硅酸盐水泥的水化与硬化

第七章硅酸盐水泥的水化与硬化

本章主要内容：

1.熟料矿物的水化

2.硅酸盐水泥的水化

3.水化速率

4.硬化水泥浆体

补充：

熟料矿物水化的原因

1.熟料矿物结构不稳定。

造成熟料矿物结构不稳定的原因是：

⑴ 熟料烧成后快速冷却，使其保留了介稳状态的高温型晶体结构；

⑵熟料中的矿物不是纯的C3S和C2S ，而是Alite 和Belite等有限固溶体；

⑶微量元素的掺杂使晶格排列的规律性受到某种程度的影响。

2.熟料矿物中钙离子的氧离子配位不规则。

水泥的水化、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。

§7.1 熟料矿物的水化

一.C3S的水化

1.常温下的水化反应

3CaO.SiO2+nH2O=xCaO.SiO2.yH2O+(3-x)Ca(OH)2

简写为：C3S + nH = C-S-H + (3-x)CH

水化产物：水化硅酸钙（也称C-S-H凝胶）和氢氧化钙。

2.C3S水化过程

Ⅰ诱导前期（时间：15分钟 ）

反应：激烈—第一个放热峰，钙离子浓度迅速提高

浆体状态：是具有流动性（Ca(OH)2没有饱和）

Ⅱ诱导期又称静止期（时间：2—4小时）

反应：极慢——放热底谷：钙离子浓度增高慢

浆体状态：Ca(OH)2达饱和。此间：具有流动性，结束：失去流动性，达初凝

Ⅲ加速期（时间：4~8小时）

反应：又加快——第二放热高峰

浆体状态：Ca(OH)2过饱和最高：生成Ca(OH)2、填充空隙、

中期：失去可塑性、达终凝，后期：开始硬化

Ⅳ减速期（时间：12—24小时）

反应：随时间的增长而下降

原因：在C3S表面包裹产物—阻碍水化。

Ⅴ稳定期

反应：很慢—基本稳定（只到水化结束）

原因：产物层厚：水很少—产物扩散困难。

3.诱导期的本质

⑴保护膜理论

⑵晶核形成延缓理论

⑶晶格缺陷的类别和数量是决定诱导期长短的主要因素

二.C2S水化

C2S的水化过程与C3S相似，也有静止期，加速期等，但水化速率很慢约为C3S的1/20

水化反应： C2S + mH → C-S-H + （2-X）CH

水化产物： 生成C-S-H和Ca(OH)2

三.C3A水化：

水化迅速，其水化产物的组成与结构受溶液中CaO、Al2O3 离子浓度和温度的影响很大。

1.C3A单独水化

常温：C3A + 27H → C4AH19+C2AH8

相对湿度﹤85﹪时。C4AH19 →C4AH13 + 6H

C4AH13 + C2AH8 →C3AH6+9H2O T﹥35℃：C3A+ 6H2O → C3AH6

特点：水化速度快→水化热多→T升高→反应速度极快→急凝→很快失去流动性

2.C3A在液相CaO浓度达饱和时

C3A + CH + 12H →C4AH13

瞬凝原因：水泥颗粒表面形成大量C4AH13 ，其数量迅速增多，足以阻碍粒子的相对运动。

3.在石膏存在条件下的水化

⑴石膏（充足）、CaO同时存在时

C3A+CH+12H→C4AH13

C4AH13+3CSH2+14H→ C3A·3CS·H32 + CH

（三硫型水化硫铝酸钙Aft，又称钙矾石）

⑵C3A未完全水化而石膏已经耗尽时

2C4AH13+ C3A·3CS·H32→3 C3A·CS·H12 + CH + 20 H

(单硫型水化硫铝酸钙Afm)

⑶石膏掺量极少，所有的Aft都转化为Afm还有C3A剩余

C3A·CS·H12 +C3A+CH+12H →2C3A（CS· CH）H12

四.铁相固溶体的水化

比C3A水化慢，单独水化，也不会急凝，其水化反应和产物与C3A相似。

1. 无石膏时，在Ca(OH)2环境水化

常温：C4AF + 4CH + 22 H →2C4（A·F）H13

T＞50 ℃：C4AF + 6H →C3（A · F）H6

2. 有石膏存在时

C4AF + 2CH + 6CSH2 + 50 H →2 C3(A·F)·3CS·H32

3. 石膏不足时

2C4 (A·F)· H13 + C3(A·F)·3CS·H32 →3C3(A·F)·CS·H12 +2CH + 20 H

§7.2 硅酸盐水泥的水化

一.水化反应体系的特点

1.水泥的水化基本上是在Ca(OH)2和石膏的饱和溶液或过饱和溶液中进行的，并且还会有K+、Na+等离子。

2.熟料首先在此种溶液中解体，分散，悬浮在液相中，各单体矿物进行水化，水化产物彼此间又化合，之后水化产物凝结、硬化，发挥强度。因此，水化过程实际上就是熟料解体水化-水化产物凝聚-水泥石。开始是解体、水化占主导作用，以后是凝聚占主导作用。

二.水化反应及水化产物

1.水化反应简图如下：

综上所述，水泥的水化反应过程如下：

水泥加水后，C3S 、C3A 、C4AF均很快水化，同时石膏迅速溶解，形

成 Ca(OH)2与CaSO4 的饱和溶液，水化产物首先出现六方板状的

Ca(OH)2 与针状的AFt相以及无定形的C-S-H。之后，由于不断生成AFt 相，SO42- 不断减少，继而形成AFm相及C-A-H晶体和C4（A.F）H13晶体。

2.水化产物

常温下的主要水化产物：水化硅酸钙

Ca(OH)2

水化硫铝（铁）酸钙固溶体

水化铝（铁）酸钙及其固溶体

三.水泥水化过程

⑴钙矾石形成期：C3A率先水化→第一放热峰

⑵C3S水化期： C3S水化→第二放热峰

⑶结构形成和发展期

§7.3 水化速率

一.水化速率的表示方法

1.水化速率的意义

水化速率影响水泥强度的发挥和安定性

2.表示方法：

水化速率：单位时间内的水化程度或水化深度

水化程度：在一定的时间内水泥发生水化作用的量和完全水化量的比值，以百分率表示。

水化深度：水泥颗粒已水化层的厚度，以微米表示。

二.矿物水化速度

28天前：C3A＞C4AF＞C3S＞C2S

6月：C3S＞C3A＞C4AF ＞C2S

三.影响水化速率的因素

1.熟料的矿物组成

28天内各矿物的水化速度为C3A＞C3S ＞ C4AF＞C2S或C3A＞C4AF＞