6硅酸盐水泥的水化与硬化水泥工艺学.ppt

§6 硅酸盐水泥的水化与硬化 2021/8/61•教学内容与要求：•⑴ 掌握硅酸盐水泥熟料单矿物水化特点；•⑵ 理解硅酸盐水泥水化过程；•⑶ 理解水泥硬化浆体的结构2021/8/62•思考：•1、水泥水化有哪些现象？•塑性浆体逐渐凝结硬化•水化放热•水泥石的体积变化•2、研究水泥水化有什么用呢？•决定着水泥的建筑性能：凝结时间、强度、安定性、耐久性……•控制和改善水泥的使用性能2021/8/63•§6.1 熟料矿物的水化 •一、硅酸三钙•1.C3S的水化反应•3CaO·SiO2+nH2O =x CaO·SiO2·yH2O+（3-x）Ca(OH)2•即: C3S+nH = C-S-H +（3-x)CH•式中 x——表示钙硅比（C/S） • n——表示结合水量 2021/8/64•⑴ C-S-H（水化硅酸钙）•特点：•凝胶（非晶体），水泥石强度主要提供物质•组成不固定：•[CaO]：0.112～1.12g/l时，•C-S-H（Ⅰ） (0.8～1.5)CaO·SiO2·(0.5～2.5)H2O•[CaO]>1.12g/l时，•C-S-H（Ⅱ） (1.5～2.0)CaO·SiO2·(1～4)H2O2021/8/65•⑵ CH （氢氧化钙）•特点：•较粗大晶体，造成水泥石强度下降；•维持水泥石体系较高碱度，稳定C-S-H；•可作为火山灰质等混合材的碱性激发剂。

2021/8/66•2.水化过程 •⑴ 诱导前期•急剧反应，出现第一个放热峰，时间很短，在15min以内结束2021/8/67•⑵ 诱导期:•反应极其缓慢，又称静止期一般持续 1～4ｈ，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 2021/8/68•⑶ 加速期:•反应重新加快，出现第二个放热峰，到达峰顶时本阶段即告结束(4～8h)•此时终凝已过，开始硬化2021/8/69•⑷ 减速期：•反应速率随时间下降的阶段，约持续12～24h，水化作用逐渐受扩散速率的控制 •⑸ 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 2021/8/610•二、硅酸二钙•β型硅酸二钙的水化过程和C3S极为相似，β-C2S的水化反应可采用下式表示:•2CaO·SiO2+mH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2•即: • C2S十mH=C-S-H+(2-x)CH2021/8/611•三、铝酸三钙•在常温下: •2C3A+27H=C4AH19+C2AH8• C4AH19在低于85%的相对湿度时，即失去6摩尔的结晶水而成为C4AH13。

C4AH19、C4AH13和C2AH8均为六方片状晶体，在常温下处于介稳状态，有向C3AH6等轴晶体转化的趋势 2021/8/612•在液相的氧化钙浓度达到饱和时，•C3A + CH +12H = C4AH13•在硅酸盐水泥浆体的碱性液相中最易发生；•处于碱性介质中的C4AH13在室温下能够稳定存在，其数量迅速增多，就足以阻碍粒子的相对移动，使浆体产生瞬时凝结•在水泥粉磨时通常都掺有石膏进行缓凝 2021/8/613•在石膏、氧化钙同时存在的条件下 ：•C4AH13+3C H2+14H= +CH•所形成的三硫型水化硫铝酸钙，又称钙矾石由于其中的铝可被铁置换而成为含铝、铁的三硫酸盐相，故常以AFt表示钙矾石不溶于碱溶液而在C3A表面沉淀形成致密的保护层，阻碍了水与C3A进一步反应，因此降低了水化速度，避免了急凝 2021/8/614•当C3A尚未完全水化而石膏已经耗尽时：•C3A水化所成的C4AH13又能与先前形成的钙矾石依下式反应，生成单硫型水化硫铝酸钙（AFm）• + 2C4AH13 =3 +2CH+20H2021/8/615•C3A的水化产物CaSO4·2H2O/C3A（摩尔比）水化产物3.0AFt1.0～3.0AFt + AFm1.0AFm<1.0单硫型固溶体0水石榴石 C3AH62021/8/616•四、铁相固溶体•铁铝酸钙的水化反应及其产物与C3A极为相似。

