硅酸盐水泥的水化与硬化
硅酸盐水泥的水化硬化概述
硅酸盐水泥的水化硬化概述硅酸盐水泥是一种常见的建筑材料，广泛用于混凝土制作和结构修复。
水泥的水化硬化是指水泥与水反应形成胶凝体，并使混凝土逐渐硬化和强度增加的过程。
水泥的水化硬化过程可以分为三个阶段：溶解阶段、胶凝阶段和结晶阶段。
在溶解阶段，水分与水泥中的化学物质发生作用，形成水化产物。
其中最主要的是硅酸钙水化产物及其水化过渡产物。
这个过程伴随着水泥的溶解和离子交换，同时释放热量。
在胶凝阶段，水化产物开始形成胶凝体，由于产物的粘结作用，使硅酸盐水泥与骨料颗粒和其他成分紧密结合。
这个阶段是水泥的强度急剧增加的阶段。
在结晶阶段，水化产物继续结晶生长，形成更稳定的晶体结构。
这个阶段通常需要较长的时间来完成，并且能使混凝土的性能逐渐稳定。
水泥水化硬化的过程受到多种因素的影响，包括水泥的成分、水化环境的温度和湿度、所用水分质量等。
适当的水泥成分和良好的水化环境有助于水泥的硬化过程。
水泥水化硬化是一个复杂的过程，需要一定的时间来完成。
因此，在施工中要合理控制混凝土的浇筑时间和养护时间，以确保水泥的充分水化硬化，从而提高混凝土的强度和耐久性。
总之，硅酸盐水泥的水化硬化是一个多阶段的过程，经过溶解、胶凝和结晶，最终形成硬化的胶凝体。
合理地控制水泥的成分和水化环境，能够有效地提高混凝土的性能。
水泥的水化硬化是一项复杂的化学物理过程，涉及多个组分和反应。
了解水泥的水化硬化过程对于我们了解硅酸盐水泥混凝土的性能和使用特性都非常重要。
水泥的基本成分是石灰和硅酸盐矿物，这些矿物在加入水后会发生化学反应，产生水化产物。
最主要的水化产物是硅酸钙几何多聚体C-S-H和钙水化硅石（C-S-H）以及钙羟基石灰（CH）。
这些水化产物的生成是水泥硬化的核心过程。
在溶解阶段，水与水泥中的化合物发生反应，其中最重要的是硅酸钙和水的反应。
在水中，硅酸盐矿物发生溶解和饱和的过程，释放出的离子与水中的离子发生化学作用。
这些离子的重组形成了水泥颗粒的表面电荷，并开启了水化反应。
硅酸盐水泥的水化和硬化
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:
简述硅酸盐水泥的主要水化产物和硬化水泥石的结构。
硅酸盐水泥的主要水化产物是：水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶，氢氧化钙，水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。
硬化水泥石的结构是由水泥水化产物(主要是水化硅酸钙凝胶)、未水化水泥颗粒、毛细孔(毛细孔水)等组成的不均质的结构体。
硅酸盐水泥的主要化学成分：氧化钙CaO,二氧化硅SiO2,三氧化二铁Fe2O3,三氧化二铝Al2O3.硅酸盐水泥的主要矿物：硅酸三钙（3CaO·SiO2,简式C3S）,硅酸二钙（2CaO·SiO2,简式C2S）,铝酸三钙（3CaO·Al2O3,简式C3A）,铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3,简式C4AF）.水泥的凝结和硬化：1)、3CaO·SiO2+H2O→CaO·SiO2·YH2O（凝胶）+Ca（OH）2；2)、2CaO·SiO2+H2O→CaO·SiO2·YH2O（凝胶）+Ca（OH）2；3)、3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O（水化铝酸钙,不稳定）；3CaO·Al2O3+3CaSO4·2 H2O+26H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O（钙矾石,三硫型水化铝酸钙）；3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+2〔3CaO·Al2O3〕+4 H2O→3〔3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O〕（单硫型水化铝酸钙）；4)、4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O.