硅酸盐水泥的水化过程ppt课件
第四章 硅酸盐水泥的水化
硅酸盐水泥的水化放热曲线与C3S的基本相同，图2-2-5-10 中出现了三个放热峰。第一个峰一般认为是由于AFt的形成，第 二个峰则是由于C3S水化形成C-S-H和CH相，第三个峰是由于石 膏消耗完后AFt向AFm相的转化。
多数研究者认为水化硅酸钙的组成随着水化反应的进程而改变，其C/S 比随龄期的增长而下降，例如从水化1天的1.9，到2,3年后可减少至1.4～1.6 左右。
C3S的水化过程的5个阶段：
I．初始水解期：加水后立即发生急剧反应，但该阶段时间 很短，在15min以内结束。又称诱导前期。 2．诱导期：这一阶段反应速率极其缓慢，又称静止期，一 般持续2～4h,是硅酸盐水泥浆体能在几小时内保持塑性的原 因。初凝时间基本上相当于诱导期的结束。 3．加速期：反应重新加快，反应速率随时间而增长，出现 第二个放热峰，在到达峰顶时本阶段即告结束（4～8h）。此 时终凝已过，开始硬化。 4．衰退期：反应速率随时间下降的阶段，又称减速期，约 持续12一24h，水化作用逐渐受扩散速率的控制。 5．稳定期：反应速率很低、基本稳定的阶段，水化作用完 全受扩散速率控制。
水化重新加速的第二放热峰，也足以说明由于石膏的 存在，水化延缓。所以，石膏的参量是决定C3A水化速率、 水化产物的类别及其数量的主要因素。但石膏的溶解速 率也很重要，如果石膏不能及时向溶液中供应足够的硫 酸根离子，就有可能在形成钙矾石之前，先生成单硫型 水化硫铝酸钙。所以，硬石膏、半水石膏等不同类型的 石膏，对于C3A水化过程的影响，就与通常所用的二水石 膏有着明显的差别。 按照一般硅酸盐水泥的石膏掺量，其最终的铝酸盐水 化物常为钙矾石与单硫型水化硫铝酸钙。同时在常用水 灰比的水泥浆体中，离子的迁移受到一定程度的限制， 较难充分地进行上述各种反应，因此钙矾石很有可能与 其它几种水化铝酸盐产物在局部区域同时并存。
硅酸盐水泥的水化
硅酸盐水泥的水化硅酸盐水泥加水后，首先石膏迅速溶解于水，C3A立即发生反应，C4AF与C3S亦很快水化而β-C2S则稍慢。
几分钟后在电子显微镜下可以观察到水泥颗粒表面生成针状晶体、立方片状晶体和无定型的水化硅酸钙凝胶(C-S-H)。
尺寸相对较大的立方板状晶体是氢氧化钙，针状晶体(或立方棱柱状晶体)是三硫型水化硫铝酸钙晶体(钙矾石AFt)。
以后由于不断地生成三硫型水化硫铝酸钙，使液相中SO42-离子逐渐耗尽后，C3A与C4AF和三硫型水化硫铝酸钙作用生成单硫型水化硫铝酸钙(AFm)。
生成的3Ca0·(A1203·Fe203)·CaS04&middo t;12H20可再和4Ca0·(A1204·Fe304)·13H20形成固溶体，如果石膏不足，还有C3A或C4AF剩留，则会生成单硫型水化硫铝酸钙和C4(AF)H13的固溶体，甚至单独的C4(AF)H13，而后再逐渐变成稳定的等轴晶体C3(AF)H6。
综上所述，硅酸盐水泥水化生成的主要水化产物有：C-S-H 凝胶、氢氧化钙、水化铝(铁)酸钙和水化硫铝(铁)酸钙晶体。
在充分水化的水泥石中，C-S-H凝胶约占70%，Ca(OH)2约占20%，钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙约占70%。
