硅酸盐水泥的水化和硬化工艺要求(PPT 100页)
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硅酸盐水泥的水化和硬化
C3 A 3CS H32 2C3 A 4H 3(C3 A CS H12 ) 若石膏极少，在所有钙矾石转变成单硫型水化硫铝酸钙后， 还有C3A，那就形成
C3 A CS H12 和C4AH13的固溶体。
石膏的存在延缓了C3A的水化
（四）铁相固溶体（C4AF）的水化 水化速率比C3A低。其水化产物与C3A很相似。相当于C3A 中一部分氧化铝被氧化铁所置换，生成水化铝酸钙和水化铁酸 钙的固溶体。
C-S-H(Ⅱ)
定义：水化硅酸钙凝胶体（C-S-H） 组成:不固定，随钙硅比和水硅比变化 结构：微晶，尺寸接近于胶体范畴； 形貌：纤维状，网络状，等大粒子，内部产物； CH：晶体，层状，六方板状，生长在孔洞之间。
C3S水化历程:
五个阶段: 起始期 15min PH=12 急剧 诱导期（静止期）——使硅酸盐水泥保持塑性的原因； 2-4h诱导期结束的时间，即初凝时间。 加速期（4-8h）C-S-H和Ca(OH)2 大量形成，达到终凝。 减速期（12-24h） 稳定期 受扩散控制
C-S-H凝胶的组成与它所处 的溶液中的CaO浓度有关， C-S-H在一定的碱度下才能存 在,如2- 2-3图所示：
下表是对上图的总结:
CaO浓度 g/l
0.06-0.11
0.11-1.12
>1.12
CaO摩尔浓度 mol/l 1-2
2-20
>20
C/S
<1
0.8-1.5
1.5-2
水化产物
水化硅酸钙和硅酸凝胶 C-S-H(Ⅰ)
钙矾石在常温和一般湿度条件下的脱水曲线
四、水泥的凝结、硬化过程
1882年，雷霞特利提出的结晶理论； 1892年，米哈艾利斯又提出了胶体理论； 拜依柯夫将上述两理论加以发展，把水泥的硬化为三个时期： 第一，溶解期；第二，胶化期；第三，结晶期 列宾捷尔提出凝聚-结晶三维网状结构理论； 鲍格提出是巨大表面能的作用引起互相粘结； 洛赫尔提出的三阶段论:
C3 A CS H12 和C4AH13的固溶体。
石膏的存在延缓了C3A的水化
（四）铁相固溶体（C4AF）的水化 水化速率比C3A低。其水化产物与C3A很相似。相当于C3A 中一部分氧化铝被氧化铁所置换，生成水化铝酸钙和水化铁酸 钙的固溶体。
C-S-H(Ⅱ)
定义：水化硅酸钙凝胶体（C-S-H） 组成:不固定，随钙硅比和水硅比变化 结构：微晶，尺寸接近于胶体范畴； 形貌：纤维状，网络状，等大粒子，内部产物； CH：晶体，层状，六方板状，生长在孔洞之间。
C3S水化历程:
五个阶段: 起始期 15min PH=12 急剧 诱导期（静止期）——使硅酸盐水泥保持塑性的原因； 2-4h诱导期结束的时间，即初凝时间。 加速期（4-8h）C-S-H和Ca(OH)2 大量形成，达到终凝。 减速期（12-24h） 稳定期 受扩散控制
C-S-H凝胶的组成与它所处 的溶液中的CaO浓度有关， C-S-H在一定的碱度下才能存 在,如2- 2-3图所示：
下表是对上图的总结:
CaO浓度 g/l
0.06-0.11
0.11-1.12
>1.12
CaO摩尔浓度 mol/l 1-2
2-20
>20
C/S
<1
0.8-1.5
1.5-2
水化产物
水化硅酸钙和硅酸凝胶 C-S-H(Ⅰ)
钙矾石在常温和一般湿度条件下的脱水曲线
四、水泥的凝结、硬化过程
1882年，雷霞特利提出的结晶理论； 1892年，米哈艾利斯又提出了胶体理论； 拜依柯夫将上述两理论加以发展，把水泥的硬化为三个时期： 第一，溶解期；第二，胶化期；第三，结晶期 列宾捷尔提出凝聚-结晶三维网状结构理论； 鲍格提出是巨大表面能的作用引起互相粘结； 洛赫尔提出的三阶段论:
硅酸盐水泥的水化硬化概述
水化放热速率
Ca2＋浓度
诱导前期 (15分钟以
发生急剧反应，放热迅速， Ca2＋ 、OH-从C3S表面释放， 形成第一放热峰，而后放热 浓度急剧增大，pH值几分钟
内)
早 速率下降
就超过12，而后浓度增长减慢
诱导期 期 反应缓慢，放热速率很小， Ca2＋浓度持续增长并超过饱
(1～4小时)
水泥浆体保持塑性，诱导期 和浓度，在诱导期结束时达到
二、测定水化速率的方法
（1）直接法：岩相分析、x射线分析、热分析பைடு நூலகம்定量测定已水化 和未水化部分的数量。较为复杂。
（2）间接法：测定结合水、水化热、Ca(OH)2生成量。较为简单。
三、影响水化速率的因素 （1）熟料矿物的组成和性质
水化速率大小：C3A > C4AF > C3S > C2S B矿有四种不同晶型，对水化速率影响很大，β－C2S水化快，γ－C2S水化慢。 熟料矿物晶体中含有杂质、晶格缺陷、晶格畸变，水化速率快。 熟料矿物为固溶状态，如：F固溶在A矿，水化活性高，水化速率快。
活化粉煤灰用作水泥促凝剂的研究
——解决掺氟硫复合矿化剂水泥出现缓凝的问题
水泥主要是含氟A矿缓凝的原因
含氟A矿水化活性高，水化速率快，为何缓凝？ 水化产物C-S-H和Ca(OH)2形成速率快，但长大速率慢，不 足以相互搭接形成凝聚结构。 加速凝结的启示： 出窑熟料凝结时间长，加矿渣共同粉磨制成水泥后，凝结时 间缩短，为什么？ 矿渣具有潜在水硬性，本身含有部分熟料矿物组成，经水淬 时与水反应，生成了部分水化产物，它们作为“晶种”，加 速了水泥水化时生成的水化产物以它们为晶核而长大。
稳定期
后 反应速率很低，基本稳定， Ca2＋浓度趋近饱和浓度 期 完全受扩散控制
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。
硅酸盐水泥的水化和硬化
C3A＋3CaSO4·2H2O+26H2O＝C3A·3CaSO4·32H2O 当C3A尚未完全水化，而石膏已经耗尽时： C3A·3CaSO4·32H2O +2C3A＋4H2O＝ 3(C3A·CaSO4·12H2O) 当石膏掺量极少，所有的钙矾石都转化为单硫型水化硫铝酸 单硫型水化硫铝酸 钙后，可能有C3A剩余，会发生下述反应： C3A·CaSO4·12H2O +3C3A＋Ca(OH)2+12H2O＝ 2[3CaO·Al2O3(CaSO4、Ca(OH)2）·12H2O]
④
当石膏耗尽时，为 AFm C4 AF + H 2O → 水化铝酸钙+ 水化铁酸钙
23
24
25
26
