耐久性。四、混合型高铝水泥湿热环境中会发生转晶现象（准六方晶体CAH10转向立方型C3AH6）；易受高碱侵蚀。加入40%-60%的矿渣后，HAC会形成C2ASH8（水铝黄长石）。具有长期连续发展的强度；各种环境中具有稳定性和耐久性；较高水灰比拌合时具有优越的抗硫酸盐性能。CaO-Al2O-SiO2系统中水硬玻璃体的产生-水化时会引起水铝黄长石的生成。当某些组分中的水铝黄长石转晶为水石榴子石并伴随着强度的下降。五、工程性质改善的水泥配方a、纤维共磨水泥表现出韧性和抗冲性的提高。但张拉应变能和最大荷载却没有显著提高。b、高性能纤维增强胶凝性复合材料一种由大体积含量的短切不连续纤维制成，一种由连续纤维织物制成。试验表明随着强度和刚度的增加还会伴随变形硬化。c、DSP配方超细粒子均匀压实的密实体系（DSP），可作为一些非常密实和高强的胶材料，含有70-80%的水泥和20-30%的平均粒径仅为0.1-0.2微米的超细材料，同时还掺入有效的颗粒分散剂。d、包括宏观无缺陷水泥在内的水泥-高聚物系统在水泥中加入高聚物如苯乙烯、醋酸乙烯、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯-丙烯酸、氯代苯乙烯、氯乙烯以及聚酯-苯乙烯。虽然其中大多数易受强碱侵蚀，但是却有很好的抗酸性。高聚物填充孔隙并形成一张增强的连续网络，导致了力学强化。e、极快硬波特兰水泥主要用于对公路桥梁铁路等的修复当中。f、膨胀水泥K型-PC+含C3A3CaSO4的膨胀性熟料+含硫酸钙M型-PC+矾土水泥或矾土渣S型-高C3A水泥熟料g、高细度水泥应用在基础灌浆生产中，成为采用塑性胶质物之外的另一种选择。六、有益环境的胶凝性产品a、碱激发水泥碱激发硅铝酸盐水泥构成了生态友好型材料的一个主要家族，并被取名为地（土）聚物水泥，所依据概念为大多数硅酸盐或铝硅酸盐矿物，因具有共价键链、层状或三维网络状结构而以地（土）聚合物知名。碱激发矿渣水泥、碱激发偏高岭土水泥以及碱激发粉煤灰水泥都属于这类产品。b、活性粉煤灰贝利特水泥c、高掺量粉煤灰混凝土（HVFC）七、硫铝酸钙水泥CSA不含C3S，属于CaO-Al2O3-SiO2-Fe2O3-SO3系统，其净浆水化产物主要有AFt、AFm、铝凝胶和铁凝胶，某些情况下还注意到有C3AH6、C4AH3、CSH和C4ACH11的出现。第八章水泥中的石膏石膏主要与C3A与C4AF反应，生成钙矾石，C3A与石膏的反应要快于C4AF，8-16h后钙矾石在水铝钙石(C4(A,F)H13)的存在下转晶成为单硫型水化硫铝酸钙的六方板状型物相。但是这个反应并不完全因此反应初期形成的钙矾石还会保留下来。硫酸盐有30%形成AFt相，大部分仍旧进入C-S-H相并提供了抗压强度。一、OPC-CAC混合物具有较短的凝结时间和较低的抗压强度，石膏及其衍生物加速了CAC的凝结，OPC水化产物CH也加速CAC水化。而OPC凝结受到石膏及其衍生物与水化铝酸钙反应生成钙矾石的加速。二、硫铝酸钙水泥（CSA）低能耗水泥；能够在低温下进行水化；抗硫酸根和氯离子侵蚀；加入含钡材料后制得的钡代硫铝酸钙能够进一步提高抗压强度。第九章混凝土中的碱-硅反应（ASR）ASR是混凝土孔溶液中羟基离子和骨料中偶尔大量存在的氧化硅的某种类型之间（最具活性的那些无序的类型）一种反应，生成的产物为含有氧化硅、钠、钾、钙和水的一种凝胶状水化物，其体积远大于消耗的氧化硅。通常ASR引起的膨胀和开裂需要有外部的水分来源，仅当外部和内部相对湿度超过大约90%和95%时膨胀才会出现。一、碱的来源PC中水泥与水混合时碱金属硫酸盐迅速进入液相，转化成碱金属的氢氧化物，提高了液相中的羟基离子浓度。PC取代物如GGBS、pfa、硅粉等虽能给这一反应提供碱物质，但是相比PC，这类碱物质危害较小，因为他们要不溢出的过快很快就消耗干净（硅粉），要不就是比水泥中释出的更慢（pfa和ggbs）二、活性氧化硅氧化硅矿物有害活性递减排序：蛋白石、玉髓、忪脂石、方英石、鳞石英、隐晶石英。第十章钙矾石的延迟生成（DEF）一、定义在净浆、砂浆或混凝土中，由一个在硬化基本完成之后才开始的，期间并无来自水泥浆体之外的硫酸盐的过程而引起的钙矾石生成。能够造成仅在一个为期数月或数年的阶段之后才会显现的损害。二、水泥成分的作用膨胀的产生需要SO3和C3A两者的含量都要高；膨胀随C3A的含量而增大；膨胀还往往随着MgO含量、C3S的bogue含量以及细度而增大。抗硫酸盐的PC膨胀微小或不膨胀。以矿渣、粉煤灰和天然火山灰取代水泥达足够的比例能够减小或消除膨胀。三、膨胀机理在一个极小尺寸的有限空间内，若有一个高度饱和的区域，一些小而密集的晶体在其中生成，才能满足产生高生长压力的条件。浆体内部孔隙尤其小，内部产物所提供的硫酸盐又很高；外面C-S-H的S/Ca虽然较高，但是分散的广且孔隙大，连通性高。四、控制膨胀速率和限度的因素a、化学Al2O3含量充分高，最后呈现的就是单硫型硫铝酸钙而非钙矾石；SO3充分高，钙矾石后期生成量就会比较少。粒化高炉矿渣和大多数火山灰制材比如粉煤灰都可作为Al2O3的来源，可以用来解释他们为何能够减小或消除膨胀。b、浆体微观结构钙矾石生成在孔隙相对较大且高度连通，施加压力就会小；而如果生长在孔隙较小且联通程度不高的地方，压力就会明显提高。第十一章胶凝系统中的氯化物侵蚀一、水泥浆体中氯离子的结合能氯离子能和铝酸钙反应生成Friedel盐（C3A·CaCl2·10H2O），氯离子浓度较高时生成C3A·3CaCl2·30H2O。故被结合的氯离子量将受到C3A含量的强烈影响。同时C4AF也能与氯离子反应，因此产物可以写成Ca3(A,F)·CaCl2·10H2O。但是铁铝酸钙反应速度更慢。同时C-S-H凝胶能对Cl-进行物理和化学吸附。Cl-在C-S-H相上的结合取决于H/S与C/S，随着其提高而增加。因此硅粉的加入增加了孔溶液中的游离氯化物浓度。矿渣和粉煤灰的加入也有类似的影响。同时孔溶液成分对氯化物结合也有影响。OH-和SO42-会使Cl-结合能力下降。因为硫酸根会先和铝酸盐和铁铝酸盐反应。阳离子对结合氯化物也有影响，各离子提高结合氯化物能力排序：NaClKClCaCl2MgCl2。即影响结合氯化物能力的因素之一为与氯离子相关的阳