3.5水泥的水化和硬化解析

2. 普通硅酸盐水泥的特性及应用
（1）早期强度略低，后期强度高。 （2）水化热略低。 （3）抗渗性好，抗冻性好，抗碳化能力强。 （4）抗侵蚀、抗腐蚀能力稍好。 （5）耐磨性较好；耐热性能较好。 普通硅酸盐水泥的应用范围和硅酸盐水泥相 同。
3.矿渣硅酸盐水泥（简称矿渣水泥P．S）
由硅酸盐水泥熟料和２０％～７０％的粒化高炉 矿渣及适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料。 矿渣硅酸盐水泥的主要性能特点如下： （1）早期强度低，后期强度高。对温度敏感，适宜于 高温养护。 （2）水化热较低，放热速度慢。 （3）具有较好的耐热性能。 （4）具有较强的抗侵蚀、抗腐蚀能力 （5）泌水性大，干缩较大。 （6）抗渗性差，抗冻性较差，抗碳化能力差。
水泥矿物组成
水泥细度
问题？
1.为什么水泥颗粒越细，水化放热越快？
答: 水泥矿物的水化反应是放热反应，水泥颗粒越细， 水化反应速度越快。
2.硅酸盐水泥熟料的四种矿物中，哪一种水化热最 大？哪一种水化热最小？
答： 铝酸三钙C3A水化热最大；硅酸三钙C3S次之；硅 酸二钙C2S水化热最小。
3.为什么要限制水泥的不溶物含量和烧失量？
水
水泥浆的凝结硬化过程
（1）水 化
短纤维状 ①
②
C3S H 2O C S H Ca(OH )2
C2 S 同上
长纤维状
立方板状结晶
③
C3 A H 2O C3 AH6
水化速度快
针状结晶
缓凝机理： C3 AH6
CaSO4 2H 2O AFt
当石膏耗尽时，转化为 AFm
5.粉煤灰硅酸盐水泥（粉煤灰水泥Ｐ．Ｆ）
由硅酸盐水泥熟料和２０％～４０％的粉煤灰及 适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料。 粉煤灰水泥的主要性能特点如下： （1）早期强度低，后期强度高。对温度敏感，适宜于 高温养护。 （2）水化热较低，放热速度慢。 （3）具有较强的抗侵蚀、抗腐蚀能力 （4）需水量低，干缩率较小，抗裂性好。 （5）抗冻性较差，抗碳化能力差，耐磨性差。



硅酸盐水泥的品种及矿物含量
A
CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 f-CaO SO3 C3S C2S C3A C4AF 66 21 7 3 1 2 48 24 13 9
B
67 21 5 3 1 2 65 11 8 9
C
64 22 7 4 1 2 31 40 12 12
D
64 23 4 5 1 2 42 34 2 15
3.6 特性水泥 和专用水泥
特性水泥： 铝酸盐水泥 专用水泥： 砌筑水泥
快硬硫铝酸盐水泥
道路硅酸盐水泥 白色和彩色水泥 抗硫酸盐硅酸盐水泥
膨胀和自应力水泥
中热水泥和低热矿渣水泥
一、道路硅酸盐水泥

组成特点：
水泥熟料主要矿物——硅酸钙和铁铝酸钙 铁铝酸四钙高，C4AF的含量≥16.0％。

特点： 普通
早强
低热
抗硫酸盐
②水泥浆的水灰比

水灰比：是指水泥浆中水与水泥的质量之比。
水灰比较大，此时水泥的初期水化反应得以充分进 行；但是水泥颗粒间原来被水隔开的距离较远，颗粒 间相互连接形成骨架结构所需的凝结时间长，所以水 泥浆凝结较慢。
水泥浆的水灰比较大时，多余的水分蒸发后形成 的孔隙较多, 造成水泥石的强度较低。
答：不溶物是指水泥经酸和碱处理后，不能被溶解的 残余物；烧失量是指水泥经高温灼烧后的质量损失率。这 两项指标超标表示水泥中不能水化的杂质含量大，影响水 泥硬化后的性能。
问题？
4.试从应用的角度，分析水泥的技术性质及其要求？ 答：
水泥是一种胶凝材料，是主要的结构材料之一，因此，
它必须具有强度和体积安定性； 细度和标准稠度用水量是相互关联的，用水量大将影响 强度； 为了浇注成型施工，应对凝结时间有所限制； 水化热对水泥硬化过程和硬化后的水泥石体积稳定性有 影响； 碱含量、不溶物和烧失量影响水泥的品质； 为了结构物自重的计算，必须知道水泥的密度。
1.硅酸盐水泥的特性及应用 （4）水化热高。 不宜用于大体积混凝土工程。但有利于低温季节 蓄热法施工。 （ 5 ）抗碳化性好。因水化后氢氧化钙含量较多，故 水泥石的碱度不易降低，对钢筋的保护作用强。 适用于空气中二氧化碳浓度高的环境。 （6）耐热性差。因水化后氢氧化钙含量高。 不适用于承受高温作用的混凝土工程。 （7）耐磨性好。 适用于高速公路、道路和地面工程。
第2章 混凝土的凝结与硬化
3.5.1硅酸盐水泥的水化硬化 1. 水泥熟料矿物的水化反应