1、钙矾石形成期 C3A率先水化。在石膏存在的条件下，迅速形成钙 矾石，这是导致第一放热峰的主要因素。 2、C3S水化期 C3S开始迅速水化，大量放热，形成第二个放热峰 。有时会有第三放热峰或在第二放热峰上出现一个“峰 肩”，一般认为是由于钙矾石转化成单硫型水化硫铝( 铁)酸钙而引起的。同时，C2S和铁相亦以不同程度参与 了这两个阶段的反应，生成相应的水化产物。 3、结构形成和发展期 放热速率很低并趋于稳定，随着各种水化产物的 增多，填入原先由水所占据的空间，再逐渐连接并相互 交织，发展成硬化的浆体结构。
14
C3S凝结时间正常，水化较快，粒径40一50um的颗 粒28d可水化70％左右。放热较多，早期强度高 且后期强度增进率较大．28d强度可达一年强度 的70％一80％，其28d强度和一年强度在四种矿 物中均最高。
15
硅酸二钙的水化
• 在常温下，C2S水化式: 2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2 简写为： C2S+nH=C-S-H+(2-x)CH
《硅酸盐水泥》PPT课件
33
➢ 2、水泥的凝结和硬化 ➢ 水泥的凝结和硬化是人为划分的，实际上是一个 ➢ 连续、复杂的物理化学变化过程。
初凝状态
终凝状态
硬化阶段
流动态
可塑态
固态
凝结阶段
34
➢ 3、影响水泥凝结硬化的主要因素 ➢ 除水泥熟料矿物成分及含量外，还与下列因素 ➢ 有关：
35
➢1）细度 ➢细度－－指水泥颗粒的粗细程度。
五级旋风预热器CDC 窑外分解系统
电收尘器
21
φ3.3×50m旋转窑
22
篦式冷却机 23
水泥粉磨及包装 φ3.8×13m水泥磨
24
八嘴回转式微机包装机
水泥皮带输送机 25
水泥库
26
石灰石质原料——石灰石、白垩等 粘土质原料——粘土、页岩等
CaO SiO2、Al2O3、Fe2O3
辅助原料（少量）——铁矿石、砂岩
长 的 时 间 隧 道，袅
结束
16
➢ 2、混合材料 ➢ 凡在硅酸盐水泥熟料中，掺入一定量的混合材 ➢ 料和适量石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料 ➢ ，称为混合材料水泥。
➢ 节约水泥熟料，提高产量，降低成本，调节 ➢ 标号，改善性能；还可利用工业废料，节约粘 ➢ 土和岩石资源。
17
非活性混合材： 用填充作 混合材品种：
活性混合材：填 ，充 增作 强用 作
➢常用活性混合材料有： ➢（1）矿渣 ➢（2）火山灰 ➢（3）粉煤灰。 ➢常用非活性混合材料有：石灰岩、砂岩、活性指 ➢标低于国家标准的活性混合材料。
18
4.1.2硅酸盐水泥的生产及矿物组成 生料制备、熟料煅烧和水泥粉磨三个过程
。
19
生料粉磨工艺
φ3.5×10m中卸烘干磨（生料粉磨 ）
➢ 2、水泥的凝结和硬化 ➢ 水泥的凝结和硬化是人为划分的，实际上是一个 ➢ 连续、复杂的物理化学变化过程。
初凝状态
终凝状态
硬化阶段
流动态
可塑态
固态
凝结阶段
34
➢ 3、影响水泥凝结硬化的主要因素 ➢ 除水泥熟料矿物成分及含量外，还与下列因素 ➢ 有关：
35
➢1）细度 ➢细度－－指水泥颗粒的粗细程度。
五级旋风预热器CDC 窑外分解系统
电收尘器
21
φ3.3×50m旋转窑
22
篦式冷却机 23
水泥粉磨及包装 φ3.8×13m水泥磨
24
八嘴回转式微机包装机
水泥皮带输送机 25
水泥库
26
石灰石质原料——石灰石、白垩等 粘土质原料——粘土、页岩等
CaO SiO2、Al2O3、Fe2O3
辅助原料（少量）——铁矿石、砂岩
长 的 时 间 隧 道，袅
结束
16
➢ 2、混合材料 ➢ 凡在硅酸盐水泥熟料中，掺入一定量的混合材 ➢ 料和适量石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料 ➢ ，称为混合材料水泥。
➢ 节约水泥熟料，提高产量，降低成本，调节 ➢ 标号，改善性能；还可利用工业废料，节约粘 ➢ 土和岩石资源。
17
非活性混合材： 用填充作 混合材品种：
活性混合材：填 ，充 增作 强用 作
➢常用活性混合材料有： ➢（1）矿渣 ➢（2）火山灰 ➢（3）粉煤灰。 ➢常用非活性混合材料有：石灰岩、砂岩、活性指 ➢标低于国家标准的活性混合材料。
18
4.1.2硅酸盐水泥的生产及矿物组成 生料制备、熟料煅烧和水泥粉磨三个过程
。
19
生料粉磨工艺
φ3.5×10m中卸烘干磨（生料粉磨 ）
硅酸盐水泥的水化与硬化
硅酸盐水泥的水化与硬化硅酸盐水泥是一种常用的水泥材料，具有较好的水化和硬化性能，广泛应用于建筑和工程领域。
本文将对硅酸盐水泥的水化和硬化进行详细的介绍，包括水泥的成分、水化反应过程、硬化机理以及影响水化和硬化的因素等内容。
硅酸盐水泥是以矿渣、石灰石和黏土为原料，经过磨碎、燃烧和砂浆等工艺加工而成。
一般情况下，硅酸盐水泥的主要成分包括三种物质：硅酸盐矿物、石灰和无定形物质。
硅酸盐矿物是硅酸盐水泥的主要成分，其含有的SiO2和CaO可以发生水化反应，形成具有胶凝性的凝胶体。
石灰则是硅酸盐水泥中的辅助胶凝材料，其主要作用是加速水化反应的进行。
无定形物质是水泥中的杂质，一般情况下不参与水化和硬化过程。
水化反应是硅酸盐水泥的重要特性之一。
当硅酸盐水泥与水接触后，水分子与硅酸盐矿物中的CaO和SiO2发生反应，导致硅酸盐矿物发生水化并形成胶体物质。
水化反应的过程可以分为两个阶段：低水化率的溶解和高水化率的凝胶化。
在溶解阶段，水分子侵入硅酸盐矿物的晶体结构中，使其结构发生破坏并释放出Ca2+和OH-离子。
随着时间的推移，硅酸盐矿物的溶解率逐渐降低，凝胶化过程逐渐主导。
硬化是硅酸盐水泥水化反应的结果，也是水泥材料使用的关键性质。
在硬化过程中，水泥和水反应生成的胶凝体逐渐结晶并与无定形物质相结合，形成稳定的硬质凝胶，从而增强了水泥材料的强度和硬度。
硬化的机理主要涉及胶凝凝胶的形成、晶体生长和无定形物质的变化等过程。
胶凝凝胶的形成使水泥材料具有粘结性，晶体生长则使水泥材料具有硬度和强度。
无定形物质的变化则会影响水泥材料的性能，如开裂、收缩和腐蚀等。
水化和硬化过程受到各种因素的影响，包括水泥成分、水化温度、水化时间、水泥颗粒大小和水泥与水的质量比等因素。
水泥成分的不同会影响水化反应的速率和产物的特性。
水化温度越高，水化反应的速率越快，而水化时间越长，水泥材料的强度和硬度越高。
水泥颗粒的大小和分布会影响水泥的填充效果和反应程度，从而影响水化和硬化的速率和特性。
硅酸盐水泥的水化过程课件
挑战