氧化铁基本上起着与氧化铝相同的作用，也就是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，或者水化铝酸钙和水化铁酸钙的固溶体2021/8/617•§6.2 硅酸盐水泥的水化 •一、水化过程2021/8/618•第三个峰：•水泥中硫酸盐含量一般不足以将全部C3A转化为AFt相，因而剩余的C3A与AFt相将转化为AFm即单硫酸盐相•第一个峰：AFt相的形成 •第二个峰：相当于C3S的水化 2021/8/619•二、影响水泥水化的因素•1. 水泥矿物组成和晶体结构•2. 水泥细度和水灰比•水泥粉磨得越细，比表面积就越大，与水接触的面积也越大，在其他条件相同的情况下，水化反应就会越快；水灰比在一定范围内变化时，适当增大水灰比，可以增大水化反应的接触面积，使水化速度加快•3. 温度•4.外加剂•促凝剂、早强剂、缓凝剂等2021/8/620•§6.3硬化水泥浆体•一、浆体结构的形成和发展•第一阶段：大约从水泥加水起到初凝为止•C3S和水迅速反应生成Ca(OH)2过饱和溶液，并析出Ca(OH)2晶体同时石膏也很快进入溶液与C3A和C4AF反应，生成细小的钙矾石晶体 •在这一阶段，由于生成的产物层阻碍了反应进一步进行，同时，水化产物尺寸细小，数量又少，不足以在颗粒间架桥连接形成网络状结构，水泥浆体仍呈塑性状态。

2021/8/621•第二阶段：大约从初凝到加水24h为止•水泥水化开始加速，生成较多的Ca(OH)2和钙矾石晶体，同时水泥颗粒上升开始长出纤维状的C-S-H由于钙矾石晶体的长大和C-S-H的大量形成、增长而相互交错连接成网状结构，水泥开始凝结，随网状结构不断加强，强度也相应增长，将剩留在颗粒之间空隙中的游离水逐渐分割成各种尺寸的水滴，填充在相应大小的孔隙之中 2021/8/622•第三阶段：加水24h以后，直到水化结束•这一阶段，石膏已基本耗尽，钙矾石开始转化为单硫型水化硫铝酸钙，还可能会形成 C4(A·F)H13随着水化的进行，各种水化产物的数量不断增加，晶体不断长大，使硬化的水泥浆体结构更加致密，强度逐渐提高 2021/8/623•二、硬化水泥浆体的结构 •硬化的水泥浆体是一个非均质的多相体系，是由各种水化产物和残存熟料所构成的固相、孔隙、存在于孔隙中的水及空气所组成即硬化水泥浆体是固、液、气三相共存的多孔体 2021/8/624•1. 水化产物的基本特征各种水化产物的相对含量为：C-S-H凝胶约70%，Ca(OH)2约20% ，钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙约7%，未完全水化的残留熟料和其他微量组分约3%。

2021/8/625•2. 孔结构 •⑴⑴ C-S-H中的层间空间中的层间空间 （又称凝胶孔）（又称凝胶孔）• C-S-H中的层间空间的宽度为1.8nm，在固体C-S-H中孔隙率占28％该尺寸太小不会对水化水泥浆体的强度和渗透性起不良影响•但水在这些小孔隙中为氢键所固定，在某些条件下会移去，可以造成干缩和徐变 2021/8/626•⑵⑵ 毛细孔毛细孔 •毛细孔代表未被水化水泥浆固体组分所填充的空间水化良好的低水灰比浆体中，毛细孔在10～50nm范围内；在高水灰比浆体中，水化早期毛细孔可大至3～5um•大于50nm的毛细孔已被假定为是危害强度和抗渗性的，而小于50nm的孔则对干缩和徐变有更大的重要性 2021/8/627•⑶⑶ 气孔气孔 •气孔一般呈圆形，而毛细孔则呈不规则形状•在水化水泥浆体中，陷进的气孔可大至3mm，对水泥石强度和抗渗性影响非常大；混凝土中常常掺入引气剂，其目的是在水泥浆体中引入非常细小的气孔，引入的气孔大致范围在50～200um，有利于抗渗性的改善2021/8/628•3. 水及其存在形式•结晶水：是各种水化产物结构的整体部分，在干燥时不会失去当水化产物受热分解时化学结合水才会放出。

•吸附水：细毛细管（5～50nm）中毛细张力所固定的水；固体表面物理吸附水；C-S-H层间为氢键所牢固固定的水等失去吸附水将引起水化水泥浆体的收缩•自由水：在>50nm数量级的大孔中的水，可视为自由水失去自由水不会造成任何体积改变 2021/8/629•作业：•1. 硅酸三钙的水化过程是如何进行的？•2. 硅酸盐水泥的水化产物有哪些？ 2021/8/6302021/8/6312021/8/632部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！。