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

• 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。

§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

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。

dqdt

hkA

l

dqdt

渗透系数：

式中 -- 总孔隙率； -- 孔的水力半径； -- 流体的粘度； -- 常数。

2

k c

c

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。

kk 2

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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）

§9.2 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。

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。

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

化合水：不结冰

吸附水：

硬化水泥浆体中水的形式：

结冰，影响抗冻性

自由水：

凝胶水：

毛细水：

-78℃ 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的影响，孔径越小，冰点越低。

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。

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

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：

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。

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

三 . 影响抗冻性的因素：

养护龄期越长，抗冻性越好

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

§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

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。

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

物理溶析化学溶解

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。

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

2 3 2 4 2 2 2 3 4 2 24 . .19 3( .2 ) 8 3 . .3 .32 ( )CaO Al O H O CaSO H O H O CaO Al O CaSO H O Ca OH

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

• 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。

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。

• §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

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。

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。

§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 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。

• ◆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。

• ◆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。

• 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。