水泥石结构是由未水化的水泥颗粒、水化产物以及孔隙组成，水化产物晶体共生和交错，形成结晶网络结构，在水泥石中起重要的骨架作用，水化硅酸钙凝胶填充于其中。
C-S-H凝胶比表面积很大，表面能高，相互间受到分子间的引力作用，相互接触而发展了水泥石的强度。
因此，随着水化龄期的推移，C-S-H凝胶生成量增加，有助于水泥石强度增长。
水泥石的强度与其他多孔材料一样，取决于内部孔隙的数量，这类影响强度的孔隙，是指拌合水泥浆时形成的气孔及不参与水化反应的自由水所形成的毛细孔，但不包括极为微小的凝胶孔。
硅酸盐水泥的水化和硬化PPT课件
如图5 所示, 中心黑色部分为未水化的熟料颗粒, 直径约3 um, 外围包 裹的颜色较浅的产物为疏松的早期CSH 凝胶, 厚度约400 nm.大圈为SEM 附带EDX 的测量范围, 小圈为TEM 附带EDX 的测量范围. 可以发现, SEM 附带的EDX 测量不论选取哪个位置, 都会导致大部分元素分析结果来自 未水化的水泥颗粒. 水泥未水化熟料主要是由C3S, C2S, C3A 和C4AF 四 种矿物相组成, 4 种组分未水化前的Ca/Si 比都大于或等于2, 必然造成 SEM中EDX 测量的Ca/Si 比结果远大于CSH 凝胶实际的Ca/Si 比, 并导致 结果的波动增加, 数据方差增大;而TEM 则可以保证测量范围内均为CSH 凝胶, 得到的Ca/Si 比较为真实, 波动也较小.
通过SEM 和TEM 观察水泥浆体样品中的Ca(OH)2 晶体, 结果如图1 所示. 在SEM 图 像中, 能够发现大量的六方板状Ca(OH)2 晶体, 图1(a), 其尺寸为2 um 左右.。 Ca(OH)2 晶体在TEM 中形貌见图1(b), 同样为片状六方晶体. 用电子衍射方法能够 得到规则的衍射花样如图2 所示, 证明水泥浆体早期水化生成的Ca(OH)2 晶体为规 则的单晶结构。
素分析, 结果如图3(c)所示, 大量的元素为Ca 和Si, 从元素构成可以确认产物为CSH 凝胶.
分析结果中还有少量的Al, S, Mg, K 等元素, 这是由于水化早期CSH 凝胶生成量较少, 而
SEM 下EDX 的作用范围约为1μm3, 在这个分辨率下不可避免地有未水化水泥颗粒的干扰, 因此SEM附带的EDX 并不能给出准确的CSH 凝胶的元素分析结果, 只能是一个大概的数值。
使用TEM 研究水化12 h 的水泥样品, 可以观察到与SEM 观察结果类似的 针状产物, 长度约为1～2um, 如图7(b)所示. SEM 观察结果与TEM 观察 结果能够相互印证. 利用TEM 附带的高精度EDX 可以准确分辨AFt 和AFm, 如图7(f)与图7(e)所示, AFt 中的硫元素含量要远高于AFm. 在TEM 中进 一步精细观察水泥浆体中的针状水化产物, 如图7(c)与图7(d).AFt 与 AFm 都呈现定向生长. AFt 呈现较为完整的针状, 产物边缘整齐、棱角 分明; AFm 是由AFt 和C3A二次反应生成的, SEM 观察下也呈针状, 但在 TEM中, 可以发现AFm边缘不平整, 几乎没有棱角, 形貌趋向片层状发展, 有明显的二次反应迹象.
