硅酸盐水泥的水化过程
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:
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。
第四章 硅酸盐水泥的水化
硅酸盐水泥的水化放热曲线与C3S的基本相同，图2-2-5-10 中出现了三个放热峰。第一个峰一般认为是由于AFt的形成，第 二个峰则是由于C3S水化形成C-S-H和CH相，第三个峰是由于石 膏消耗完后AFt向AFm相的转化。
多数研究者认为水化硅酸钙的组成随着水化反应的进程而改变，其C/S 比随龄期的增长而下降，例如从水化1天的1.9，到2,3年后可减少至1.4～1.6 左右。
C3S的水化过程的5个阶段：
I．初始水解期：加水后立即发生急剧反应，但该阶段时间 很短，在15min以内结束。又称诱导前期。 2．诱导期：这一阶段反应速率极其缓慢，又称静止期，一 般持续2～4h,是硅酸盐水泥浆体能在几小时内保持塑性的原 因。初凝时间基本上相当于诱导期的结束。 3．加速期：反应重新加快，反应速率随时间而增长，出现 第二个放热峰，在到达峰顶时本阶段即告结束（4～8h）。此 时终凝已过，开始硬化。 4．衰退期：反应速率随时间下降的阶段，又称减速期，约 持续12一24h，水化作用逐渐受扩散速率的控制。 5．稳定期：反应速率很低、基本稳定的阶段，水化作用完 全受扩散速率控制。
水化重新加速的第二放热峰，也足以说明由于石膏的 存在，水化延缓。所以，石膏的参量是决定C3A水化速率、 水化产物的类别及其数量的主要因素。但石膏的溶解速 率也很重要，如果石膏不能及时向溶液中供应足够的硫 酸根离子，就有可能在形成钙矾石之前，先生成单硫型 水化硫铝酸钙。所以，硬石膏、半水石膏等不同类型的 石膏，对于C3A水化过程的影响，就与通常所用的二水石 膏有着明显的差别。 按照一般硅酸盐水泥的石膏掺量，其最终的铝酸盐水 化物常为钙矾石与单硫型水化硫铝酸钙。同时在常用水 灰比的水泥浆体中，离子的迁移受到一定程度的限制， 较难充分地进行上述各种反应，因此钙矾石很有可能与 其它几种水化铝酸盐产物在局部区域同时并存。
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。
硅酸盐水泥的水化过程课件
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
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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
• 随比表面积增加，水化初期反应加速， 延缓凝结所需的石膏量随之增加。
• 硅酸盐水泥熟料中的碱几乎全部结合为 易溶的硫酸盐。随碱含量增加，石膏溶 解度增加，Ca(OH)2的溶解度降低，使硫 酸盐离子优先进入CSH凝胶。
• Fe2O3的影响还不能解释。
C3A、R2O、SO3的关系
C3A（%）
＞6 ＜6 ＞10 ＞10
微结构特征
• 纤维状CSH凝胶形成 • 水化12小时后，开始在水化水泥颗粒周
围形成Hadley空壳。 • 小于3μm的水泥颗粒可全部水化。 • 水化16小时后，出现针状AFt相
水化后期
• 反应衰退期 • 反应产物开始在反应物层（Hadley壳）
内部沉积。 • AFt向AFm转变 • 反应为局部化学反应，受扩散控制。 • 浆体逐渐致密。
烧失（％）
20 18 16 14 12 10
0
5
10 15
20 25
30
（d）
cef3 cef4 cef5
水泥硬化浆体的化学结合水量
影响水泥水化的因素
• 水泥水化速率受水泥中各个组分的水化 速率的影响。C3S和C3A控制着水泥的水 化速率。
• 各相的化学和矿物组成，水化环境同样 影响水泥的水化速率。
硅酸盐水泥的水化
水泥“水化”是在水泥中各组分和水之 间发生的化学过程。水化具有物理和机械 作用，影响水泥材料的工程性能，即新拌 浆体的流变性能、凝结和硬化、徐变、水 化放热、微观结构和耐久性等。
流变性能
（流动性、凝结、硬化、徐变）
（
水 化 热
热 晗
水化引起的变化
）
微观结构
（孔隙率、形貌）
（
化
学
组 成
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。
硅酸盐水泥的水化反应
硅酸盐水泥水化反应
嘿，朋友们，你们知道吗？硅酸盐水泥这家伙，一碰到水，那化学反应可是热闹非凡，简直就像是一场盛大的派对！
想象一下，水泥熟料里的硅酸三钙和硅酸二钙，它们就像是两个活泼的孩子，一见到水就迫不及待地开始玩耍。
它们与水反应，生成了水化硅酸钙和氢氧化钙。
这就像是在派对上，孩子们找到了自己的玩伴，开始尽情地玩耍，生成了新的、更有趣的东西。
而铝酸三钙和铁铝酸四钙呢，它们更像是派对上的摇滚明星，与水反应后，生成了水化铝酸钙。
这水化铝酸钙还不甘寂寞，又与氢氧化钙进一步反应，生成了水化铝酸四钙。
这就像是在派对上，摇滚明星们找到了自己的乐队，开始演奏起激情四溢的音乐，让整个派对更加火热。