水泥速凝是指水泥的一种不正常的早期固化或过早变硬现象.高温使得石膏中结晶水脱水,变成浆状体,从而失去调节凝结时间的能力.假凝现象与很多因素有关,一般认为主要是由于水泥粉磨时磨内温度较高,使二水石膏脱水成半水石膏的缘故.当水泥拌水后,半水石膏迅速与水反应为二水石膏,形成针状结晶网状结构,从而引起浆体固化.另外,某些含碱较高的水泥,硫酸钾与二水石膏生成钾石膏迅速长大,也会造成假凝.假凝与快凝不同,前者放热量甚微,且经剧烈搅拌后浆体可恢复塑性,并达到正常凝结,对强度无不利影响.。
硅酸盐水泥水化反应
硅酸盐水泥水化反应硅酸盐水泥是目前最常用的建筑材料之一，它的水化反应被认为是硬化过程中最为重要的部分。
硅酸盐水泥水化反应主要是指硅酸盐水泥与水反应，产生水化产物的反应过程。
硅酸盐水泥水化反应过程可以分为三个阶段：溶解期、凝胶期和晶化期。
在溶解期，水会溶解硅酸盐水泥中的化学物质，然后发生水化反应产生凝胶体。
在凝胶期，凝胶体逐渐形成并变得更加坚固。
在晶化期，凝胶体中的化合物继续水化反应，然后形成硬化的水泥石。
硅酸盐水泥水化反应是一个复杂的过程，其中涉及许多化学物质和反应。
主要涉及到硅酸盐水泥（主要成分为C3S、C2S、C3A、C4AF）、水、钙离子、铝离子、矽酸离子以及氢氧根离子等。
C3S具有产生水化硬化物的能力，而C2S主要用于增强密实性，C3A 和C4AF会分解产生钙离子、氢氧根离子、矽酸离子和铝离子等。
水化反应需要一定的水分，适量的水可以提高水化反应速度，水的过多则会破坏硅酸盐水泥的力学性质。
除了化学物质的反应之外，水泥水化反应还受到许多因素的影响。
这些因素包括水泥成分、水与水泥的比例、水的质量、水的温度等。
水的温度可以影响硅酸盐水泥的水化反应速率。
在水温较高的情况下，硅酸盐水泥的水化反应速率会加快，因为水的热量可以促进化学反应。
水泥的数量和比例会直接影响水泥的强度和硬度。
综上所述，硅酸盐水泥的水化反应是建筑工程中非常重要的一环。
虽然这是一个复杂的过程，但其中的每一个步骤都有其重要的作用。
在使用硅酸盐水泥进行建筑施工时，我们应该合理选取水泥的种类和比例，控制水的含量和温度，以保证水泥的强度和硬度。
硅酸盐水泥的基本组成水化和硬化机理
硅酸盐水泥的基本组成水化和硬化机理
硅酸盐水泥（Portland cement）是建筑中常用的一种水泥类型，它由若干种矿物质混合制成。
硅酸盐水泥的基本组成包括硅酸盐、铝酸盐、铁酸盐、钙酸盐等矿物质。
硅酸盐水泥的主要性质是其水化反应及硬化机理，其中水化反应是硬化的基础。
硅酸盐水泥的水化反应
硅酸盐水泥的水化反应分为两个阶段，分别是初始水化反应和二次水化反应。
初始水化反应: 初始水化反应是硅酸盐水泥与水开始反应产生物质的重要阶段。
该反应主要是由硅酸盐矿物质和水中的氢氧根离子（OH-）形成硅酸钙凝胶（C-S-H），同时还生成小量结晶状的钙矾土（Ca(OH)2）。
硬化反应: 当硅酸钙凝胶形成后，硬化反应就开始了。
硬化反应是指钙矾土与硅酸钙凝胶再次反应，产生附着在硅酸钙凝胶上的二次水化产物（例：钙硅酸盐、铝酸钙、铁酸钙等），从而导致硬化的过程。
硅酸盐水泥水化反应和硬化机理导致水泥成品逐渐硬化并得到强度的增加。
硅酸盐水泥的硬化机理包括两个阶段。
初始硬化阶段: 在初始硬化阶段中，主要发生的是水泥粉末与水反应生成硅酸钙溶胶，这个阶段是水泥松散质地逐渐变硬的转折点，经历了3-5小时左右时材料开始渐渐变硬，表现出初始硬度。
二次硬化阶段: 在这个阶段中，水泥产物进一步硬化，矿物质之间的结合变得更加紧密。
此时，水泥得到的韧性、强度等性能逐渐增强。