硅酸盐水泥的水化
硅酸盐水泥的水化硅酸盐水泥加水后，首先石膏迅速溶解于水，C3A立即发生反应，C4AF与C3S亦很快水化而β-C2S则稍慢。
几分钟后在电子显微镜下可以观察到水泥颗粒表面生成针状晶体、立方片状晶体和无定型的水化硅酸钙凝胶(C-S-H)。
尺寸相对较大的立方板状晶体是氢氧化钙，针状晶体(或立方棱柱状晶体)是三硫型水化硫铝酸钙晶体(钙矾石AFt)。
以后由于不断地生成三硫型水化硫铝酸钙，使液相中SO42-离子逐渐耗尽后，C3A与C4AF和三硫型水化硫铝酸钙作用生成单硫型水化硫铝酸钙(AFm)。
生成的3Ca0·(A1203·Fe203)·CaS04&middo t;12H20可再和4Ca0·(A1204·Fe304)·13H20形成固溶体，如果石膏不足，还有C3A或C4AF剩留，则会生成单硫型水化硫铝酸钙和C4(AF)H13的固溶体，甚至单独的C4(AF)H13，而后再逐渐变成稳定的等轴晶体C3(AF)H6。
综上所述，硅酸盐水泥水化生成的主要水化产物有：C-S-H 凝胶、氢氧化钙、水化铝(铁)酸钙和水化硫铝(铁)酸钙晶体。
在充分水化的水泥石中，C-S-H凝胶约占70%，Ca(OH)2约占20%，钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙约占70%。
水泥石结构是由未水化的水泥颗粒、水化产物以及孔隙组成，水化产物晶体共生和交错，形成结晶网络结构，在水泥石中起重要的骨架作用，水化硅酸钙凝胶填充于其中。
C-S-H凝胶比表面积很大，表面能高，相互间受到分子间的引力作用，相互接触而发展了水泥石的强度。
因此，随着水化龄期的推移，C-S-H凝胶生成量增加，有助于水泥石强度增长。
水泥石的强度与其他多孔材料一样，取决于内部孔隙的数量，这类影响强度的孔隙，是指拌合水泥浆时形成的气孔及不参与水化反应的自由水所形成的毛细孔，但不包括极为微小的凝胶孔。
第三章-硅酸盐水泥
试饼法
雷氏夹法 检测方法：
6. 强 度
检验方法——软练胶砂法，分别测量抗压强度 和抗折强度。
试件尺寸：4040160mm 胶砂配比：
棱柱体；
水泥 : ISO标准砂 : 水= 1 : 3 : 0.5； 振动成型： 在频率为2800~3000次/min，振幅0.75mm的振实台 上成型。振动时间120s。 试件养护： 在20 C 1C，相对湿度不低于90%的雾室或养护 箱中24h，然后脱模在20C 1 C的水中养护至测试 龄期；
水泥强度发展规律
强度 早期增长快，随后逐渐减慢； （MPa） 28天，基本达到极限强度的80％以上； 在合适的温湿度条件下，强度增长可以持续 几十天 乃至几十年。
时间（d） 3d 28d
水泥石强度的影响因素
影响孔隙率的因素均影响水泥石的强度
水灰比 水灰比越大，孔隙率越大，强度越低
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§3.2.3 硅酸盐水泥的技术性质
密度与堆积密度 细度 标准稠度用水量 凝结时间 体积安定性 强度 水化热 不溶物和烧失量 碱含量
1.密度与堆积密度
密度
3.05~3.20，混凝土配合比计算时，一般取3.10。
堆积密度
1000~1600kg/m3，在工地计算水泥仓库时，一般取 1300 kg/m3 。
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A B C D
A——凝胶体（C－S－H凝胶，水化 硅酸钙凝胶）； B——晶体（氢氧化钙、水化铝酸钙、 水化硫铝酸钙）； C——孔隙（毛细孔、凝胶孔、气孔 等）； D——未水化的水泥颗粒
水泥石的结构
水化产物＋未水化熟料颗粒＋孔隙
① 水化产物组成(充分水化时) C-S-H＋Ca(OH)2＋水化(硫)铝酸钙 70% 20% 7％ ② 孔隙组成 ＝ 凝胶孔＋毛细孔＋气孔
硅酸盐水泥的水化过程课件
随着全球气候变化和环境问题的加剧，硅酸盐水泥行业面临着减少碳排放、提高能源利用效率、降低环境污染等 重大挑战。此外，随着市场竞争的加剧和消费者对产品品质和服务质量的要求提高，硅酸盐水泥行业还需要加强 技术创新和产品升级，提高企业核心竞争力。
THANKS
感谢观看
的目的。
此外，硅酸盐水泥还可以用于制 造涂料、油漆等涂层材料，提高
涂层的硬度和耐候性。
07
CATALOGUE
结论与展望
硅酸盐水泥水化过程的结论
硅酸盐水泥熟料是水化反应的主要来源，其组成和性质对水化过程有重要影响。