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。
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。
硅酸盐水泥水化过程
硅酸盐水泥水化过程1、硅酸盐水泥的化学成分和矿物成分分析我们知道硅酸盐水泥中由于人为设计加入了许多的钙、铁、铝等阳离子，这些离子在水泥煅烧过程与二氧化硅网络结合，在网络中形成离子缺陷，而这些离子的多与少、相互之间的比例都会对二氧化硅网络的稳定性产生决定性的影响，所以无论如何强调水泥的化学成份都不为过。
而这些阳离子与二氧化硅网络的结合是完全无序的，有的地方或许钙离子会富集多一点而某些地方其它阳离子为富集得多一些，所以我们常常依据这一特点，将硅酸盐水泥的矿物成份区别为硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙(C3A)和铁铝酸四钙(C4AF)但考虑到它的空间网络结构，在水泥中很难分离出这四种矿物，可以设想每一粒水泥颗粒中包含了这四种矿物，只是在不同的空间位置，可能某种矿物会更为富集而已。
硅酸盐水泥中，由于硅酸三钙的钙离子含量更高，所以它的反应速度一定会超过硅酸二钙，而铝酸三钙的反应最快，铁铝酸四钙相对于铝酸三钙要慢，但也快于硅酸三钙，所以这四种矿物成分的水化反应速度依次为C3A、C4AF、C3S、C2S。
硅酸盐水泥的化学成分会极大地影响这四种矿物在水泥中的比例。
2、硅酸盐水泥的水化硬化过程硅酸盐水泥的水化硬化过程由水泥与水发生化学反应主导，四种主要矿物都会发生反应，是一个连续且漫长的过程。
这些反应不仅受到各种矿物成分的水化反应的直接影响，还受到反应物和反应产物在空间位置的影响，表现出一定的阶段性。
在宏观上，硅酸盐水泥从与水接触开始，处于软化状态，随着水化反应的进行，会放出热量，生成反应产物，反应物的生成以及水分的消耗，导致其稠度也会增加，水泥浆会逐渐失去流动性;随着反应进一步增加，会在水泥颗粒周围成纤维状排列;这些纤维搭接在一起，整个系列开始失去软塑性而开始硬化。
在简单介绍了水泥的水化硬化前提下，我们还要探讨硅酸盐水泥不同矿物的水化特性都会影响它的水化硬化过程，而且对于混凝土的水泥硬化过程具有决定性的影响，并最终影响混凝土的各项性能。
水泥工艺硅酸盐水泥的水化和硬化
水泥工艺硅酸盐水泥的 水化和硬化
2020/11/22
水泥工艺硅酸盐水泥的水化和硬化
硅酸盐水泥的水化和硬化
水泥加水以后为什么可以凝结硬化？
水泥工艺硅酸盐水泥的水化和硬化
水泥工艺硅酸盐水泥的水化和硬化
水泥工艺硅酸盐水泥的水化和硬化
水泥工艺硅酸盐水泥的水化和硬化
水泥工艺硅酸盐水泥的水化和硬化
水化产物 填充空隙 并将水泥 颗粒连接 在一起
水泥工艺硅酸盐水泥的水化和硬化
1 熟料单矿物的水化
三、铝酸三钙 (一) 无石膏 1．常温下水化
C4AH13和C2AH8在常温下处于介稳状态，且随温度升高而转化 加速。C3A本身水化热高，因而极易按上式转化。
2．在温度较高(35℃以上)的情况下，可直接生成C3AH6晶体。 这些产物均为片状。
水泥工艺硅酸盐水泥的水化和硬化
早期水化产物，大部分在颗粒原始周界以外由水所填充的 空间----这部分C-S-H称外部产物。
后期的生长则在颗粒原始周界以内的区域形成----内部产 物。
随着内部产物的形成和发展，C3S的水化即由减速期向稳定 期转变。
水泥工艺硅酸盐水泥的水化和硬化
1 熟料单矿物的水化
7．C3S的后期水化 泰勒认为：水化过程中存在一个界面区，并逐渐向颗粒内 部推进，H2O离解成的H+在内部产物中从一个氧原子(或水分子) 转移到另一个氧原子，一直到达C3S界面并与之作用；而界面区 内部分Ca2+和Si4+则通过内部产物向外迁移，转入CH和外部C-SH。因此，界面内是得到H+，失去Ca2+和Si4+，原子重新排组， 从而使C3S转化成内部C-S-H。如此，随着界面区向内推进，水 化继续进行。由于空间限制及离子浓度变化，内部C-S-H在形貌 和成分等方面与外部C-S-H会有所不同，通常是较为密实。
2020/11/22
水泥工艺硅酸盐水泥的水化和硬化
硅酸盐水泥的水化和硬化
水泥加水以后为什么可以凝结硬化？
水泥工艺硅酸盐水泥的水化和硬化
水泥工艺硅酸盐水泥的水化和硬化
水泥工艺硅酸盐水泥的水化和硬化
水泥工艺硅酸盐水泥的水化和硬化
水泥工艺硅酸盐水泥的水化和硬化
水化产物 填充空隙 并将水泥 颗粒连接 在一起
水泥工艺硅酸盐水泥的水化和硬化
1 熟料单矿物的水化
三、铝酸三钙 (一) 无石膏 1．常温下水化
C4AH13和C2AH8在常温下处于介稳状态，且随温度升高而转化 加速。C3A本身水化热高，因而极易按上式转化。
2．在温度较高(35℃以上)的情况下，可直接生成C3AH6晶体。 这些产物均为片状。
水泥工艺硅酸盐水泥的水化和硬化
早期水化产物，大部分在颗粒原始周界以外由水所填充的 空间----这部分C-S-H称外部产物。
后期的生长则在颗粒原始周界以内的区域形成----内部产 物。
随着内部产物的形成和发展，C3S的水化即由减速期向稳定 期转变。
水泥工艺硅酸盐水泥的水化和硬化
1 熟料单矿物的水化
7．C3S的后期水化 泰勒认为：水化过程中存在一个界面区，并逐渐向颗粒内 部推进，H2O离解成的H+在内部产物中从一个氧原子(或水分子) 转移到另一个氧原子，一直到达C3S界面并与之作用；而界面区 内部分Ca2+和Si4+则通过内部产物向外迁移，转入CH和外部C-SH。因此，界面内是得到H+，失去Ca2+和Si4+，原子重新排组， 从而使C3S转化成内部C-S-H。如此，随着界面区向内推进，水 化继续进行。由于空间限制及离子浓度变化，内部C-S-H在形貌 和成分等方面与外部C-S-H会有所不同，通常是较为密实。
硅酸盐水泥的水化和硬化工艺要求
即在不同石膏掺量的情况下，产物不同。
1 熟料单矿物的水化
四、铁铝酸四钙 1．铁铝酸四钙的水化速率比C3A略慢， 水化热较低，即使单独水化也不会引起瞬凝。 2．C4AF的水化反应及其产物与C3A极
为相似。氧化铁基本上起着与氧化铝相同的作 用，也就是在水化产物中置换部分铝，形成水
化硫铝酸钙和水化硫铁酸钙的固溶体，或水化 铝酸钙和水化铁酸钙的固溶体。
1 熟料单矿物的水化
四、铁铝酸四钙 3．随着石膏量的逐渐减少，其水化产 物依次为：
2 硅酸盐水泥的水化
一、水泥的液相环境
硅酸盐水泥实际使用中的水化作用是在 少量水中进行的，一般加水量约为30-60%。
