硅酸盐水泥的基本组成、水化和硬化机理

•图5-3 水泥熟料各矿物的放热曲线
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第二节 硅酸盐水泥的水化和硬化机理
一、硅酸盐水泥的水化 二、硅酸盐水泥的凝结硬化 三、影响水泥凝结和硬化的主要因素
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一、硅酸盐水泥的水化
水泥颗粒与水接触后，水泥熟料各矿物立即 与水发生水化作用，生成新的水化物，并放 出一定的热量。
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一、硅酸盐水泥的水化
定义：凡是由硅酸盐水泥熟料、适量的混合材料（ 0~5％石灰石或粒化高炉矿渣）、适量的石膏磨细 制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥(国外称 波特兰水泥)。
硅酸盐水泥分两种类型，不掺混合材料的为I型硅 酸盐水泥，代号P·I；在硅酸盐水泥熟料中掺加不 超过水泥质量5％的混合材料的为II型硅酸盐水泥 ，代号P·II。
水泥越细，颗粒就越小，其与水接触的面积也就越大，则水 化速度越快，凝结硬化也越快。
3．水泥浆体的水灰比
水灰比是拌制水泥浆时水与水泥的质量之比，水泥完全水化 所需的用水量约为水泥质量的25％，但这样的水量很难形成 具有足够流动性的浆体，因而实际工程中必须加入较多的水 ，以便取得较好的塑性。
水灰比决定了水泥浆体的稠度，水灰比越大，则水泥浆体的 稠度越小（即越稀），凝结硬化也越慢。
水化硅酸钙几乎不溶于水，形成后立即以胶体 微粒析出，并逐渐凝聚而成为凝胶体。
氢氧化钙呈六方晶体。由于氢氧化钙可溶于水 ，但溶解度不大，所以溶液很快达到饱和状态 。
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一、硅酸盐水泥的水化
水化铝酸钙为立方晶体。由于铝酸三钙的水化、凝结 和硬化速度很快，为了调节水泥的凝结时间，在水泥 中掺入了少量石膏。铝酸三钙水化后形成的水化铝酸 钙会与石膏作用，生成三硫型水化硫铝酸钙，也称钙 矾石晶体（以AFt表示），其反应式如下：
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二、硅酸盐水泥的凝结硬化
水泥颗粒的水化是从表面向内部进行的，水化程度 受水和水化物的扩散所控制，水泥颗粒的内核很难完 全水化。因此。硬化的水泥石是由水化产物(凝胶体 和结晶体)、未水化的水泥颗粒、水和孔隙(毛细孔和 凝胶孔)组成的。水泥石的工程性质决定于水泥石的 组成和结构。
水泥的凝结硬化过程，也是水泥强度发展的过程。
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一、硅酸盐水泥的生产工艺概述
•水泥生产线示意图：
•1.生料贮存；2.磨细设施； 3.生料混合设施；4.预热/预煅 烧装置；5.回转窑；6.熟料贮存；7.外加剂；8.熟料磨细； 9. 水泥贮存&灌装
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二、硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其特性
1. 硅酸盐水泥熟料的矿物组成
硅酸三钙 3CaO·SiO2（C3S）：36～60%， 硅酸二钙 2CaO·SiO2（C2S）：15～37%， 铝酸三钙 3CaO·Al2O3（C3A）：7～15%， 铁铝酸四钙 4CaO·Al2O3·Fe2O3（C4AF）：10～18% 。
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三、影响水泥凝结和硬化的主要因素
4.水泥的水化程度
水灰比相同时，水化程度愈高，则水泥浆体中
水化产物愈多，凝结硬化也越快。
5．石膏掺量
C3A＞C3S＞C4AF＞C2S
③水化反应过程中会放出热量, C3A、C3S放热量
大，
C3A＞C3S＞C4AF＞C2S
④C3S早期强度和后期强度均较高，C2S早期强度 低，后期强度高。C3A、C4AF强度均不高。四个矿
物的强度均随龄期成曲线变化，见图3.2。
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•图5-2 水泥熟料各矿物的强度增长曲线 •
水泥的水化是随着时间的延长而不断进行的，水化产
物也会不断增加并填充毛细孔，使毛细孔孔隙率减少
，凝胶孔孔隙率增大。水泥加水拌合后的前28d的水
化速度较快，强度发展也快，随后水化速度减慢，强
度增加幅度减小。
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三、影响水泥凝结和硬化的主要因素
1.水泥熟料的矿物组成
水泥中C3S和C3A含量越高，凝结硬化也越快。 2.水泥的细度
硅酸盐水泥的基本组成 、水化和硬化机理
2020年4月29日星期三
第三章 水 泥
第一节 硅酸盐水泥的基本组成与生产原理 第二节 硅酸盐水泥的水化和硬化机理 第三节 硅酸盐水泥的技术性质及其性能特点 第四节 掺混合材料的硅酸盐水泥 第五节 常用水泥的选用原则 第六节 其它品种水泥
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第一节 硅酸盐水泥的基本组成与生产原理
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一、硅酸盐水泥的水化
铁铝酸四钙与水反应后生成水化铝酸钙晶体和水 化铁酸钙凝胶体。
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一、硅酸盐水泥的水化
综上所述，硅酸盐水泥与水作用后，生成的主要水化产 物有两类：
凝胶体：水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶体； 晶体：氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。 由于水泥熟料中硅酸三钙和硅酸二钙的含量高，所以在
完全水化的水泥石中，水化硅酸钙凝胶体约占70％，而 氢氧化钙约占20％，钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙约占 7％。
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•水泥浆扫描电镜照片（7d龄
期）
•钙矾
石
•C-SH
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电镜下的水泥水化产物图
•CH 氢氧化 钙晶体
•C-S-H 水化硅酸钙 凝胶
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二、硅酸盐水泥的凝结硬化
水泥加水拌和后，最初形成具有流动性和可塑 性的浆体，经过一定时间，水泥浆体逐渐变稠 失去可塑性，这一过程称为凝结。
硅酸三钙和硅酸二钙称为硅酸钙矿物，一般占
总量的75％～82％(国家标准中规定不小于66%, CaO
与SiO2的质量比不小于2.0)。
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二、硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其特性
2．水泥熟料主要矿物与水作用时的特性
①磨细后能与水发生水化反应，生成具有水硬性 的水化产物。
②C3S、C3A、C4AF水化快，C2S水化慢，
一、硅酸盐水泥的生产工艺概述 二、硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其特性
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一、硅酸盐水泥的生产工艺概述
•CaO
、
CO2
•“两磨一烧”工艺
•石灰石
•粘 土
•按比例
混合、磨 细
•生
料
•铁矿粉
•SiO2、 Al2O3、 Fe2O3
•Fe2O3
•煅烧（约 14500C）
•石膏 •熟 料 •磨细 •水 泥
•混合材 料
随着时间继续增长，水泥产生强度且逐渐提高 ，并形成坚硬的石状体——水泥石，这一过程 称为硬化。
水泥的凝结与硬化是一个连续的复杂的物 理化学变化过程，这些变化决定了水泥一系列 的技术性能。
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二、硅酸盐水泥的凝结硬化
•水泥 浆
•开始 凝结
•初凝时间
•凝 结 •完 全凝 结
•硬化 •人 工石 材
•终凝时间