第八章 硅酸盐水泥的耐久性 本章主要内容 · 抗渗性 · 抗冻性 · 环境介质的侵蚀 · 碱 - 集料反应 · 耐久性的改善途径

1. 第八章 硅酸盐水泥的耐久性 本章主要内容 ·抗渗性 ·抗冻性 ·环境介质的侵蚀 ·碱-集料反应 ·耐久性的改善途径

2. 耐久性: 硬化水泥石结构在一定环境条件下长期保持稳定质量和使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。

3. §9.1抗渗性 一.定义：硬化水泥石或混凝土抵抗各种有害介质进入内部的能力。 有害介质主要有： 流动水、溶液、气体等

4. 渗水速率： 式中： ——渗水速率（mm3/s）； A——试件的横截面面积（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一定时，渗水速率和渗透系数成正比，所以，常用渗透系数k表示抗渗性的高低。

5. 渗透系数： 式中 --总孔隙率； --孔的水力半径； --流体的粘度； --常数。

6. 二.影响抗渗性因素： ·孔径尺寸：∝ ·空隙率： ∝ 可见，渗透系数主要决定于毛细孔率的大小，尤其是大毛细孔。 ·水灰比：见下图 水灰比越大，孔隙率越大，孔径尺寸越大，渗透系数越大。 一般认为，水灰比在0.5以下时，硬化水泥浆体的抗渗性较好。 ·水化龄期： 渗透系数随龄期越小。

7. 返回

8. 三.提高抗渗性的措施 ·适当降低水灰比 ·选用适当的骨料 ·施工中加强振捣，采用适宜的养护制度。 ·外加剂（减水剂，引气剂）

9. §9.2 抗冻性 一.抗冻性的定义： 1.定义：硬化水泥浆体抵抗冻融循环的能力。 2.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原因之一。

10. 3.抗冻性的表示方法 以试块能经受-15℃和20℃的循环冻融而抗压强度降低不超过25%时的最高次数来表示，如200次或300次冻融循环等。次数越多说明抗冻性越好。

11. 什么样的情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。 水 粗大孔隙 闭口孔隙 毛细管孔隙 饱和水

12. 硬化水泥浆体中水的形式： 化合水：不结冰 吸附水： 凝胶水： 毛细水： -78℃才结冰 自由水： 结冰，影响抗冻性 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。

13. 二.结冰的破坏机理 1.静水压理论 水结冰时体积增加，未冻水被迫向外流动，从而产生危害性静水压力。 2.渗透压理论 凝胶水渗透入正在结冰的毛细孔内是引起冻融破坏的原因。

14. 增加C3S含量，适当增加水泥中石膏掺入量，可以改善抗冻性。增加C3S含量，适当增加水泥中石膏掺入量，可以改善抗冻性。 水泥强度越高，抗冻性越好 三.影响抗冻性的因素： 1.水泥品种与矿物组成： 2.水灰比： 3.养护龄期 4.孔结构 5.硬化浆体的充水程度

15. 三.影响抗冻性的因素： 1.水泥品种与矿物组成： 2.水灰比： 3.养护龄期 4.孔结构 5.硬化浆体的充水程度 水灰比越小，硬化水泥浆体中毛细孔率越小，孔径尺寸越小，抗冻性越好。

16. 三.影响抗冻性的因素： 1.水泥品种与矿物组成： 2.水灰比： 3.养护龄期 4.孔结构 5.硬化浆体的充水程度 养护龄期越长，抗冻性越好

17. §9.3环境介质的侵蚀 • 对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 结果 结构受到破坏，强度降低 表现形式 体积膨胀－膨胀型腐蚀 体积收缩－溶出型腐蚀

18. 一.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。 淡水包括：雨水、雪水、内陆河水、湖水 腐蚀机理：Ca(OH)2溶解度 1.2g/L ·不饱水－水泥石中Ca(OH)2晶体逐渐溶出； ·在静水、无水压下－溶液饱和－溶解作用停止； ·在有压、流动的水下－Ca(OH)2不断溶出并带走－并引起在一定碱度下稳定的C-S-H的分解溶出－水泥石崩溃； 对抗渗性较好的水泥石溶出侵蚀很慢，可忽略。

19. 二.酸和酸性水侵蚀 1.侵蚀机理 物理溶析 化学溶解 硬化浆体 易溶盐类 水+钙盐 2.影响酸性水侵蚀作用的因素 ·水中 H+ 离子的浓度 ·酸中阴离子的种类 H+ + R- 物理溶析 化学溶解 OH- + Ca 2+ • H+＋OH- =H2O Ca2+＋2R- = CaR2