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：
在所生成的水化产物中，有许多是属于 胶体尺寸的晶体。随着水化反应的不断进行， 各种水化产物逐渐填满原来由水所占据的空间， 固体粒子逐渐接近。由于钙矾石针棒状晶体的 相互搭接，特别是大量箔片状、纤维状C-S-H 的交叉攀附，从而使原先分散的水泥颗粒以及 水化产物连续起来，构成一个三度空间牢固结 合、密实的整体。
硅酸盐水泥的水化和硬化工艺要 求
硅酸盐水泥的水化和硬化
水泥加水以后为什么可以凝结硬 化？
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
硅酸盐水泥的水化和硬化
水化速度与矿物水化快慢有关； 强度与浆体结构形成有关。
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，然后逐渐变稠并失去可塑性的过程称为凝结。 硬化－此后，浆体的强度逐渐提高并变成坚硬 的石状固体（水泥石），这一过程称为硬化。
1 熟料单矿物的水化
四、铁铝酸四钙 1．铁铝酸四钙的水化速率比C3A略慢， 水化热较低，即使单独水化也不会引起瞬凝。 2．C4AF的水化反应及其产物与C3A极
为相似。氧化铁基本上起着与氧化铝相同的作 用，也就是在水化产物中置换部分铝，形成水
化硫铝酸钙和水化硫铁酸钙的固溶体，或水化 铝酸钙和水化铁酸钙的固溶体。
1 熟料单矿物的水化
四、铁铝酸四钙 3．随着石膏量的逐渐减少，其水化产 物依次为：
2 硅酸盐水泥的水化
一、水泥的液相环境
硅酸盐水泥实际使用中的水化作用是在 少量水中进行的，一般加水量约为30-60%。
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：
在所生成的水化产物中，有许多是属于 胶体尺寸的晶体。随着水化反应的不断进行， 各种水化产物逐渐填满原来由水所占据的空间， 固体粒子逐渐接近。由于钙矾石针棒状晶体的 相互搭接，特别是大量箔片状、纤维状C-S-H 的交叉攀附，从而使原先分散的水泥颗粒以及 水化产物连续起来，构成一个三度空间牢固结 合、密实的整体。
硅酸盐水泥的水化和硬化工艺要 求
硅酸盐水泥的水化和硬化
水泥加水以后为什么可以凝结硬 化？
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
硅酸盐水泥的水化和硬化
水化速度与矿物水化快慢有关； 强度与浆体结构形成有关。
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，然后逐渐变稠并失去可塑性的过程称为凝结。 硬化－此后，浆体的强度逐渐提高并变成坚硬 的石状固体（水泥石），这一过程称为硬化。
硅酸盐水泥的水化、凝结与硬化
坚硬的水泥石的过程。 ➢水泥的凝结与硬化过程由以下四个过程组成。
凝结硬化过程
初始反应期 潜伏期 凝结期 硬化期
初始的溶解和水化，约持续5-10分钟。
流动性可塑性好凝胶体膜层围绕水泥颗 粒成长，1h
凝胶膜破裂、长大并连接、水泥颗粒进 一步水化，6h。多孔的空间网络—凝聚 结构，失去可塑性
凝胶体填充毛细管，6h-若干年硬化石状 体密实空间网
3CaO·Al2O3·6H2O+ H2O+CaSO4·2H2O 3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O
钙矾石
水泥熟料单矿物水化时特征
矿物种类
硅酸三钙
硅酸二钙
铝酸三钙
缩写 含量（%） 水化速度
C3S 37-60
快Leabharlann C2S 15-37慢
C3A 7-15 最快
水化热
多
少
最多
反应速度： 强放度 热量：
3CaO·SiO2+H2O CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2
硅酸二钙水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶 体。
该水化反应的速度慢，对后期龄期混凝土强度的 发展起关键作用。水化热释放缓慢。
产物中氢氧化钙的含量减少时，可以生成更多的 水化产物。
2CaO·SiO2+H2O 3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2
铝酸三钙水化生成水化铝酸钙晶体。 该水化反应速度极快，并且释放出大量的热量。 如果不控制铝酸三钙的反应速度，将产生闪凝现象，水泥将 无法正常使用。 通常通过在水泥中掺有适量石膏，可以避免上述问题的发生。
3CaO·Al2O3+H2O
3CaO·Al2O3·6H2O
铁铝酸四钙水化生成水化铝酸钙晶体和水化铁酸钙凝胶
凝结硬化过程
初始反应期 潜伏期 凝结期 硬化期
初始的溶解和水化，约持续5-10分钟。
流动性可塑性好凝胶体膜层围绕水泥颗 粒成长，1h
凝胶膜破裂、长大并连接、水泥颗粒进 一步水化，6h。多孔的空间网络—凝聚 结构，失去可塑性
凝胶体填充毛细管，6h-若干年硬化石状 体密实空间网
3CaO·Al2O3·6H2O+ H2O+CaSO4·2H2O 3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O
钙矾石
水泥熟料单矿物水化时特征
矿物种类
硅酸三钙
硅酸二钙
铝酸三钙
缩写 含量（%） 水化速度
C3S 37-60
快Leabharlann C2S 15-37慢
C3A 7-15 最快
水化热
多
少
最多
反应速度： 强放度 热量：
3CaO·SiO2+H2O CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2
硅酸二钙水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶 体。
该水化反应的速度慢，对后期龄期混凝土强度的 发展起关键作用。水化热释放缓慢。
产物中氢氧化钙的含量减少时，可以生成更多的 水化产物。
2CaO·SiO2+H2O 3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2
铝酸三钙水化生成水化铝酸钙晶体。 该水化反应速度极快，并且释放出大量的热量。 如果不控制铝酸三钙的反应速度，将产生闪凝现象，水泥将 无法正常使用。 通常通过在水泥中掺有适量石膏，可以避免上述问题的发生。