硅酸盐水泥熟料中的硅酸三钙和硅酸二钙含量较高，它们的水化反应速度快，对混 凝土的早期强度贡献较大。
硅酸盐水泥的其他应用
在土木工程中的应用
硅酸盐水泥在土木工程中是一 种常用的建筑材料，具有高强 度、耐久性和良好的耐火性。
在桥梁、道路、建筑等土木工 程中，硅酸盐水泥被广泛用于 混凝土的配制，以提高结构的 强度和耐久性。
此外，硅酸盐水泥也常用于砌 筑砂浆的配制，具有良好的保 水性和易操作性。
在化学工业中的应用
水化产物。
水化产物的种类与性质
硅酸钙
硅酸钙是硅酸盐水泥的主要水化产物，它对水泥 石的强度、耐久性和化学稳定性都有重要影响。
氢氧化钙
氢氧化钙是水泥水化的副产物，它的溶解度较高 ，对水泥石的强度和耐久性产生不利影响。
铝酸钙
铝酸钙是水泥水化的中间产物，它对水泥石的强 度和耐久性也有重要影响。
水化过程中的能量变化
硅酸盐水泥是一种重要的无机非 金属材料，在化学工业中有着广
泛的应用。
例如，硅酸盐水泥可以用于生产 硫酸钙、磷酸钙等重要的化工原
料。
水泥水化过程,机理PPT课件
随着扩散作用的继续进行，钙矾石增多，当钙矾石覆 盖层增加到足够厚时，渗透到内部的SO42-逐渐减少到不足 以生成钙矾石，而形成单硫型水化硫铝酸钙、C4AHl3及其 固溶体，并伴随有体积增加。当固相体积增加所产生的结 晶压力达到一定数值时，钙矾石膜就会局部胀裂，水和离 子的扩散失去阻碍，水化就能得以继续进行。
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2.硅酸盐水泥凝结时间的调节 (1).快凝现象与假凝现象
快凝现象 指熟料粉磨后与水混合时很快凝结并放出热量的现象 假凝现象 指水泥的一种不正常的早期固化或过早变硬现象。
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7硅酸盐水泥的性能及耐久性
主要内容
7.1硅酸盐水泥的性能 7.2 耐久性
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7.1硅酸盐水泥的性能
7.1.1凝结时间
水泥浆体的凝结可分为初凝和终凝。
初凝表示水泥浆体失去流动性和部分可塑性，开始凝结。 终凝则表示水泥浆体逐渐硬化，完全失去可塑性，并具有一 定的机械强度，能抵抗一定的外来压力。
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影响凝结速度的因素
(1)水泥熟料矿物的组成
决定水泥凝结的主要矿物是C3A和C3S；在C3A含量较高 或石膏等缓凝剂掺量过少时，出现 “速凝”或“闪凝”。产 生这种不正常快凝时，浆体迅速放出大量热，温度急剧上升。
硅酸盐水泥的水化和硬化
图3 a
图3 c
图3(a)即为水化12 h 的水泥浆体在SEM 下的形貌. 圈出的位置即为水化产物CSH 凝胶, 呈现不规则絮状, 絮状的尺寸大致为200~500 nm. 从整体来看, 水泥浆体水化12 h后, CSH 凝胶生成量并不大, 产物层较薄, 但各处分布均匀. 在SEM 中使用EDX 对CSH 凝胶进行元 素分析, 结果如图3(c)所示, 大量的元素为Ca 和Si, 从元素构成可以确认产物为CSH 凝胶. 分析结果中还有少量的Al, S, Mg, K 等元素, 这是由于水化早期CSH 凝胶生成量较少, 而 SEM 下EDX 的作用范围约为1μm3, 在这个分辨率下不可避免地有未水化水泥颗粒的干扰, 因此SEM附带的EDX 并不能给出准确的CSH 凝胶的元素分析结果, 只能是一个大概的数值。
硅酸盐水泥的水化和硬化
水泥用适量的水拌合后，形成能与砂石集料结合的可塑性 浆体，随后逐渐失去塑性而凝结硬化为具有一定强度的石状体。 同时，还伴随着水化放热、体积变化和强度增长等现象，这说 明水泥拌水后产生了一系列复杂的物理、化学和物理化学的变
化。
一、 水泥水化过程
二、 水化初期产物形貌
三、 水化模型 四、晶种对硬化水泥的影响
混合材比例、研磨方式以及水泥细度对水泥早期水化热的影响的可行工
具。通过ANFIS 分析可获得一些关于普通水泥和混合水泥早期水化热的
预测结果。且与试验结果相比，ANFIS 获得的结果准确性很好。 ③R. Krstulovic 和P. Dabic 在水化动力学基础上进一步研究了水泥的
水化过程，提出了水泥基材料的多组分和多尺度水化反应的动力学模型，