因此，硅酸盐水泥的水化和硬化反应是建筑中非常关键的部分。
这些反应可以向我们展示水泥是如何在混凝土中发挥作用的。
了解这些机制可以帮助建筑师、设计师、土木工程师、建筑工人或其他与建筑相关的人员掌握常用的建筑材料的工作机制并做出相应的设计和施工。
硅酸盐水泥主要水化产物
硅酸盐水泥主要水化产物水泥是一种广泛应用于建筑、工程和建材行业的材料，其中最常见的水泥类型之一是硅酸盐水泥。
硅酸盐水泥的主要水化产物是水化硅酸钙凝胶和水化硅酸钙胶石。
水化硅酸钙凝胶是硅酸盐水泥水化过程中最主要的产物之一。
当硅酸盐水泥与水反应时，发生水化反应，生成硬化的水化硅酸钙凝胶。
这种凝胶是硬化水泥石中的骨架材料，能够提供强度和稳定性。
水化硅酸钙凝胶具有胶状结构，能够填充水泥石中的空隙，并通过硬化过程中的晶体生长来增加水泥石的强度。
水化硅酸钙凝胶的形成是一个复杂的化学反应过程。
在水化反应中，硅酸盐水泥中的三种主要成分——硅酸钙(CaO·SiO2)、硅酸镁(CaO·MgO·2SiO2)和硅酸二钙(CaO·2SiO2)与水反应，形成水化硅酸钙凝胶。
这些成分中的硅酸钙是最主要的反应物，也是最主要的水化产物。
水化硅酸钙凝胶的形成过程可以分为几个阶段。
首先，在水化反应开始时，硅酸钙会与水中的钙离子结合，形成一种称为水合硅酸钙的化合物。
随着水化反应的进行，水合硅酸钙逐渐转变为水化硅酸钙凝胶。
这个过程是一个逐渐形成凝胶结构的过程，其中的水合硅酸钙分子会逐渐凝聚形成凝胶纤维，最终形成凝胶胶石。
水化硅酸钙凝胶的形成对于水泥石的强度和稳定性具有重要作用。
凝胶的形成可以填充水泥石中的空隙，使得水泥石更加致密，并且通过晶体生长的方式增加水泥石的强度。
此外，水化硅酸钙凝胶还能够与其他水化产物相互作用，形成复杂的胶石结构，提供水泥石的抗压强度和抗张强度。
除了水化硅酸钙凝胶，水化硅酸钙胶石也是硅酸盐水泥水化的主要产物之一。
水化硅酸钙胶石是一种凝胶状物质，由水化硅酸钙凝胶和水合硅酸钙等成分组成。
水化硅酸钙胶石具有胶状结构，能够填充水泥石中的空隙，增加水泥石的密实性和强度。
水化硅酸钙胶石的形成过程与水化硅酸钙凝胶类似，也是通过硅酸钙和水的反应形成。
在水化反应中，硅酸钙会与水中的钙离子结合，形成一种水合硅酸钙，随后逐渐转变为水化硅酸钙胶石。
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
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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。
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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。
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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。
硅酸盐水泥的水化和硬化
第一节硅酸盐水泥熟料的形成 一、硅酸盐水泥熟料的形成 水泥熟料矿物为什么能与水发生反应？主要原因是： 1、硅 酸 盐 水 泥 熟 料 矿 物 结 构 的 不 稳 定 性 ，可 以 通 过 与 水 反 应 ， 形 成 水 化 产 物 而 达 到 稳 定 性 。造 成 熟 料 矿 物 结 构 不 稳 定 的 原 因 是 ： （ 1） 熟 料 烧 成 后 的 快 速 冷 却 ， 使 其 保 留 了 介 稳 状 态 的 高 温 型 晶体结构； （ 2） 工 业 熟 料 中 的 矿 物 不 是 纯 的 C 3 S， C 2 S 等 ， 而 是 Alite 和 Belite 等 有 限 固 溶 体 ； （ 3） 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 ， 晶 体 结 构 有 “ 空 洞 ”，因 而 易 于 起 水 化 反 应 。