胶凝材料部分答案

1. 胶凝材料的定义、特征、作用。

要点：定义：在物理、化学作用下，能从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其它散粒物料(如砂、石等)，制成有一定机械强度的复合固体的物质称为胶凝材料，又称为胶结料。

特征：能在常温下凝结硬化为固体；有较强的胶结能力；具有一定的使用性能。

作用：胶结、固化，机械强度

2. 按照硬化条件，胶凝材料可以分为哪两类，其意义是什么？ 要点： 气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。

水硬性胶凝材料是指和水成浆后，既能在空气中硬化并保持强度，又能在水中硬化并长期保持和提高其强度的材料，这类材料常统称为水泥，如硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等。 气硬性胶凝材料是指不能在水中硬化，只能在空气中硬化，保持或发展强度，如石膏、石灰、镁质胶凝材料，水玻璃等。

气硬性胶凝材料只适用于地上或干燥环境，而水硬性胶凝材料既适用于地上，也可用于地下潮湿环境或水中。

3．石膏胶凝材料的制备和石膏制品的制作本质上有何区别？

要点：石膏胶凝材料的制备是将二水石膏加热使之部分或全部脱水，以制备不同的脱水石膏相（脱水）； 石膏制品的制备是将脱水石膏再水化，使之再生成二水石膏并形成所需的硬化体（再水化）。

4．α型半水石膏和β型半水石膏各在什么条件下得到的？结构上各有什么特点？

要点：α型半水石膏:蒸压釜在饱和水蒸汽的湿介质中蒸炼而成的，脱出的水是液体；β型半水石膏:处于缺少水蒸汽的干燥环境中进行的，脱出的水是蒸汽。 α型半水石膏为菱形结晶体，晶体尺寸大而完整，晶形良好、密实(高强石膏)；β型半水石膏呈细鳞片状集合体，晶体表面有裂纹，结晶很细不规则 (建筑石膏)。

5．用吕·查德里的结晶理论，解释半水石膏水化、凝结、硬化的机理。

要点：半水石膏加水之后发生溶解，并生成不稳定的过饱和溶液，溶液中的半水石膏经过水化而成为二水石膏。由于二水石膏在常温下比半水石膏具有小得多的溶解度（如20℃时CaSO4·1/2H2O在水中的溶解度是10g/L左右，而CaSO4·2H2O的溶解度只为2g/L左右），所以溶液对二水石膏是高度过饱和的，因此很快沉淀析晶。由于二水石膏的析出，便破坏了原有半水石膏溶解的平衡状态，这时半水石膏会进一步溶解水化，以补偿二水石膏析晶而在液相中减少的硫酸钙含量。随着CaSO4·2H2O从过饱和溶液中不断沉淀出来，其结晶体随即增长，并进行排列和连生，互相交织，从而形成网络结构，使石膏浆体硬化且具有强度。如此不断进行的半水石膏的溶解和二水石膏的析晶，直到半水石膏完全水化为止。应该说整个水化过程是在溶解、水化、生

成胶体、析出结晶等过程相互交错中进行的。

6．为什么说石膏胶凝材料在水化过程中，仅生产水化产物，浆体并不具备强度？ 要点：石膏胶凝材料的水化形成水化产物， 浆体并不一定能形成具有强度的人造石，而只有当水化产物结晶同时粒子之间借助范德华力和化学键等连生形成结晶结构网时，才能硬化并形成具有强度的人造石。石膏浆体的硬化过程就是结晶结构网的形成过程，也是获得强度的过程。

7．石膏硬化体的主要特征是什么？硬化浆体的性质决定于哪几个结构特征性质？

要点：1、结构特征：

水化产物（二水石膏）结晶体彼此交叉连生而形成的多孔的网络结构。 2、结构特征对性质的影响

水化产物晶粒之间相互作用力的性质（范德华分子力或化学键）。 水化产物晶粒之间结晶接触点的数量与性质。接触点越多，接触点尺寸越小，接触点晶格变形越厉害，结构强度降低的可能性越大。

硬化浆体中孔隙的数量及孔径大小分布。孔隙率越小，孔径越小，浆体的强度和耐水性提高。 （1.晶粒间作用力的性质

? 石膏硬化浆体的网状结构按粒子之间作用力的性质可以分为两类：一类是粒子之间以范德华分子力相互作用而形成的凝聚结构，另一类是粒子之间通过结晶接触点以化学键力相互作用而形成的结晶结构。前者，当其浆体向固体发展时，由于颗粒之间以分子力结合，结合力较弱，所以，整体结构强度很低，只能承受微弱的力量，而不能承受强大的力量；后者，在粒子间的结晶接触点上随着化学键力的作用，化学键的形成和发展，使石膏不断凝结硬化，具有较高的结构强度。 2.结晶接触点的数量和性质

