水泥水化过程,机理

C3A>C4AF>C３S>C2S
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在生产应用中，不论是膨胀还是收缩，最重要的 是体积变化的均匀性。如果水化形成的固相发生局部 的不均匀膨胀，则会引起硬化浆体结构破坏，造成安 定性不良。但如控制得当，所增加的固相体积恰能使 水泥浆体产生均匀的膨胀，反而有利于水泥石结构变 得更加致密，提高其强度，相应改善抗冻、抗渗等性 能；甚至还可利用其作为膨胀组分，成为配制各种膨 胀水泥的基础。
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(3)施工条件 水泥石结构的强度与其施工过程密切相关。
在施工过程中，水灰比、骨料级配、搅拌振捣的程度、 养护温度及是否采用 外加剂等对强度都有很大影响。
①水灰比及密实程度 水泥的水化程度越高，单位体积内水化产物就越多，
凝结时间: 硅酸盐水泥初凝不小于45min,终凝不大于390min 。
其它:
初凝不小于45min,终凝不大于600min 。
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1.凝结速度
水泥凝结时间的长短决定于其凝结速度的快慢。
凡是影响水化速度的各种因素,基本上也同样影响水泥 的凝结速度，如熟料矿物组成、水泥细度、水灰比、温度 和外加剂等.但水化和凝结又有一定的差异。例如，水灰 比越大，水化越快，凝结反而变慢。这是因为加水量过多， 颗粒间距增大，水泥浆体结构不易紧密，网络结构难以形 成的缘故。
C3A在石膏一石灰的饱和溶液中，生成溶解度极低的钙 矾石，这些棱柱状的小晶体生长在颗粒表面，形成覆盖层 或薄膜，覆盖并封闭了水泥颗粒表面，从而阻滞了水分子 及离子的扩散，阻碍了水泥颗粒尤其是C3A的进一步水化 故防止了快凝现象。
随着扩散作用的继续进行，钙矾石增多，当钙矾石覆 盖层增加到足够厚时，渗透到内部的SO42-逐渐减少到不足 以生成钙矾石，而形成单硫型水化硫铝酸钙、C4AHl3及其 固溶体，并伴随有体积增加。当固相体积增加所产生的结 晶压力达到一定数值时，钙矾石膜就会局部胀裂，水和离 子的扩散失去阻碍，水化就能得以继续进行。
密度
2(3CaO·SiO2)+6H20=3CaO·2SiO2·3H20+3Ca(OH)2
3.14
1.00
2.44
2.23
摩尔质量 228.23
18.02
342.48
74.10
摩尔体积 72．71
18．02 140．40
33．23
体系中所占体积145.42 108.12 140.40
99.69
体系总体积(cm3) 253.54
水化热是大体积混凝土工程一个重要的使用性能，如何 降低水化热，是提高大体积混凝土质量的重要举措之一。
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水泥水化放热的周期很长，但大部分热量是在3d以 内，特别是在水泥浆发生凝结、硬化的初期放出。
大量实验表明，水泥的水化热与其矿物组成有关。 熟料中各单矿物的水化热大小顺序为 ：
例如，某一硅酸盐水泥的熟料矿物组成为C3S45％、C2S25％、 C3A 10％、C4AF10％，
则3d水化热经计算为237.5J／g，28d水化热为383.1J／g。
C3A>C3S>C4AF>C2S
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硅酸盐水泥的水化热基本上具有加和性，可以通过下式进行计 算：
Q3d=240w(C3S)+50w(C2S)+880w(C3A)+290w(C4AF) Q28d=377w(C3S)+105w(C2 S)+1378w(C3A)+494w(C4 AF) 式中 w(C3S)，w(C2S)，w(C3A)，w(C4AF)—各熟料矿物的量，％； Q3d—3天龄期的水化热，J／g； Q28d—28天龄期的水化热，J／g； 各系数(如240、50等)—相应各单矿物的水化热，J／g。
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7.1.2水泥的强度 是评价水泥质量的重要指标，是划分强度等级的依据。 通常按龄期将28d以前的强度称为早期强度， 28d及以后的强度称为后期强度。 水泥强度及其发展与很多因素有关，如熟料的矿物组成、
水泥细度、水灰比、养护温度、石膏掺量以及外加剂等。
硬化水泥浆体的体积变化和水泥水化热对混凝土 的早期强度和稳定性有着较大的影响。
分析混凝土早期强度及耐久性能变化有重大意义。
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化学减缩
水泥在水化硬化过程中，无水的熟料矿物转变为水化产物，
固相体积大大增加，而水泥浆体的总体积却在不断缩小，由 于这种体积减缩是化学反应所致，故称化学减缩。以C3S的水 化反应为例：
(4). 石膏和混合材掺量对强度的影响 加入适量的 石膏可提高水泥的早期强度。
混合材的掺入可使水泥早期强度降低,掺量越多,降 低幅度越大,但在适量情况下可使后期强度有所增长。
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7.1.3 体积变化和水化热 1. 体积变化
水泥浆体内毛细孔被水化产物填充的程度就高，水泥浆体 的密实程度也就高些。
在水泥组成和细度相同的情况下，水灰比与强度之间 的关系，和孔隙率与强度的关系相类似。
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②养护温度
在水泥水化过程中，提高养护温度(即水化的温度)， 可以使早期强度得到较快发展，但后期强度，特别是抗折 强度反而会降低。
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2. 水化热 各种熟料矿物与水作用时产生的，在冬季施工中，水 化放热能提高水泥浆体的温度，有利于水泥正常凝结，不 致因环境温度过低而使水化太慢，影响施工进度。
但在大体积混凝 土工程中，水化放出的热量聚集 在混凝土内部不易散失，使其内部温度升高，导致混凝土 结构内外温差较大而产生应力，致使混凝土结构不均匀膨 胀而产生裂缝，给工程带来严重的危害。
