水泥水化反应

水化热绝热温升：
W
Q0
θ0=WQ0/（ρC）
式中：θ0混凝土最终绝热温升； W混凝土水泥用量； Q0水泥水化热总量； ρ混凝土容重； C混凝土比热。 混凝土水化热温升计算很复杂，主要有三种：解析法、差 分法、有限单元法。
混凝土的温度随水化热的逐渐释放而升高. 入仓温度和气温的温差、浇筑块顶面、水管冷却以及基岩的吸热作 用也有一定的影响。 当散热条件较好时，水化热造成的最高温度升高值并不大，也不致使 混凝土产生较大裂缝。 当混凝土的浇筑块尺寸较大时，其散热条件较差，由于混凝土导热性 能不良，水化热基本上都积蓄在浇筑块内，从而引起混凝土温度明显 升高，温度可达60～80℃。
水泥各种矿物成分水化热
龄 期(d) 矿物成分
单位：cal/g
完全水化
3 C3S
C2S C3A C4AF
7 110
25 158 60
28 116
40 209 90
90 124
44 222 99
180 135
50 245
97
15 141 22
160
79 254 136
矿物组成对水泥性能的影响 水泥是几种熟料矿物的混合物，改变熟料矿物成分间的比 例，水泥的性质即发生相应的变化。
• 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。
• 铁铝酸四钙的水化，它的水化速率比C3A 略慢，水化热较低，即使单独水化也不会 引起快凝。其水化反应及其产物与C3A很相 似。 • 4CaO.Al2O3.Fe2O3+2H2O=3CaO.Al2O3. H2O+CaO.Fe2O3.H2O
水泥水化反应
一.水泥熟料矿物组成
硅酸三钙： 3CaO· SiO2 (C3S) 硅酸盐矿物~75% 硅酸二钙： 2CaO· SiO2 (C2S) 铝酸三钙： ~95% ຫໍສະໝຸດ BaiduCaO· Al2O3 (C3A) ~22% 铁铝酸四钙： 4CaO·Al2O3 · Fe2O 3 (C4AF) 其它： 游离氧化钙：f-CaO 熔剂矿物 方镁石：（即结晶氧化镁）
• 硅酸三钙↑——高强水泥
• 铝酸三钙、硅酸三钙↓ 硅酸二钙↑ • 铁铝酸四钙↑——抗折强度↑——道路水泥
—水化热↓——大坝水泥
• 三．温度变化过程 • 水泥在凝结硬化过程中，会放出大量的 水化热。水泥在开始凝结时放热较快，以 后逐渐变慢，普通水泥最初3d放出的总热 量占总水化热的50%以上。水泥水化热与 龄期的关系曲线如图所示，图中Qo为水泥 的最终发热量(J/kg)，其中m为系数，它与 水泥品种及混凝土入仓温度有关。
由于混凝土温度高于外界气温，随着时间的延续，热量慢慢向外界散 发，块体内温度逐渐下降。这种自然散热过程甚为漫长，大约要经历 几年以至几十年的时间水化热才能基本消失。此后，块体温度即趋近 于稳定状态。
在稳定期内，坝体内部温度基本稳定，而表层混凝土温度则随外界温 度的变化而呈周期性波动。 由此可见，大体积混凝土温度变化一般经历升温期、冷却期和稳定期 三个时期 。
大
慢
小 早期低
最快
最大
快
中
强度
高
低
低
后期高
• 二．水化反应：水泥水化反应是一个很复 杂的过程。 • 1.水化机理：水泥颗粒与水接触时，其表面 的熟料矿物立即与水发生水解或水化作用， 生成新的水化产物并放出一定热量的过程。
• 2.各种矿物的水化反应： • 硅酸三钙水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧 化钙晶体。该水化反应的速度快，形成早 期强度并生成早期水化热。 3CaO· SiO2+nH2O=xCaO· SiO2· yH2O+(3 -x)Ca(OH)2
• 3.水化热 如三峡525#中热硅酸盐水泥，其水化 热为:3天230kJ/kg，7天265kJ/kg。 • 水泥的水化热是由水泥水化作用产生的，因其中 包括水化、水解和结晶一系列作用，故水泥的水 化热实际为水泥的硬化热。 • 水化热的大小与放热速率首先取决于水泥的矿物 组成，矿物的水化速度愈快，则水化热量愈大。 铝酸三钙的水化热与放热速率最大，铁铝酸四钙 和硅酸三钙次之，硅酸二钙最小。 • 水化速度：C3A ＞C3S ＞ C4AF ＞ C2S • 水化热： C3A ＞C3S ＞ C4AF ＞ C2S • 水泥的水化热由试验确定。若在已知水泥矿物成 分的情况下，无水泥水化热试验资料，则可由水 泥各种矿物成分的水化热进行估算。
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+nH2O=xCaO· SiO2· yH2O+(2 -x)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+6H2O=3CaO.Al2O3.6H2O
• 通常水泥等级越高，水化热度越大。凡对水泥起 促凝作用的因素均可提高早期水化热。反之，凡 能延缓水化作用的因素均可降低水化热。
• 水化热大的水泥不得在大体积混凝土工程中使用。在 大体积混凝土工程中由于水化热积聚在内部不易散发 而使混凝土的内部温度急剧升高，混凝土内外温差过 大，以致造成明显的温度应力，使混凝土产生裂缝， 严重降低混凝土的强度和其它性能。但水化热对冬季 施工的混凝土工程较为有利，能加快早期强度增长， 使抵御初期受冻的能力提高。
玻璃体：
（二）硅酸盐水泥熟料的矿物组成
CaO
3CaO· SiO2
生料
800℃左右
SiO2
800～1450℃ 化合反应
2CaO· SiO2
分解反应
Al2O3
3 CaO · Al2O3
Fe2O3
4 CaO· Al2O3· Fe2O3
矿物名称
硅酸三钙 硅酸二钙
铝酸三钙
铁铝酸四钙
与水反应速度
水化放热量
快
• 由图可知 • △T=Tm-Tf=Tp+Tr-Tf
• 由于稳定温度Tf值变化不大，所以要减少 温差，就必须采取措施降低混凝土土入仓 温度Tp和混凝土的最大温升Tr。
电镜下的水泥水化产物图
采用发热量较低Q0的水泥和减少单位水泥 用量W ，是降低混凝土水化热温升的最有 效措施。
本讲结束！