? 形成结晶结构网以后，硬化浆体的性质便由接触点的特性和数量所决定。一般说来，单个接触点的强度高，则结构的强度高。此外，单位体积内接触点的数量也会影响结构强度，欲得高强结构，就要保证一定的过饱和度，即必须保证单位体积内有一定数量的接触点。但众所周知，结晶接触点在热力学上是不稳定的，遇潮湿要溶解、变形或再结晶，使强度降低。而且过饱和度越大，接触点的数目越多，接触点的尺寸越小，则接触点晶格变形的程度越厉害，引起的结构强度降低的可能性也越大。所以，接触点的性质（可以认为是溶解变形的性质）也是硬化浆体的结构特征之一。 3.孔隙率和孔分布

? 孔隙率指的是物料中气孔的体积遇总体积的百分比。孔分布指的是某种等级的孔所占的体积/总的孔所占的体积。 ? 由于石膏硬化浆体是一个多孔体，所以孔隙率及其孔分布的状况也是一个十分重要的结构因素。不同晶型的半水石膏，由于内部结构的差异，使其具有了完全不一样的内比表面积，α型半水石膏，因内比表面积小，故孔隙率和微孔孔径都比内部结构疏松的β型半水石膏要小得多。此外，水固

比对孔隙率和孔径的尺寸也有很大的影响。提高水固比，将会使石膏浆体硬化后的孔隙率和孔径尺寸变大，造成结构的不密实而使强度下降。反之，孔隙率越小，孔径越小，则浆体的强度和抗水性就越高。 ）

8．如何理解石膏浆体结晶结构网的形成和破坏几乎是受同一因素——液体过饱和度的控制?

要点：胶凝材料的性质与用量、原始胶凝材料的分散度、工艺温度、水固比与溶液的介质条件等因素最终影响到液相过饱和度。

溶液的过饱和度既是影响水化产物晶核形成的速度和数量以及晶体生长和连生的条件，决定着结晶结构网的形成；同时，又是晶体定向增长产生结晶应力引起结构破坏的重要因素。

过饱和度大则在单位时间内生成的晶核多，晶粒小，造成接触点增多，这样初始结构就容易形成，且密实，反之则相反；但是，过饱和度太大,当初始结构形成后，水化产物继续增多，可以使结构网进一步密实而起到强化作用。当达到一定限度后（即已经形成密实结构），水化产物继续增加，就会对形成的结构网产生一种内应力（称为结晶应力）。此后，形成的水化产物晶体越多，结晶应力越大，当结晶应力大于结构所能承受的极限时，结构就会破坏，使强度降低。

1、水泥石的亚微观结构如何？何为胶空比？水泥石的强度与胶空比有何关系？水泥凝胶产生强度的原因是什么？

水泥石亚微观结构可分为三大部分介绍：首先要考虑的是硬化水泥浆体中固相组分的显微结构，其次是孔体系，最后是浆体中的水所处的状态。（参考教材和课件）

胶空比：水泥凝胶的体积对水泥凝胶和毛细管腔两者体积之和的比值。

? 水泥抗压强度与胶空比之间的关系服从下面经验公式： 水泥抗压强度f=Axn 式中 x—胶空比

n —常数，取决于水泥的特性，在2.5-3.0之间。 A —代表水泥的固有强度在2000-3000Kg/cm2

第一种类型：固体表面间的物理吸引。水泥凝胶的比表面积约20万m2/kg, 胶粒间距很小，约15-30埃。通常把这种现象归于范德华力。 第二种类型为化学键。这种结合较范德华力强的多。但化学键仅在胶粒的一小部分界面上发生。但是，象水泥凝胶这样大的比表面积，并不是产生高强的必要条件。例如，蒸压养护的水泥石的比表面积不大，约仅7000 m2/kg,却具有很高的强度。

机械啮合。

2、水泥石的组成如何？水化硅酸钙的化学组成有何特点？水泥石中的孔有何特点？如何分类？影响孔分布的因素有哪些？如何测定水泥石的孔分布？

要点：C-S-H凝胶、氢氧化钙、钙钒石、单硫盐（AFm相)、水化铝酸钙、未水化水泥颗粒等组成。

C-S-H凝胶的化学组成是不固定的（C/S,H/S）；

C/S和水硅比在较大范围内变动，还存在Al 3+ 、Fe3+、SO-4等离子 分布范围广：0.005μm~10μm；具有分维特性。 凝胶孔（凝胶粒子之间的孔和凝胶粒子内孔）；过渡孔（外部水化产物之间的孔）； 毛细孔（没有北水化物所填充的原充水空间）；大孔。 影响水泥石孔分布的因素主要有： ? 水化龄期 ? 水灰比