3CaO·Al2O3+H2O
3CaO·Al2O3·6H2O
铁铝酸四钙水化生成水化铝酸钙晶体和水化铁酸钙凝胶
硅酸盐水泥的水化
提抗腐供蚀性强度：
CCC高 好333AAS＞＞＞CCC332SS早S低好＞＞＞后高CCC443AAAFF＞＞＞低差CCC422ASSF
收缩
中
较大
大
铁铝酸四钙
C4AF 10-18
快 较多
低 极好
小
凝结与硬化
何为凝结？ 水泥加水拌和形成具有一定流动性和可塑性的浆体，经过自身的物理
化学变化逐渐变 稠失去可塑性的过程。 何为硬化？ 失去可塑性的浆体随着时间的增长产生明显的强度，并逐渐发展成为
坚硬的水泥石的过程。 水泥的凝结与硬化过程由以下四个过程组成。
凝结硬化过程
初始反应期 潜伏期 凝结期 硬化期
初始的溶解和水化，约持续5-10分钟。
流动性可塑性好凝胶体膜层围绕水泥颗 粒成长，1h
凝胶膜破裂、长大并连接、水泥颗粒进 一步水化，6h。多孔的空间网络—凝聚 结构，失去可塑性
凝胶体填充毛细管，6h-若干年硬化石状 体密实空间网
2CaO·SiO2+H2O 3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2
铝酸三钙水化生成水化铝酸钙晶体。 该水化反应速度极快，并且释放出大量的热量。 如果不控制铝酸三钙的反应速度，将产生闪凝现象，水泥将 无法正常使用。 通常通过在水泥中掺有适量石膏，可以避免上述问题的发生。
3CaO·Al2O3+H2O
3CaO·Al2O3·6H2O
铁铝酸四钙水化生成水化铝酸钙晶体和水化铁酸钙凝胶
该水化反应的速度和水化放热量均属中等。
4CaO·Al2O3·Fe2O3+H2O
3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O
石膏调节凝结时间的原理
石膏与水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙针状晶体（钙矾石）。 该晶体难溶，包裹在水泥熟料的表面上，形成保护膜，阻碍水分进 入水泥内部，使水化反应延缓下来，从而避免了纯水泥熟料水化产生 闪凝现象。 所以，石膏在水泥中起调节凝结时间的作用。
CCC高 好333AAS＞＞＞CCC332SS早S低好＞＞＞后高CCC443AAAFF＞＞＞低差CCC422ASSF
收缩
中
较大
大
铁铝酸四钙
C4AF 10-18
快 较多
低 极好
小
凝结与硬化
何为凝结？ 水泥加水拌和形成具有一定流动性和可塑性的浆体，经过自身的物理
化学变化逐渐变 稠失去可塑性的过程。 何为硬化？ 失去可塑性的浆体随着时间的增长产生明显的强度，并逐渐发展成为
坚硬的水泥石的过程。 水泥的凝结与硬化过程由以下四个过程组成。
凝结硬化过程
初始反应期 潜伏期 凝结期 硬化期
初始的溶解和水化，约持续5-10分钟。
流动性可塑性好凝胶体膜层围绕水泥颗 粒成长，1h
凝胶膜破裂、长大并连接、水泥颗粒进 一步水化，6h。多孔的空间网络—凝聚 结构，失去可塑性
凝胶体填充毛细管，6h-若干年硬化石状 体密实空间网
2CaO·SiO2+H2O 3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2
铝酸三钙水化生成水化铝酸钙晶体。 该水化反应速度极快，并且释放出大量的热量。 如果不控制铝酸三钙的反应速度，将产生闪凝现象，水泥将 无法正常使用。 通常通过在水泥中掺有适量石膏，可以避免上述问题的发生。
3CaO·Al2O3+H2O
3CaO·Al2O3·6H2O
铁铝酸四钙水化生成水化铝酸钙晶体和水化铁酸钙凝胶
该水化反应的速度和水化放热量均属中等。
4CaO·Al2O3·Fe2O3+H2O
3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O
石膏调节凝结时间的原理
石膏与水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙针状晶体（钙矾石）。 该晶体难溶，包裹在水泥熟料的表面上，形成保护膜，阻碍水分进 入水泥内部，使水化反应延缓下来，从而避免了纯水泥熟料水化产生 闪凝现象。 所以，石膏在水泥中起调节凝结时间的作用。
通用硅酸盐水泥ppt课件
级配。
2020/3/28
8
助磨剂
• 表面活性物质：如亚硫酸纸浆废液、三乙醇胺
下脚料，乙二醇，丙二醇等。
• 可消除细粉的粘附和聚集现象。提高粉磨效率，
优化水泥颗粒组成。
• 应对水泥的性能无害 • 加入量不应大于水泥质量的0.5%, 助磨剂应符
合JC/T 667要求。
2020/3/28
9
六种通用水泥的组分
《通用硅酸盐水泥》
GB175-2007
2020/3/28
1
水泥术语和定义
硅酸盐水泥 熟料
规定的 混合材
适量 的石 膏
助 磨 剂
磨机粉磨、或混合均匀
水泥
2020/3/28
2
硅酸盐水泥熟料组成
• 定义：由主要含CaO、SiO2、Al2O3、
Fe2O3的原料，按适当比例磨细成细粉 烧至部分熔融所得以硅酸钙为主要矿 物成份的水硬性胶凝物质。其中硅酸 钙矿物不小于66%，氧化钙和氧化硅质 量比不小于2.0。
品种
硅酸盐 水泥
普通硅酸 盐水泥 矿渣硅酸 盐水泥 火山灰质 硅酸盐 水泥 粉煤灰硅 酸盐水泥 复合硅酸 盐水泥
代号
P·I P·Ⅱ
P·O P·S·A P·S·B P·P
P·F P·C
熟料+石 膏
100
≥95
≥95 ≥80且 <95 ≥50且 <80 ≥30且 <50
≥60且 <80
≥60且 <80 ≥50且 <80
硬性，以及兼有火山灰性和水硬性的矿物 质材料 。
• 包括：符合相关标准要求的粒化高炉矿渣、
火山灰质混合材料和粉煤灰;
• 这类混合材含有一定的活性组分,在常温下
2020/3/28
8
助磨剂
• 表面活性物质：如亚硫酸纸浆废液、三乙醇胺
下脚料，乙二醇，丙二醇等。
• 可消除细粉的粘附和聚集现象。提高粉磨效率，
优化水泥颗粒组成。
• 应对水泥的性能无害 • 加入量不应大于水泥质量的0.5%, 助磨剂应符
合JC/T 667要求。
2020/3/28
9
六种通用水泥的组分
《通用硅酸盐水泥》
GB175-2007
2020/3/28
1
水泥术语和定义
硅酸盐水泥 熟料
规定的 混合材
适量 的石 膏
助 磨 剂
磨机粉磨、或混合均匀
水泥
2020/3/28
2
硅酸盐水泥熟料组成
• 定义：由主要含CaO、SiO2、Al2O3、