但是，派对上怎么可能少了石膏这位重要的嘉宾呢？当有石膏存在时，水化铝酸钙会与石膏反应，生成钙矾石。
这就像是在派对上，石膏这位神秘的嘉宾与水化铝酸钙这位摇滚明星合作，共同演绎了一首令人惊叹的歌曲，让整个派对达到了高潮。
当然，这场派对不仅仅只有这些化学反应，还有二氧化碳与氢氧化钙的碳化反应，就像是派对上的小游戏，给整个派对增添了一丝乐趣。
经过这场盛大的派对，硅酸盐水泥的主要水化产物有C-S-H 凝胶、氢氧化钙、钙矾石和水化硫铝酸钙。
它们就像是派对后的纪念品，记录着这场热闹非凡的化学反应。
你看，硅酸盐水泥的水化反应就是这么有趣，就像是一场盛大的派对，充满了活力和激情。
下次当你看到硅酸盐水泥与水反应时，不妨想象一下这场热闹的派对，感受一下其中的乐趣吧！。
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水泥＋水（流体）－可塑性浆体（塑性体）－固体
水泥
水
混
熟石 合
水
料膏 材
料
水化 凝结 硬化2 Nhomakorabea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：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。
Cement Water Hydration Products
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水泥加水以后为什么可以凝结硬化？
Hydration products connect grains
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水泥加水以后为什么可以凝结硬化？
Pore space remains in hydrated cement paste
Unhydrated grains
因而水化是从表面开始，在浓度和温度不断变化的条件下，通 过扩散作用缓慢向中心深入。较大水泥颗粒的中心往往会完全停止 水化，当温度、湿度条件适当时，再重新缓慢水化。
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硅酸盐水泥的水化
❖ 硅酸盐水泥的水化过程
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硅酸盐水泥的水化
❖ 水化前后固相及其所占体积比的变化
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硅酸盐水泥的水化
❖ 水化产物的基本特征
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硅酸盐水泥的水化
❖ 水泥水化的液相环境
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：
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-
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硅酸盐水泥的水化
❖ 硅酸盐水泥的水化放热曲线
钙矾石形成期：C3A率先水化→形成AFt →第一放热峰 C3S水化期：C3S水化→第二放热峰(有时AFt→AFm形成第三放热峰) 结构形成和发展期：放热速率很低并趋于稳定，水化产物相互交织
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请各位老师批评指正！ 非常感谢！
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水泥加水以后为什么可以凝结硬化？
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水泥加水以后为什么可以凝结硬化？ Cement Water
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水泥加水以后为什么可以凝结硬化？
Cement Water Hydration Products
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水泥加水以后为什么可以凝结硬化？
Cement Water Hydration Products
7
水泥加水以后为什么可以凝结硬化？
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。
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硅酸盐水泥的水化
❖ 水化过程中各矿物间的相互作用
C3A、C4AF与石膏间关系； C3S对C2S的水化有一定的促进作用； 碱的影响：对不同矿物影响不一样； 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； 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。