? 水泥石的矿物组成 ? 养护制度 ? 外加剂等

1）汞压力法 ： 主要根据压入孔系统中的水银数量与所加压力之间的函数关系，计算空的直径和不同大小孔的体积。 2）等温吸附法： 3）X射线小角度散射法

3、为什么水泥石和集料界面的凝结强度是普通混凝土中最薄弱的环节? （1）大体积毛细孔隙的存在

界面过渡区中水化产物与界面处骨料粒系之间的黏结是依靠分子间的范德华引力，因此界面过渡区的强度取决于其中所存在孔隙的体积和孔径，孔隙的体积和孔径越大，其强度越低。界面过渡区中孔隙的体积和孔径都较相应本体中孔隙为大。相应地强度要弱。随龄期增长水泥石的组成成分和骨料之间发生缓慢化学反应而生成新的结晶产物。这些产物既能起到进一步填充界面过渡层中孔隙的作用，又能有效减小过渡层中氢氧化钙的量，从而减弱其对过渡层强度的不利影响。 （2）氢氧化钙粗大晶体的大量存在

粗大的CH晶体的存在对界面过渡区的强度具有一定的影响。 一方面因其层状重叠排列使其比表面积减小，相应范德华分子结合力也较小，从而黏结力也相应减小；另一方面因晶体的定向排列使之更倾向于开裂。 （3）微裂纹的出现和存在

微裂纹的出现和存在是导致界面过渡区强度不高的又一重要因素\微裂纹的数量决定于各种不同的参数!其中包括骨料的粒径和级配、水泥用量、水胶比、新拌混凝土的密实程度、养护条件、环境湿度和混凝土的放热过程。 4．水泥石中的水如何分类？哪些水为可蒸发水？哪些水为非蒸发水？

? 根据水与固相组份的相互作用以及水从水化水泥浆体中失去的难易程度，可将水泥石中的水分分为结晶水（又称为化学结合水，根据其结合力的强弱，又分为强结晶水和弱结晶水两种。吸附水（以中性水分子的形式存在，可按其所处的位置分为凝胶水和毛细孔水两种。）；自由水，又称游离水，存在于粗大空隙内，和一般水的性质相同。

? 除了上述三种基本类型以外，还有层间水和沸石水，它们的性质介于结晶水和吸附水之间。

? 凡是在P干燥或D干燥条件下可以蒸发的水叫蒸发水。蒸发水包括吸附水和一部分弱结晶水。

P干燥或D干燥条件下不能蒸发的水就叫非蒸发水。非蒸发水包括结合

水和一部分强结晶水。

5、叙述水泥石的三种强度理论。影响水泥石强度的因素有哪些？如何影响的？ 脆性材料断裂理论：水泥石的强度主要取决于水泥石的弹性模量、表面能以及裂缝大小，其抗断裂的能力可用葛里菲斯公式来表述。 结晶理论：

硬化水泥浆体是由钙钒石的针状晶体和多种形貌的C-S-H、以及六方板状的氢氧化钙和单硫型水化硫铝酸钙等晶体交织在一起构成，它们密集连生交叉结合、接触，形成牢固的结晶结构网。水泥石的强度主要决定于结晶结构网中接触点的强度与数量。 孔隙率理论：水泥石的强度发展决定于孔隙率，或者说决定于水化生成物充满原始充水空间的程度。

? 水泥矿物组成及含量

水泥矿物组成不同其水泥的水化速度，水化产物本身的强度，形态与尺寸以及彼此构成网状结构时各种键的比例均不相同。水泥矿物组成中，硅酸盐矿物的含量是决定水泥强度的主要因素，28天强度基本上依赖C3S含量。

? 水灰比和水化程度（随着水化程度的提高，凝胶体积不断增加，毛细孔隙率相应减少，强度增加。水灰比越大，孔隙率越大，孔径越大，强度低）

? 孔结构（相同孔隙率时，强度随孔径的增大而降低）

6、水泥石的变形有哪些？其原因是什么？ 短期荷载下变形 ：材料受力特性。

化学收缩：水化前后反应物和生成物的密度不同。

失水收缩：浆体失水时,首先是毛细孔中的水蒸发,并形成凹月面,在水分蒸发过程 中, 退到毛细孔中的凹月面曲率半径减小,从而使毛细孔水在液面下所受到的张力增加.致使固相产生弹性压缩变形,这是造成干缩的主要原因之一。同时,由于水泥凝胶具有巨大的比表面积,胶粒表面上由于分子排列不规整而具有较高的表面能,表面上所受到的张力极大,致使胶粒受到相当大的压缩应力,吸湿时,由于分子的吸附,胶粒表面张力降低,压缩应力减小,体积增大,而干缩时则相反。