例 如 ，C 3 S 的 结 构 中 钙 离 子 的 配 位 数 为 6，但 配 位 不 规 则 ，有 5 个 氧 离 子 集 中 在 一 侧 而 另 一 侧 只 有 1 个 氧离子，在氧离子少的一侧形成“空洞”，使水容易进入与它反 应 。β -C 2 S 中 钙 离 子 的 配 位 数 有 一 半 是 6，一 半 是 8，其 中 每 个 氧 离子与钙离子的距离不等，配位不规则，因而也不稳定，可以水 化 ， 但 速 度 较 慢 。 C 3 A 的 晶 体 结 构 中 ， 铝 的 配 位 数 为 4 与 6， 而 钙 离 子 的 配 位 数 为 6 与 9， 配位数为 9 的钙离子周围的氧离子排列极 不 规 则 ， 距 离 不 等 ， 结 构 有 巨 大 的 “ 空 洞 ” ， 故 水 化 很 快 。 C 4 AF 中 钙 的 配 位 数 为 10 与 6， 结 构 也 有 “ 空 洞 ” ， 故 也 易 水 化 。 有 些
硅酸盐水泥的水化和硬化
在液相CaO浓度达到饱和时，C3A还可能依下式水化：
3CaO·A12O3十Ca(OH)2十12H2O = 4CaO·A12O3·13H2O
即：
C3A十CH十12H = C4AH13
在硅酸盐水泥浆体的碱性液相中，CaO浓度往往 达到饱和或过饱和，因此，可能产生较多的六方 片状C4AH13，足以阻碍粒子的相对移动，据认为 这是使浆体产生瞬时凝结的一个主要原因。
水泥用适量的水拌和后，形成能粘结砂石 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。
8.1 熟料矿物的水化
一、硅酸三钙(C3S)的水化 二、硅酸二钙(C2S)的水化 三、铝酸三钙(C3A)的水化 四、铁相固溶体(C4AF)的水化
始周界向内部生长 的C-S-H。实际上， C-S-H的形貌不止这 四种。C-S-H的形成 和水灰比、温度、
龄期等水化条件有 关。
硅酸三钙水化的五个阶段(Five periods)
硅酸三钙水化速率很快，其水化过程根据水化放热速率— 时间曲线可分为五个阶段(如图8-1-2) ：
Ⅰ-诱导前期；
Ⅱ-诱导期；
• 当CaO浓度<1mmol／L时，生成氢
氧化钙和硅酸凝胶。
• 当CaO浓度为l~2mmo1/L时，生成
水化硅酸钙和硅酸凝胶。
• 当CaO浓度为2~20mmol/L时，生
成C／S比为0.8~1.5的水化硅酸钙:
图8-1-1 水化硅酸钙与溶液间的平衡
(0.8~1.5)CaO·SiO2·(0.5~2.5)H2O， 称为C—S—H (I)。
的六方板状晶体。
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。
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
硅酸盐水泥的水化、凝结与硬化
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
硅酸盐水泥的水化硬化概述
C4AF的水化速率比C3A略慢，水化热较低，其水化反应及 其产物与C3A极为相似。
Fe2O3基本上起着与Al2O3相同的作用，在水化产物中铁置 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。
如：
C3A + CH + 12H = C4AH13 C4AF + 4CH + 22H = 2C4 (A、F)H13
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
结束相当于初凝时间
最大
加速期
反应重新加快，放热速率随 随反应进行Ca2＋浓度下降，