形态和尺寸有决定性影响，对水泥强度的形成和发展有 着至关重要的作用。
矿物组成是水泥早期强度、强度增长速度和后期强 度高低最为重要的影响因素。
硅酸盐矿物的含量是决定水泥强度的主要因素。
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四种主要矿物的抗压强度
单位：MPa
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石膏掺量过多或过少都会导致不正常凝结。 当石膏掺量(以SO3计)小于约1.3%时，石膏掺量过小，
水泥会产生快凝。进一步增加SO3含量时，石膏才出现明显 的缓凝作用，但石膏掺量(以SO3计)超过2.5％以后，凝结时 间增长很少。 石膏的适宜掺量，应是加水后24h左右能够被耗尽的数量。
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(2)水泥细度 水泥越细，颗粒分布范围越窄越均匀，其水化速度越快，而
且水化更为完全，水泥的强度，尤其是早期强度越高。适当增 大水泥细度，还能改善浆体泌水性、和易性和黏结力等。而粗 颗粒水泥只能在表面水化，未水化部分只起填充料作用。
矿物名称
C3S C2S C3A C4AF
7d 31.6 2.35 11.6 29.4
28d 45.7 4.12 12.2 37.7
180d 50.2 18.9
0 48.3
365d 57.3 31.9
0 58.3
应该注意的是，水泥的强度并非是几种矿物强度的简单
加和，还与各种矿物之间的比例、煅烧条件、结构形态、 微量元素存在着一定的关联。因此，必须把各种影响因素 综合考虑，否则将直接影响水泥的强度。
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1.强度的产生和发展
一种认为，水泥加水拌和后，熟料矿物迅速水化，生成大 量的水化产物C-S-H凝胶，并生成Ca(OH)2及钙矾石(AFt)晶体。 经过一定时间以后，C-S-H凝胶也以长纤维晶体从熟料颗粒上 长出，同时钙矾石晶体逐渐长大，它们在水泥浆体中相互交织 联结，形成网状结构，从而产生强度。随着水化的进一步进行， 水化产物数量不断增加，晶体尺寸不断长大，从而使硬化浆体 结构更为致密，强度逐渐提高。
③外加剂
如采用掺入适当品种与掺量的减水剂，可使水灰比大 幅度减小到0.25，稳定地促进强度的增长；
采用早强剂可大幅度提高早期强度；
采用如引气剂、膨胀剂、速凝剂等则可能会引起后期强 度的降低，故在使用时应严格控制其掺加量。
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实验证明: 一般0-30µm，活性好；30-60µm，活性一般； 大于60µm，活性较差；大于90µm，活性极差。
但是水泥越细，标准稠度需水量越大，增大了硬化浆体 结构的孔隙率，从而引起强度下降。
大量实验证明，水泥较细时，其ld、3d早期强度提高。 但小于10µm颗粒大于50%～60%时，7d、28d强度开始下降。 因此，水泥细度只有在一定范围内强度才能提高。
另一种认为，硬化水泥浆体强度的产生，是由于水化产物尤其 是C-S-H凝胶所具有的巨大表面能，导致颗粒产生范德华力或 化学键力，吸引其他离子形成空间网络结构，从而具有强度。
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2.影响强度的因素
(1)熟料的矿物组成 矿物组成及其相对含量对水泥的水化速度、水化物的
特点 原因
假凝 放热量极微 搅拌恢复塑性
石膏脱水造成
措施wk.baidu.com
降低入磨熟料温度 降低磨内温度 存放一定时间或搅拌
快凝 放热量大 搅拌后不能恢复塑性 C3A水化生成C4AH13
加入适量石膏
降低铝率,提高KH
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(2).石膏缓凝机理
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2.硅酸盐水泥凝结时间的调节 (1).快凝现象与假凝现象
快凝现象 指熟料粉磨后与水混合时很快凝结并放出热量的现象 假凝现象 指水泥的一种不正常的早期固化或过早变硬现象。
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240.09
体积变化
-5.31%
固相体积变化
145.42
240.09 65.11%
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在一定龄期内化学减缩越大，说明水化速度越大， 水化程度越高。
试验表明，无论就绝对数值还是相对速度而言，水 泥熟料中各单矿物的减缩作用，其大小顺序均为：
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影响凝结速度的因素 (1)水泥熟料矿物的组成 决定水泥凝结的主要矿物是C3A和C3S；在C3A含量较高
或石膏等缓凝剂掺量过少时，出现 “速凝”或“闪凝”。产 生这种不正常快凝时，浆体迅速放出大量热，温度急剧上升。
但是如果C3A较少(≤2％)或掺加有石膏等缓凝剂，就不会 出现快凝现象，水泥的凝结快慢则主要由C3S水化来决定。
7硅酸盐水泥的性能及耐久性
主要内容
7.1硅酸盐水泥的性能 7.2 耐久性
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7.1硅酸盐水泥的性能
7.1.1凝结时间
水泥浆体的凝结可分为初凝和终凝。
初凝表示水泥浆体失去流动性和部分可塑性，开始凝结。 终凝则表示水泥浆体逐渐硬化，完全失去可塑性，并具有一 定的机械强度，能抵抗一定的外来压力。
快凝是由C3A造成的，而正常凝结则是受C3 S制约的。
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(2)熟料和水化产物的结构 化学组成和煅烧温度相同的熟料,快冷凝结正常而慢冷凝 结较快。 水化产物是凝胶状的，则会形成薄膜，包裹在未水化的 水泥周围，阻碍矿物进一步水化，因而能延缓水泥的凝结。