碳化收缩：可能是由于空气中的CO2与水泥石中的水化产物,特别是氢氧化钙的不断作用,引起水泥石结构的解体所致。

持续荷载下徐变：一般认为是由于在长期荷载作用下，水泥石中的凝胶体产生粘性流动，向毛细管内迁移，或者凝胶体中的吸附水或结晶水向内部毛细孔 迁移渗透所致。

7、叙述抗冻性的两种机理。如何提高水泥石的抗冻性与抗渗性？ （1）静水压理论学说

Powers提出的静水压理论学说主要由以下几个要点组成：

①冻结时，负温度从混凝土构件的四周侵入，冻结首先在混凝土四周表面上形成，并将混凝土构件封闭起来；

②由于表层水结冰，冰体积膨胀，将未冻结的水分通过毛细孔道压人饱和度较小的内部；

③随着温度不断降低，冰体积不断增大，继续压迫未冻水，未冻水被压得无处可

走，于是在毛细孔内产生越来越大的压力，水泥石内毛细孔产生拉应力；

④水压力达到一定程度，水泥石内部的拉应力过高，高于抗拉强度极限时，则毛细孔会遭到破裂，混凝土中即产生微裂纹而受到破坏

（2）渗透压理论

加拿大的C．C．Litvan于1972年提出关于混凝土受冻破坏的理论。他认为，凡是被吸附在多孔固体表面上或包含其中的水，如果不经过重分布就不会冻结；之所以不能固化是由于表面力的作用，阻止被吸附液体达到形成结晶所需要的排列秩序。但是这些水的蒸汽压与已形成的冰有差别，能够迁移到易于结冰的地方，例如较大的孔隙或外表面，并积聚在裂隙中。如果冻融循环中积聚在裂隙中的水不能归还原位，它们将使裂隙扩大。

降低水灰比；掺入矿物掺和料；引气剂；加强施工管理，保证混凝土的密实和良好的养护。

8、何为过渡区？影响过渡区强度的因素有哪些？过渡区对混凝土性能有何影响？

要点：指硬化水泥浆（水泥基相）和骨料（分散基相）之间的薄层部分，也称为混凝土第三相。通常，其厚度10～50nm，存在于骨料的外围，约占全部水泥浆体的1/3。

（1）孔的体积和孔径的大小；（2）氢氧化钙晶体的大小与取向层（3）存在的微裂缝。

对混凝土强度的影响，薄弱环节；对混凝土的耐久性影响；对混凝土的刚性与弹性的影响

走，于是在毛细孔内产生越来越大的压力，水泥石内毛细孔产生拉应力；

④水压力达到一定程度，水泥石内部的拉应力过高，高于抗拉强度极限时，则毛细孔会遭到破裂，混凝土中即产生微裂纹而受到破坏

（2）渗透压理论

加拿大的C．C．Litvan于1972年提出关于混凝土受冻破坏的理论。他认为，凡是被吸附在多孔固体表面上或包含其中的水，如果不经过重分布就不会冻结；之所以不能固化是由于表面力的作用，阻止被吸附液体达到形成结晶所需要的排列秩序。但是这些水的蒸汽压与已形成的冰有差别，能够迁移到易于结冰的地方，例如较大的孔隙或外表面，并积聚在裂隙中。如果冻融循环中积聚在裂隙中的水不能归还原位，它们将使裂隙扩大。

降低水灰比；掺入矿物掺和料；引气剂；加强施工管理，保证混凝土的密实和良好的养护。

8、何为过渡区？影响过渡区强度的因素有哪些？过渡区对混凝土性能有何影响？

要点：指硬化水泥浆（水泥基相）和骨料（分散基相）之间的薄层部分，也称为混凝土第三相。通常，其厚度10～50nm，存在于骨料的外围，约占全部水泥浆体的1/3。

（1）孔的体积和孔径的大小；（2）氢氧化钙晶体的大小与取向层（3）存在的微裂缝。

对混凝土强度的影响，薄弱环节；对混凝土的耐久性影响；对混凝土的刚性与弹性的影响

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