Fe2O3的原料，按适当比例磨细成细粉 烧至部分熔融所得以硅酸钙为主要矿 物成份的水硬性胶凝物质。其中硅酸 钙矿物不小于66%，氧化钙和氧化硅质 量比不小于2.0。
品种
硅酸盐 水泥
普通硅酸 盐水泥 矿渣硅酸 盐水泥 火山灰质 硅酸盐 水泥 粉煤灰硅 酸盐水泥 复合硅酸 盐水泥
代号
P·I P·Ⅱ
P·O P·S·A P·S·B P·P
P·F P·C
熟料+石 膏
100
≥95
≥95 ≥80且 <95 ≥50且 <80 ≥30且 <50
≥60且 <80
≥60且 <80 ≥50且 <80
硬性，以及兼有火山灰性和水硬性的矿物 质材料 。
• 包括：符合相关标准要求的粒化高炉矿渣、
火山灰质混合材料和粉煤灰;
• 这类混合材含有一定的活性组分,在常温下
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早期水化产物，大部分在颗粒原始周界以外由水所填充的 空间----这部分C-S-H称外部产物。
后期的生长则在颗粒原始周界以内的区域形成----内部产 物。
随着内部产物的形成和发展，C3S的水化即由减速期向稳定 期转变。
1 熟料单矿物的水化
7．C3S的后期水化 泰勒认为：水化过程中存在一个界面区，并逐渐向颗粒内 部推进，H2O离解成的H+在内部产物中从一个氧原子(或水分子) 转移到另一个氧原子，一直到达C3S界面并与之作用；而界面区 内部分Ca2+和Si4+则通过内部产物向外迁移，转入CH和外部C-SH。因此，界面内是得到H+，失去Ca2+和Si4+，原子重新排组， 从而使C3S转化成内部C-S-H。如此，随着界面区向内推进，水 化继续进行。由于空间限制及离子浓度变化，内部C-S-H在形貌 和成分等方面与外部C-S-H会有所不同，通常是较为密实。
1 熟料单矿物的水化
四、铁铝酸四钙 3．随着石膏量的逐渐减少，其水化产物依次为：
4．铁相固溶体的水化活性随A/F比的增加而提高。
2 硅酸盐水泥的水化
一、水泥的液相环境
硅酸盐水泥实际使用中的水化作用是在少量水中进行的， 一般加水量约为30-60%。
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：
三、铝酸三钙 (二) 有石膏 5．无石膏，则最终转换为水石榴石C3AH6。
一般硅酸盐水泥石膏掺量，其最终产物为AFt＋AFm。
但在通常水灰比的水泥浆体中，离子的迁移受到一定程度 的限制，较难充分进行上述各种反应，因而钙矾石与其它几种 水化铝酸盐产物在局部区域同时并存也是有可能的。
即在不同石膏掺量的情况下，产物不同。
4 硬化水泥浆体
水泥拌水后，很快发生水化反应，水化产物相互交结，使 浆体失去流动性，变成具有一定强度的石状体。此为水泥的凝 结，即水化导致凝结硬化。
一、水泥浆体能凝结硬化的原因 1．结晶理论：雷霞特利。水化物的结晶交结而凝结硬化 2．胶体理论：米哈艾利斯。胶体由于内吸脱水而成刚性凝 胶的过程 3．拜依柯夫三阶段学说(综合1、2理论)：溶解、胶化、结 晶 4．洛赫尔三阶段学说：水化产物形成强弱不等的接触点， 将各颗粒联接成网而形成强度 5．泰勒早、中、后三时期
3 水化速率
2．水化速率的测定方法 （1）．直接法：岩相分析法、x-射线分析法、电子探针、 扫描电镜等，定量地测定已水化和未水化的数量。 （2）．间接法：测定结合水量、水化热、水泥石的比面积 等与水化程度相关的量来反应。 （3）．实验室中常用测定结合水法----原理及方法
3 水化速率
二、水化速率的影响因素 1．熟料矿物组成与晶体结构：各熟料矿物的水硬活性主要 与不规则配位、高配位等造成的晶体结构的缺陷情况有关。 2．水灰比的影响 3．细度的影响 4．温度的影响 5．外加剂的影响
2 硅酸盐水泥的水化
三、水化过程 1．钙矾石形成期 2．C3S水化期 3．结构形成和发展期 放热速率很低并趋于稳定，随着各种水化产物的增多，填 入原先由水所占据的空间，再逐渐连接并相互交织，发展成硬 化浆体结构。
2 硅酸盐水泥的水化
四、水化产物 CH、 C-S-H凝胶、 水化铝酸钙、 水化铁酸钙、 水化硫铝酸钙、 水化硫铝(铁)酸钙等。
已水化的水 泥浆里留下 的孔隙
未水化水 泥颗粒
硅酸盐水泥的水化和硬化
水化速度与矿物水化快慢有关； 强度与浆体结构形成有关。
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，然后逐渐 变稠并失去可塑性的过程称为凝结。
硬化－此后，浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的石状固体 （水泥石），这一过程称为硬化。
硅酸盐水泥的水化和硬化
水泥用适量的水拌合后，形成能砂石集料的可塑性浆体， 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。
硅酸盐水泥的水化和硬化
水泥加水以后为什么可以凝结硬化？
水化产物 填充空隙 并将水泥 颗粒连接 在一起
1 熟料单矿物的水化
5．诱导期产生和结束的假说(C3S的早期水化) (1) 保护层理论：C3S一致溶早期水化产物形成保护层→进 入诱导期，保护层破裂→诱导期结束。 (2) 延迟成核理论：不一致溶，认为诱导期是由于CH或C-S-H 的晶核的形成和生长都需要一定的时间，从而使水化延缓所致。
(3) 晶格缺陷理论：晶格缺陷的类别和数量是决定诱导期长
硅酸钙 --→ 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。
2 硅酸盐水泥的水化
二、水化过程中各矿物间的相互作用 1．C3A、C4AF与石膏间关系： 2．C3S对C2S的水化有一定的促进作用。 3．碱的影响：对不同矿物影响不一样。 4．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， 5．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。
1 熟料单矿物的水化
一、硅酸三钙 占50%左右，高达60%，所以硬化水泥浆体的性能很大程度 上取决于C3S的水化作用、产物及所形成的结构。 1．水化反应方程式 3CaO·SiO2 + nH2O == xCaO·SiO2·yH2O + (3-x)Ca(OH)2 C3S + nH == C-S-H + (3-x)CH 2．水化产物： 水化硅酸钙(组成不定，C/S、H/S比均在较大范围内变动， 其组成与所处的液相的CH浓度有关)、氢氧化钙。