特征： 水泥熟料颗粒中的四种主要矿物同时进行水化反 应； 其水化反应均是放热反应； 水化反应是固－液异相反应。
来自水泥粉磨过程中二水石Fra Baidu bibliotek的脱水分解： CaSO42H2O CaSO40.5H2O+1.5H2O
4.火山灰质硅酸盐水泥（火山灰水泥Ｐ．Ｐ）
由硅酸盐水泥熟料和２０％～５０％的火山灰质 混合材料及适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料。
火山灰水泥的主要性能特点如下： （1）早期强度低，后期强度高。对温度敏感，适宜于 高温养护。 （2）水化热较低，放热速度慢。 （3）具有较强的抗侵蚀、抗腐蚀能力 （4）需水性大，干缩率较大。 （5）抗渗性好，抗冻性较差，抗碳化能力差，耐磨性 差。


凝结——水泥与水混合形成可塑浆体，随着时 间推移、可塑性下降，但还不具备强度，此过 程即为“凝结”； 硬化——随后浆体失去可塑性，强度逐渐增长， 形成坚硬固体，这个过程即为“硬化”。
水泥浆体转变成坚硬固体的过程是一个复杂 的物理化学变化过程。
水泥浆的凝结硬化——物理过程
水 泥
溶 解
扩 散
沉 淀

因此水泥浆的水灰比过大时，会明显降低水泥 石的强度。
③ 石膏掺量

石膏起缓凝作用的机理可解释为：水泥水化时， 石 膏能很 快与铝 酸三钙 作用生 成水化 硫铝酸 钙 （钙矾石AFt），钙矾石很难溶解于水，它沉淀在 水泥颗粒表面上形成保护膜，从而阻碍了铝酸三 钙的水化反应，控制了水泥的水化反应速度，延 缓了凝结时间。
④ C4 AF H 2O 水化硫铝酸钙 水化铁铝酸钙
高硫型水化硫铝酸钙 3CaO•Al2O3•31H2O单硫 型水化硫铝酸钙 3CaO•Al2O3•12H2O
铝酸三钙C3A的水化



铝酸钙C3A的水化行为在水泥水化早期特别重要.纯 C3A与水反应迅速，这一反应导致水泥浆闪凝或假 凝，必须避免！ 这就是硅酸盐水泥生产中，必须加入 快凝:指浆体迅速形成不可逆固化现象，浆体已产生 石膏与水泥熟料一起粉磨的根本原因！ 一定强度，重新搅拌并不能使其恢复塑性。 这一发明是硅酸盐水泥发展史上的一 假凝特征：指水泥加水拌合后，几分钟内即迅速凝 个里程碑。 结变硬，经剧烈搅拌后，又重新恢复塑性的现象。 这是一种不正常的早期快速固化现象。但与快凝又 不相同。假凝放热量很小，而且经剧烈搅拌后，浆 体又重新恢复塑性，并达到正常凝结，对强度没有 不利影响，但增大了施工难度。 避免闪凝的有效途径——加入石膏CaSO42H2O
注意： 复合水泥特点 取决于所掺的混合材种类。
6.掺混合材料硅酸盐水泥的共性与应用
⑴掺混合材硅酸盐水泥的共性 密度较小 2.70～3.10。早期强度较低，后 期强度增长率高。 对养护温湿度敏感，适合蒸汽养护。 水化热较小。 耐腐蚀性较好。 抗冻性、耐磨性不及硅酸盐水泥和普通硅酸 盐水泥。
反应速度序列：
⑴ 半水石膏CaSO40.5H2O和游离氧化钙f-CaO 的水化 ⑵铝酸三钙C3A的水化 ⑶铁铝酸四钙C4AF的水化 ⑷硅酸三钙C3S的水化 ⑸硅酸二钙- C2S的水化
水泥颗粒的结构
水泥颗粒宏观形貌
水泥熟料颗粒细观形貌
水泥熟料矿物微观结构
问题: 水泥浆如何转变成坚硬固体？
水泥浆通过水泥熟料矿物的水化反应、浆 体的凝结硬化过程变成坚硬固体
水泥硬化研究理论 水化过程在不同的情况下会有不同的水化机理； 不同的矿物在不同的阶段，水化机理也会不完全相同。
（3）影响水泥凝结硬化的主要因素
①矿物组成