(4~8小时) 减速期
时间增长，出现第二放热峰，但始终超过饱和浓度 在达到峰顶时本阶段结束， 中 终凝已过，开始硬化 期 反应速率下降，放热速率由 Ca2＋浓度继续下降
水泥水化
硬化：建立具有一定机械强度的结构
硬化之后还在继续水化
硬化水泥浆体：水泥加水发生水化反应后，变成具有一定强度 的固体，叫硬化水泥浆体。由于外观和一些性能与天然石材相 似，又称之为水泥石。
非均质的多相体系
水化产物和残存熟料－固相 孔隙中的水－液相 孔隙中的空气－气相
三相多孔体
一、水泥硬化机理
硬化机理 结晶理论 胶体理论
结晶度极差
近程(纳米级)有序：层 状结构；
远程无序胶体，取决水 化龄期，初期溶胶，中 后期凝胶
取决水化龄期－与生长 空间有关：水化龄期长， 尺寸越小，2～0.1µm 初期：纤维状
早期：网络状
08-硅酸盐水泥的水化和硬化汇总
大就部难分以学进说入都 溶认 液为 ，， 从在 而使C3反S颗应粒延上缓形。成在了过表饱面和层条后件，下硅所酸形根成离的子 产物，往往靠近颗粒表面析出，同时又呈无定形，难以精确检 测。因此有关表面层的组成和结构，各方面的结论不尽相同。 在诱导期间，表面层虽有增厚，但表面层的去除又是使快速反 应重新开始的重要条件。而水化产物晶核的形成和生长，却是 与诱导期结束的时间相一致的。
转化 最终产物，等 轴晶系，稳定
C3A的水化产物以晶体状态存在
23
3、C矿的水化
水化过程:与C3A极为相似，但速度要慢。 影响因素：水灰比；温度；Al/Fe比。 水化产物：
C4(A·F)H13 、C3(A·F)H6
C4(A·F)H13与C4AH19、C4AH13、C2AH8 很相似，只是其中有 部分Al3+被Fe3+代替，因而它与C-A-H有着极为相似的特性。 不稳定，易转变为C3(A·F)H6并析出Ca(OH)2 ，Ca(OH)2的 存在会延缓其转化。 C4(A·F)H13与CaSO4的反应速度远低于C3AH6，因此，C4AF 抗硫酸盐性能好 水化铁酸钙为胶体状态，会在铁酸盐周围形成一层保护膜， 降低水化速度。
第八章
硅酸盐水泥的水化和硬化
1
水泥加水以后为什么可以凝结硬化？
2
3
4
5
6
水化产物 填充空隙 并将水泥 颗粒连接 在一起
7
已水化的水 泥浆里留下 的孔隙
未水化水 泥颗粒
8
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
9
水泥熟料矿物为什么能与水发生反应？主要原因
第七章 硅酸盐水泥的水化与硬化
§7.2 硅酸盐水泥的水化
一.水化反应体系的特点
• 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。
• 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。
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 （六方片状晶体） ，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
·石膏（充足）、CaO同时存在时 C3A+CH+12H→C4AH13 C4AH13+3CSH2+14H → C3A·3CS·H32 + CH
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（直到水化结束） 产物扩散困难。
原因：产物层厚：水很少—
Ⅰ-诱导前期； Ⅱ-诱导前期；Ⅲ -加速期； Ⅳ -减速期；Ⅴ -稳定期
◆诱导期的本质
• 保护膜理论 • 晶核形成延缓理论
• 晶格缺陷的类别和数量是决定诱导期长短 的主要因素
· 水泥石的组成:
固相
结晶程度较差的凝胶 C-S-H：70%
结晶程度较好的Ca(OH)2： 20% 结晶程度较好的AFm、 AFt： 7%