1 熟料单矿物的水化
8．C3S水化各阶段的化学过程和动力学过程
1 熟料单矿物的水化
二、硅酸二钙 1．水化反应方程式 2CaO·SiO2 + mH2O == xCaO·SiO2·yH2O + (2-x)Ca(OH)2 C2S + mH == C-S-H + (2-x)CH
1 熟料单矿物的水化
二、硅酸二钙
短的主要因素。 (4) 综合性假说
1 熟料单矿物的水化
6．C3S的中期水化 在加速期，伴随着CH和C-S-H的形成和长大，液相中的CH和 C-S-H的过饱和度降低，又会相应地使CH和C-S-H的生长速度变 慢。随着水化产物在颗粒周围的形成，C3S的水化也受到阻碍。 因而，水化加速过程逐渐转入减速期。
1 熟料单矿物的水化
三、铝酸三钙 (一) 无石膏 1．常温下水化
C4AH13和C2AH8在常温下处于介稳状态，且随温度升高而转化 加速。C3A本身水化热高，因而极易按上式转化。
2．在温度较高(35℃以上)的情况下，可直接生成C3AH6晶体。 这些产物均为片状。
1 熟料单矿物的水化
三、铝酸三钙 (一) 无石膏 3．当液相的[CaO]浓度达到饱和(碱性液相)时，C3A还可能 依下式水化：
1 熟料单矿物的水化
三、铝酸三钙 (二) 有石膏 3．当石膏量再少(石膏: C3A＝1.0)，则钙矾石全部转换为 AFm，此时的水化产物只有AFm。 4．再少(石膏: C3A＜1.0)，钙矾石全部转换为AFm后，还 有C3A剩余，则C3A与单硫型水化硫铝酸钙反应生成单硫型固溶体
1 熟料单矿物的水化
2．水化机理
①．和C3S相似，也有诱导期、加速期等。但水化速度慢， 约为C3S的1/20，β-C2S即使在几周后也只在表面上覆盖一层很 薄的无定形水化硅酸钙。
②．第二放热峰不明显。水化产物C-S-H形貌与C3S相似， 但CH晶体比C3S少，有利于强度发展。
③．β-C2S水化过程中水化产物的成核和晶体长大速率与 C3S相差不大，但通过水化产物层的扩散速率要低8倍左右，而 表面的溶解速率则相差几十倍之多。这表明β-C2S的水化速率主 要由表面溶解速率所控制。
硅酸盐水泥的水化和硬化
为了更好地应用水泥，必须了解水化硬化过程的机理，以 便控制和改善水泥性能。但由于水泥熟料是多矿物的集合体， 与水的作用比较复杂，因而通常先研究水泥单矿物的水化，然 后再研究水泥总的水化和硬化过程。
各矿物与水的作用，称为“一次水化作用” 水化物之间的相互作用称“二次水化作用” 在水泥的水化过程中，一次作用、二次作用是交织在一起 进行的。
这个反应在硅酸盐水泥浆体的碱性液相中最易发生，而处
于碱性介质中的C4AH13在室温下又能够稳定存在。这些片状水化
产物不仅长在水泥颗粒上，同时还分布在充满水的空隙中，其 数量迅速增多，互相粘结成桥，形成松散的网状结构，就足以
阻碍粒子的相对移动，据认为是使浆体产生瞬时凝结的主要原 因。同时温度将剧烈上升。
1 熟料单矿物的水化
一、硅酸三钙 3．水化放热速率和Ca2+浓度变化曲线：
1 熟料单矿物的水化
一、硅酸三钙 4．水化过程 根据水化放热 速率-时间曲线， 可分为五个阶段。 ①．诱导前期： ②．诱导期： ③．加速期： ④．减速期： ⑤．稳定期： ①②----水化早期
③④----水化中期
⑤----水化后期
3 水化速率
一、水化速率的表示及测定方法 1．表示方法 ①．水化程度(α)：一定时间内发生水化作用的量和完全 水化量的比值。 ②．水化深度(h)：水泥颗粒已经水化的水化层厚度。 水化速率：单位时间内的水泥水化程度或水化深度。 影响水化速率的因素很多，如粒径、矿物种类等，所以研 究水化速率必须是在相同条件下才可进行比较。
1 熟料单矿物的水化
后期的生长则在颗粒原始周界以内的区域形成----内部产 物。
随着内部产物的形成和发展，C3S的水化即由减速期向稳定 期转变。
1 熟料单矿物的水化
7．C3S的后期水化 泰勒认为：水化过程中存在一个界面区，并逐渐向颗粒内 部推进，H2O离解成的H+在内部产物中从一个氧原子(或水分子) 转移到另一个氧原子，一直到达C3S界面并与之作用；而界面区 内部分Ca2+和Si4+则通过内部产物向外迁移，转入CH和外部C-SH。因此，界面内是得到H+，失去Ca2+和Si4+，原子重新排组， 从而使C3S转化成内部C-S-H。如此，随着界面区向内推进，水 化继续进行。由于空间限制及离子浓度变化，内部C-S-H在形貌 和成分等方面与外部C-S-H会有所不同，通常是较为密实。
1 熟料单矿物的水化
四、铁铝酸四钙 3．随着石膏量的逐渐减少，其水化产物依次为：
4．铁相固溶体的水化活性随A/F比的增加而提高。
2 硅酸盐水泥的水化
一、水泥的液相环境
硅酸盐水泥实际使用中的水化作用是在少量水中进行的， 一般加水量约为30-60%。
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：
三、铝酸三钙 (二) 有石膏 5．无石膏，则最终转换为水石榴石C3AH6。
一般硅酸盐水泥石膏掺量，其最终产物为AFt＋AFm。
但在通常水灰比的水泥浆体中，离子的迁移受到一定程度 的限制，较难充分进行上述各种反应，因而钙矾石与其它几种 水化铝酸盐产物在局部区域同时并存也是有可能的。
即在不同石膏掺量的情况下，产物不同。
4 硬化水泥浆体
水泥拌水后，很快发生水化反应，水化产物相互交结，使 浆体失去流动性，变成具有一定强度的石状体。此为水泥的凝 结，即水化导致凝结硬化。
一、水泥浆体能凝结硬化的原因 1．结晶理论：雷霞特利。水化物的结晶交结而凝结硬化 2．胶体理论：米哈艾利斯。胶体由于内吸脱水而成刚性凝 胶的过程 3．拜依柯夫三阶段学说(综合1、2理论)：溶解、胶化、结 晶 4．洛赫尔三阶段学说：水化产物形成强弱不等的接触点， 将各颗粒联接成网而形成强度 5．泰勒早、中、后三时期
3 水化速率
2．水化速率的测定方法 （1）．直接法：岩相分析法、x-射线分析法、电子探针、 扫描电镜等，定量地测定已水化和未水化的数量。 （2）．间接法：测定结合水量、水化热、水泥石的比面积 等与水化程度相关的量来反应。 （3）．实验室中常用测定结合水法----原理及方法
3 水化速率
二、水化速率的影响因素 1．熟料矿物组成与晶体结构：各熟料矿物的水硬活性主要 与不规则配位、高配位等造成的晶体结构的缺陷情况有关。 2．水灰比的影响 3．细度的影响 4．温度的影响 5．外加剂的影响
2 硅酸盐水泥的水化