不同矿物成分和水起反应时所表现出来的特点是不 同的，如 C3A水化速率最快，放热量最大而强度不高； C2S水化速率最慢，放热量最少，早期强度低，后期 强度增长迅速等。 因此，改变水泥的矿物组成，其凝结硬化情况将产 生明显变化。 水泥的矿物组成是影响水泥凝结硬化的最重要的因 素.
⑥龄期（时间）

3.5.2 通用硅酸盐水泥的性能特点及应用
1. 硅酸盐水泥的特性及应用 （１）凝结硬化快，早期及后期强度均高。 适用于有早强要求的工程，（如冬季施工、 预制、现浇等工程），高强度混凝土工程 （如预应力钢筋混凝土，大坝溢流面部位混 凝土）。 （2）抗冻性好。 适合水工混凝土和抗冻性要求高的工程。 （3）耐腐蚀性差，因水化后氢氧化钙和水化 铝酸钙的含量较多。
在矿物组成相同的条件下，水泥磨得愈细，水泥 颗粒平均粒径小，比表面积大，水化时与水的接 触面大，水化速度快，相应地水泥凝结硬化速度 就快，早期强度就高。
④ 水泥的细度

⑤ 环境温度和湿度


在适当温度条件下，水泥的水化、凝结和硬化速度较 快。反应产物增长较快，凝结硬化加速，水化热较多。 相反，温度降低，则水化反应减慢，强度增长变缓。 但高温养护往往导致水泥后期强度增长缓慢，甚至下 降。 水的存在是水泥水化反应的必要条件。当环境湿度十 分干燥时，水泥中的水分将很快蒸发，以致水泥不能 充分水化，硬化也将停止；反之，水泥的水化将得以 充分进行，强度正常增长。 水泥的凝结硬化是随时间延长而渐进的过程，只要温 度、湿度适宜，水泥强度的增长可持续若干年。
⑵掺混合材料的硅酸盐水泥的应用
①凝结硬化速度慢、早期强度低。但是后期强度增长较多，甚至 超过同标号的硅酸盐水泥或普通水泥。故这三种水泥不宜用于 有早强要求的工程。 ②硬化时对湿热敏感性强。温度低时凝结硬化慢，但在湿热条件 下（60-700C以上），凝结硬化速度大大加快，强度发展很快。 故适宜采用蒸汽养护。 ③水化放热速度慢，放热量低。宜用于大体积混凝土工程。 ④抗软水和抗硫酸盐腐蚀的能力强。由于混合材料水化时消耗了 部分Ca(OH)2，致使水泥适石中Ca(OH)2的含量减少，并且 C3AH6含量也大大降低，所以抗这两种腐蚀的能力比硅酸盐水 泥和普通水泥要强。故适用于受软水或硫酸盐腐蚀的水利工程， 海港工程及地下工程。 ⑤抗冻性和抗碳化能力差。这三种水泥早强低，受冻易损害， 且由于Ca(OH)2含量少，碱度低，易碳化分解，使已硬化的水 泥石表面产生“起粉”现象。故不宜用于严寒地区，特别是严 寒地区水位经常变动的部位。
性能特点：
初凝时间较长，≥1h； 抗折强度高； 耐磨性好，磨损率≤3.60kg/m2； 抗裂性好，28d干缩率≤ 0.10%；

使用特点：
主要用于混凝土路面工程。
二、白色硅酸盐水泥

组成特点：
水泥中的氧化铁的含量低于水泥质量的0.5%。

性能特点：
外观为白色，按白度分为一级、二级和三级；技术 要求与普通水泥同。

应用特点：
白水泥熟料与颜料、石膏共同磨细可制得彩色水泥； 主要用于建筑室内外装饰等。
三、抗硫酸盐水泥

组成特点：
C3S、C3A的含量低，要求C3S的含量低于50.0~55.0%； C3A的含量低于5.0~3.0%。 （为什么？）

性能特点：
具有抵抗较高浓度硫酸根离子侵蚀能力，抗蚀能力以 抗硫酸盐腐蚀系数F来评定。要求F≥0.8。
7.水化热

概念：
水泥的水化是放热反应，放出的热量就是水化热。

放热特征：
水泥放热过程可持续很长时间，但大部分在3d内释放。

水化热的益处与危害：
水化热有利于水泥的快硬，尤其是在冬天施工，但如果 水化热发散不均匀，容易在混凝土中引起裂缝，尤其是大 体积混凝土，更是如此。

水化热和放热速度的影响因素：
（2）硬化
第一阶段： 大约在水泥拌水起至初凝时止，C3S迅速反应生成 Ca(OH)2。石膏和C3A反应生成钙矾石晶体。 水泥浆呈塑性状态。 第二阶段： 大约从初凝起至 24h 止，水泥水化加速，生成较 多的Ca(OH)2、钙矾石晶体、水化硅酸钙凝胶。 水化产物大量生成，水泥凝结。 第三阶段： 指 24h 以后直到水化结束。所有水化产物生成， 数量不断增加，结构更加致密，强度不断提高。