及水化铝酸钙等晶体 未水化残留熟料和其它微量组份：3%
孔隙
毛细孔：未被外部水化产物填充 凝胶孔：凝胶微孔 水：100%孔内全为水
简述硅酸盐水泥的凝结硬化过程与特点
硅酸盐水泥是一种常用的建筑材料，它在建筑领域具有重要的应用价值。
它的凝结硬化过程与特点对于理解其在建筑中的作用具有重要意义。
本文将对硅酸盐水泥的凝结硬化过程与特点进行简要的阐述，以便读者对其有一个清晰的认识。
一、硅酸盐水泥的凝结硬化过程1. 凝结过程硅酸盐水泥在加水后会发生水化反应，形成胶凝体，然后在适当的条件下开始凝结。
水化反应的化学方程式为：4CaO·SiO2 + 2CaO·SiO2·2H2O + 3CaSO4 + 32H →3CaO·2SiO2·4H2O + 3CaSO4·2H2O此过程是一个放热反应，可以产生大量的热量。
硅酸盐水泥的初凝时间一般在30~120分钟，凝结时间为几十小时至几天。
在这个过程中，水泥逐渐凝固成坚硬的体积稳定的水化硅酸盐凝胶体系。
2. 硬化过程硅酸盐水泥的硬化过程是水化反应的延续。
在一定的条件下，水泥的强度随着时间的推移而不断增加。
硅酸盐水泥的硬化特点是初期强度低、中后期强度高，长期强度稳定的特点。
二、硅酸盐水泥的特点1. 抗渗透性能硅酸盐水泥在水化硬化后，形成的凝胶体系具有良好的致密性，抗渗透性能较好。
在一定程度上能够抵御外部水分的侵蚀，保护混凝土结构的耐久性。
2. 抗压抗折性能硅酸盐水泥在水化硬化后，其强度随时间增长而不断提高，最终形成坚固的凝结体系，具有较高的抗压抗折性能。
在混凝土结构中能够承受一定的荷载。
3. 与混凝土的黏结性能硅酸盐水泥在水化硬化过程中，会与骨料及混凝土基材发生化学反应，形成良好的结合力，因此与混凝土的黏结性能较好。
能够有效地将混凝土的各部分紧密连接起来。
4. 抗碱骨料反应性能硅酸盐水泥在水化硬化后，其凝胶体系具有较低的碱骨料反应性，可以有效防止混凝土中的碱骨料反应，提高混凝土的耐久性。
硅酸盐水泥的凝结硬化过程是一个复杂而又精细的化学过程，它决定了水泥的性能和应用。
而硅酸盐水泥的特点使其在建筑领域具有广泛的应用前景，为建筑结构的强度与耐久性提供了有力的保证。
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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 + 6HC4AH13 + 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→C4AH13C4AH13+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）H13T＞50 ℃：C4AF + 6H →C3（A · F）H62. 有石膏存在时C4AF + 2CH + 6CSH2 + 50 H →2 C3(A·F)·3CS·H323. 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＞C2S6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＞C3S＞C2S 。
各熟料矿物的水化活性主要与矿物的晶体结构有关。
（与不规则配位、高配位造成的晶体结构缺陷有关）2. 水泥细度：细度越细，反应物的表面积越大，反应速度越快；磨细的过程中，使晶格扭曲程度增大，晶格缺陷增加，反应活性高，使水化反应易于进行。
细度增加使早期水化反应和强度提高，对后期强度没有很多益处。
3.水灰比水灰比在0.25～1.0之间，对早期水化速率并无明显影响，但水灰比过小，会使后期的水化反应延缓。
为了达到充分水化的目的，拌和水量应为化学反应所需水量的一倍左右。
水灰比宜在0.4以上。
⑴响水化速度；⑵响水泥浆的结构和孔隙率；⑶强度。
4.养护温度温度越高，速度越快。
温度对水化速度的影响主要在早期，对后期影响不大。