三、水化过程 1．钙矾石形成期 2．C3S水化期 3．结构形成和发展期 放热速率很低并趋于稳定，随着各种水化产物的增多，填 入原先由水所占据的空间，再逐渐连接并相互交织，发展成硬 化浆体结构。
2 硅酸盐水泥的水化
四、水化产物 CH、 C-S-H凝胶、 水化铝酸钙、 水化铁酸钙、 水化硫铝酸钙、 水化硫铝(铁)酸钙等。
已水化的水 泥浆里留下 的孔隙
未水化水 泥颗粒
硅酸盐水泥的水化和硬化
水化速度与矿物水化快慢有关； 强度与浆体结构形成有关。
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，然后逐渐 变稠并失去可塑性的过程称为凝结。
硬化－此后，浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的石状固体 （水泥石），这一过程称为硬化。
硅酸盐水泥的水化和硬化
水泥用适量的水拌合后，形成能砂石集料的可塑性浆体， 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。
硅酸盐水泥的水化和硬化
水泥加水以后为什么可以凝结硬化？
水化产物 填充空隙 并将水泥 颗粒连接 在一起
1 熟料单矿物的水化
5．诱导期产生和结束的假说(C3S的早期水化) (1) 保护层理论：C3S一致溶早期水化产物形成保护层→进 入诱导期，保护层破裂→诱导期结束。 (2) 延迟成核理论：不一致溶，认为诱导期是由于CH或C-S-H 的晶核的形成和生长都需要一定的时间，从而使水化延缓所致。
(3) 晶格缺陷理论：晶格缺陷的类别和数量是决定诱导期长
硅酸钙 --→ 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。
2 硅酸盐水泥的水化
二、水化过程中各矿物间的相互作用 1．C3A、C4AF与石膏间关系： 2．C3S对C2S的水化有一定的促进作用。 3．碱的影响：对不同矿物影响不一样。 4．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， 5．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。
1 熟料单矿物的水化
一、硅酸三钙 占50%左右，高达60%，所以硬化水泥浆体的性能很大程度 上取决于C3S的水化作用、产物及所形成的结构。 1．水化反应方程式 3CaO·SiO2 + nH2O == xCaO·SiO2·yH2O + (3-x)Ca(OH)2 C3S + nH == C-S-H + (3-x)CH 2．水化产物： 水化硅酸钙(组成不定，C/S、H/S比均在较大范围内变动， 其组成与所处的液相的CH浓度有关)、氢氧化钙。
1 熟料单矿物的水化
8．C3S水化各阶段的化学过程和动力学过程
1 熟料单矿物的水化
二、硅酸二钙 1．水化反应方程式 2CaO·SiO2 + mH2O == xCaO·SiO2·yH2O + (2-x)Ca(OH)2 C2S + mH == C-S-H + (2-x)CH
1 熟料单矿物的水化
二、硅酸二钙
短的主要因素。 (4) 综合性假说
1 熟料单矿物的水化
6．C3S的中期水化 在加速期，伴随着CH和C-S-H的形成和长大，液相中的CH和 C-S-H的过饱和度降低，又会相应地使CH和C-S-H的生长速度变 慢。随着水化产物在颗粒周围的形成，C3S的水化也受到阻碍。 因而，水化加速过程逐渐转入减速期。
1 熟料单矿物的水化
三、铝酸三钙 (一) 无石膏 1．常温下水化
C4AH13和C2AH8在常温下处于介稳状态，且随温度升高而转化 加速。C3A本身水化热高，因而极易按上式转化。
2．在温度较高(35℃以上)的情况下，可直接生成C3AH6晶体。 这些产物均为片状。
1 熟料单矿物的水化
三、铝酸三钙 (一) 无石膏 3．当液相的[CaO]浓度达到饱和(碱性液相)时，C3A还可能 依下式水化：
1 熟料单矿物的水化
三、铝酸三钙 (二) 有石膏 3．当石膏量再少(石膏: C3A＝1.0)，则钙矾石全部转换为 AFm，此时的水化产物只有AFm。 4．再少(石膏: C3A＜1.0)，钙矾石全部转换为AFm后，还 有C3A剩余，则C3A与单硫型水化硫铝酸钙反应生成单硫型固溶体
1 熟料单矿物的水化
2．水化机理
①．和C3S相似，也有诱导期、加速期等。但水化速度慢， 约为C3S的1/20，β-C2S即使在几周后也只在表面上覆盖一层很 薄的无定形水化硅酸钙。
②．第二放热峰不明显。水化产物C-S-H形貌与C3S相似， 但CH晶体比C3S少，有利于强度发展。
③．β-C2S水化过程中水化产物的成核和晶体长大速率与 C3S相差不大，但通过水化产物层的扩散速率要低8倍左右，而 表面的溶解速率则相差几十倍之多。这表明β-C2S的水化速率主 要由表面溶解速率所控制。
硅酸盐水泥的水化和硬化
为了更好地应用水泥，必须了解水化硬化过程的机理，以 便控制和改善水泥性能。但由于水泥熟料是多矿物的集合体， 与水的作用比较复杂，因而通常先研究水泥单矿物的水化，然 后再研究水泥总的水化和硬化过程。
各矿物与水的作用，称为“一次水化作用” 水化物之间的相互作用称“二次水化作用” 在水泥的水化过程中，一次作用、二次作用是交织在一起 进行的。
这个反应在硅酸盐水泥浆体的碱性液相中最易发生，而处
于碱性介质中的C4AH13在室温下又能够稳定存在。这些片状水化
产物不仅长在水泥颗粒上，同时还分布在充满水的空隙中，其 数量迅速增多，互相粘结成桥，形成松散的网状结构，就足以
阻碍粒子的相对移动，据认为是使浆体产生瞬时凝结的主要原 因。同时温度将剧烈上升。
1 熟料单矿物的水化
一、硅酸三钙 3．水化放热速率和Ca2+浓度变化曲线：
1 熟料单矿物的水化
一、硅酸三钙 4．水化过程 根据水化放热 速率-时间曲线， 可分为五个阶段。 ①．诱导前期： ②．诱导期： ③．加速期： ④．减速期： ⑤．稳定期： ①②----水化早期
③④----水化中期
⑤----水化后期
3 水化速率
一、水化速率的表示及测定方法 1．表示方法 ①．水化程度(α)：一定时间内发生水化作用的量和完全 水化量的比值。 ②．水化深度(h)：水泥颗粒已经水化的水化层厚度。 水化速率：单位时间内的水泥水化程度或水化深度。 影响水化速率的因素很多，如粒径、矿物种类等，所以研 究水化速率必须是在相同条件下才可进行比较。
1 熟料单矿物的水化