20. 无机酸：盐酸、硝酸等：形成可溶性钙盐，侵蚀性强。无机酸：盐酸、硝酸等：形成可溶性钙盐，侵蚀性强。 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强烈。 醋酸、蚁酸、乳酸：形成易溶钙盐， 草酸：形成不溶性钙盐。

21. 3.自然界中酸性水的侵蚀—碳酸侵蚀 侵蚀机理 Ca(OH)2+CO2 CaCO3+H2O CaCO3+CO2+H2O Ca(HCO3)2 平衡碳酸 水中的碳酸 结合碳酸 侵蚀性碳酸：超过了平衡碳酸量的部分

22. 三.硫酸盐侵蚀（又称膨胀侵蚀） 1.侵蚀机理 Ca(OH)2+Na2SO4·10H2O→CaS04·2H20+2NaOH+8H2O 石膏析晶，体积增大124%——石膏侵蚀） 生成钙矾石体积增加94%——硫铝酸盐侵蚀

23. 镁盐腐蚀－双重腐蚀 MgSO4+Ca(OH)2+2H2O—— CaSO4.2H2O+Mg(OH)2 3CaO·2SiO2+3MgSO4+nH2O → 3[CaS04·2H2O] + 3Mg(OH)2+2SiO2 • Mg2+还会进入水化硅酸钙凝胶，使其胶结性能变差。

24. 四.含碱溶液化学腐蚀 物理析晶 1.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、易为碱溶液溶析的产物，代替了水泥石原有的结构组成。 2CaO·SiO2·nH2O +2NaoH→ 2Ca(OH)2+Na2SiO3 + (n-1) H2O 3CaO·AlO3·6H2O +2NaoH→ 3Ca(OH)2+Na2O·AlO3 + 4H2O 2.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石膨胀破坏。

25. §9.4 碱集料反应 一.定义及类型 • 碱集料反应：是指当水泥碱含量高时，在有水存在的条件下，水泥中的碱与集料中的某些活性物质发生化学反应，从而导致水泥石产生膨胀开裂而破坏的现象。 ·碱集料反应的类型 • 碱—氧化硅反应 • 碱—碳酸盐反应 • 碱—硅酸盐反应

26. 二.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（R2O>0.6%），而同时集料中含有活性SiO2时，碱就会与集料中的活性SiO2反应，形成碱性硅酸盐凝胶。反应式如下： • 活性SiO2+ 2mNaOH → mNaO·SiO2·nH2O 上式反应生成的碱性硅酸盐凝胶有相当强的吸水性能，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。

27. 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 • 水泥中的碱含量； • 活性集料含量及粒径； • 水含量。 • 防止碱集料反应的措施 • 尽量降低水泥中碱含量； • 采取适当粒径的集料； • 降低活性集料含量； • 根据实际掺加适量活性氧化硅或火山灰、粉煤灰等。

28. §9.5 耐久性的改善途径 • 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 表面碳化处理 表面用硅酸钠或氟硅酸盐的水溶液处理 表面化学处理： 表面涂覆和贴面处理

29. §9.5 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，为了提高混凝土的耐久性，在使用水泥时，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，配制混凝土时，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强。改善混凝土的性能，在特殊情况下，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。

30. ◆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的首要问题。只有提高水泥质量，才能从根本上提高其耐久性。在使用水泥时，就根据环境的不同来选择不同熟料矿物组成部分的水泥。 • ◆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料和粒化高炉矿渣可以提高其抗蚀能力。另外，掺加混合材料后，熟料所占的比例减少，C3A和C3S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实性，阻止侵蚀介质的溶入，从而增强了其抗蚀能力。所以说，火山灰水泥和矿渣水泥的抗蚀性又与其矿渣掺量、A l2O3含量有关。

31. ◆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，提高混凝土的均匀性和流动性，使拌合物很好地充满模板，减少其内部空隙，并且强化振捣，增大混凝土的密实度，尽可能排出其内部气泡，减少显孔、大孔，尤其是连通孔，提高其强度，从而提高其抗渗能力，最终达到改善其耐久性的目的。 • ◆进行表面处理 • 在特殊情况下，对水泥结构进行表面处理，可以避免水泥结构与侵蚀介质直接接触，从而保障其耐久性。 • 表面处理通常有表面化学处理和涂覆贴面处理两种。

32. 本章小节 • 通过本章学习，应理解并掌握确定凝结时间的意义和影响凝结时间的因素；掌握水泥强度的产生、发展和影响因素；理解体积变化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久性的影响机理。