温度低于-10℃水泥基本不发生水化。
5.外加剂：施工时¡°加入少量能调节凝结时间的物质绝大多数无机电解质都有促进水泥水化的作用，如CaCl2 ;机外加剂对水化有延缓作用，常用各种木质素磺酸钠。
促凝剂：CaCl2：液相钙离子浓度高、加快Ca(OH)2的结晶，缩短诱导期。
缓凝剂：葡萄糖酸阻碍C-S-H成核木质素磺酸盐推迟Ca(OH)2结晶早强剂：三乙醇胺：对C3S C2S有催化：砼28天强度高40%以上§7.4 硬化水泥浆体一、凝结硬化过程及概念水泥的凝结和硬化：水泥加水拌成的浆体，起初具有流动性和可塑性。
随着水化反应的不断进行，浆体逐渐失去流动性，转变为具有一定强度的固体，即为水泥的凝结和硬化。
凝结：浆体失去流动性和部分可塑性具有塑性强度硬化：完全失去可塑性，具有一定的机械强度• 水化是凝结硬化的前提，而凝结硬化则是水化的结果。
从整体上看，凝结与硬化是同一过程的不同阶段，凝结标志着浆体失去流动性，而具有一定的塑性强度，硬化则表示浆体固化后产生一定的机械强度。
二.浆体结构的形成与发展（凝结硬化机理）补充：物质凝聚的几种形式1.物质从过饱和溶液中结晶出来，形成晶体相互交织的产物。
如半水石膏-通过结晶使浆体获得强度2.形成半固体的凝胶如石灰浆的结硬-通过凝聚而获得强度3.结硬化过程机理（参考普硅P74)⑴霞特利的结晶理论⑵哈艾利斯的胶体理论溶解期⑶依柯夫理论胶化期结晶期⑷赫尔理论洛赫尔等人将凝结硬化过程中体系结构的变化分为三个阶段：第一阶段：初凝时间内，晶体太小，不能连接成网状结构，水泥浆成塑性状态，孔隙率没显著下降。
第二阶段：大约从初凝到24小时为止，水化开始加速，连接成网状结构，随着水化物的继续增多，孔隙率明显减少，网状结构不断致密，强度不断增长。
第三阶段：24小时后到水化结束，孔隙率不断减小，结构致密，强度增加。
统一观点：P190水泥的水化反应开始为化学反应所控制，随着水化产物层的增厚，扩散速率成为决定性因素。
各种水化产物通过晶体互相搭接、交叉攀附使水泥颗粒与水化产物连接，构成一个三度空间牢固结合、密实的整体。
三.硬化水泥浆体的组成与结构硬化水泥浆体是一非均质的多相体系，由各种水化产物和残存熟料所构成的固相以及存在于孔隙中的水和空气所组成，是固-液-气三相多空体。
它具有一定的机械强度和孔隙率，外观和其他性能又与天然石材相似，故又称为水泥石。
1.水泥石的组成：结晶程度较差的凝胶C-S-H：70%结晶程度较好的Ca(OH)2： 20%固相结晶程度较好的Afm、 Aft： 7%及水化铝酸钙等晶体未水化残留熟料和其它微量组份：3%毛细孔：未被外部水化产物填充孔隙 凝胶孔：凝凝胶孔水：100%孔内全为水硬化水泥浆体主要水化产物的基本特征2.化水泥浆体的结构：等结晶相、未水泥石由水泥凝胶、吸附在凝胶孔内的凝胶水、 Ca(OH)2水化的水泥颗粒、毛细孔及毛细孔水所组成。
硬化水泥浆体主要水化产物的基本特征名称密度结晶程度形貌尺寸μΜ鉴别手段C-S-H 2.3～2.6 极差纤维状、网络状、皱箔状等大颗粒1×0.1 扫描电镜氢氧化钙 2.24 良好六方板状 0.01～0.1mm 光学显微镜扫描电镜钙矾石 1.75 好带棱针状 10×0.5 光学显微镜扫描电镜单硫型水化硫铝酸钙1.95 尚好六方薄片状不规则花瓣状1×1×0.1 扫描电镜三、孔的结构特征1.的产生：物完全水化：理论W/C=0.2-0.6实际砂浆：W/C=0.5（国标实验）所以：理论加水远远大于实际加水：多余水变成固相体积孔隙2.孔的形成及影响24小时后：70-80%孔小于100nm孔直径大于100nm（大毛细孔）：强度降低凝胶孔小于100nm越多：强度越高3.孔的分类（见P199 表8-9）四.水及其存在形式1.按结合牢固程度分为：结晶水：强结晶水：以OH- 状态存在弱结晶水：以水分子状态存在吸附水：是由于吸附作用及毛细现象作用被物理吸附于固体颗粒表面及孔隙中的水，可分为凝胶水及毛细水。