水化产物 填充空隙 并将水泥 颗粒连接 在一起
已水化的水 泥浆里留下 的孔隙 未水化水 泥颗粒
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硅酸盐水泥的水化
水泥水化的液相环境
水泥拌水后，立即发生水化反应，各组分开始溶 解。所以极短的时间后，填充在颗粒之间的液相不再是纯 水，而是含有各种离子的溶液，主要为：
硅酸钙
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2019/6/10
无机非金属材料工艺学
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硅酸盐水泥的水化
硅酸盐水泥的水化放热曲线
钙矾石形成期：C3A率先水化→形成AFt →第一放热峰 C3S水化期：C3S水化→第二放热峰(有时AFt→AFm形成第三放热峰) 结构形成和发展期：放热速率很低并趋于稳定，水化产物相互交织
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请各位老师批评指正！ 非常感谢！
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SUCCESS
泥石)，这一过程称为硬化。
3
水泥加水以后为什么可以凝结硬化？
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水泥加水以后为什么可以凝结硬化？ Cement Water
5
水泥加水以后为什么可以凝结硬化？
Cement Water Hydration Products
6
水泥加水以后为什么可以凝结硬化？
Cement Water Hydration Products
硅酸盐水泥的水化
1
水泥＋水（流体）－可塑性浆体（塑性体）－固体
水泥
水
混
熟石 合 料膏 材
水
料
水化 凝结 硬化水化：物质由无水状态变为有水状态，由低含水变为
高含水，统称为水化。
凝结：水泥加水拌和初期形成具有可塑性的浆体，然
凝结。
后逐渐变稠并失去可塑性的过程称为
硬化：浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的石状固体(水
→ Ca2+，OH-
铝酸钙
→ Ca2+ ，Al(OH)4-
铁铝酸钙 → Ca2+ ，Fe(OH)4-
硫酸钙
→ Ca2+ ，SO42-
碱
→ K+，Na+，SO42-
即水泥的水化作用开始后基本上是在含碱的CH、
硫酸钙的饱和溶液中进行。
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硅酸盐水泥的水化
水化过程中各矿物间的相互作用
C3A、C4AF与石膏间关系； C3S对C2S的水化有一定的促进作用； 碱的影响：对不同矿物影响不一样； 当水泥颗粒周围C-S-H凝胶层不断增厚，水在C-S-H凝胶层内的 扩散速度逐渐成为影响各矿物水化的决定性因素； 浆体中拌水量不多，且水化过程中不断减少，水化是在浓度不断 变化的情况下进行的。
因而水化是从表面开始，在浓度和温度不断变化的条件下， 通过扩散作用缓慢向中心深入。较大水泥颗粒的中心往往会完全停 止水化，当温度、湿度条件适当时，再重新缓慢水化。
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硅酸盐水泥的水化
硅酸盐水泥的水化过程
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硅酸盐水泥的水化
水化前后固相及其所占体积比的变化
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硅酸盐水泥的水化
水化产物的基本特征
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水泥加水以后为什么可以凝结硬化？
Cement Water Hydration Products
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水泥加水以后为什么可以凝结硬化？
Hydration products connect grains
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