水泥水化机理
水泥水化硬化机理-课件
影响因素: 影响因素: 1,熟料的矿物组成:28天内各矿物的水化速度 熟料的矿物组成: 熟料的矿物组成 28天内各矿物的水化速度 AF> 为C3A>C4AF>C3S>C2S或C3A> C3S > AF> 含量大,水化快; C4AF>C2S即: C3A含量大,水化快; C3S含 量大,水化慢. 量大,水化慢. 水灰比: 影响水泥浆的结构和孔隙率; 2,水灰比:1)影响水泥浆的结构和孔隙率;2) 影响水化速度. 影响水化速度. 水泥细度: 细度越细, 3,水泥细度:1)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, 越大,反应速度越快;2)磨细的过程中,使 晶格扭曲程度增大,晶格缺陷增加, 晶格扭曲程度增大,晶格缺陷增加,使水化 反应易于进行 养护温度:温度越高,速度越快. 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, 化速度的影响主要在早期,对后期影响不 .;温度低于 10℃水泥基本不发生水化 温度低于水泥基本不发生水化. 大.;温度低于-10℃水泥基本不发生水化. 外加剂:促凝剂,早强剂, 5,外加剂:促凝剂,早强剂,缓凝剂
第八章
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? 水泥加水以后为什么可以凝结硬化?
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
水泥+ 水泥+水(流体)-可塑性浆体(塑性体)-固体 流体)-可塑性浆体(塑性体)-固体 )-可塑性浆体 )-
水化速度 水化产物
综上所述,水泥的水化反应过程如下: 水泥的水化反应过程如下: 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 AFm 相及C-A-H晶体和C4(AF)晶体.
第二篇第二章第五节-水泥水化
• （3）当C3A尚未完全水化而石膏已经耗尽时，
C3A水化所成的C4AH13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）：
3CaO Al 2O3 3CaSO4 32H 2O 2(CaO Al 2O3 13H 2O) 3(3CaO Al 2O3 CaSO4 12H 2O) 2Ca(OH) 20H 2O
C3S水化过程
衰减期
稳定期
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• I 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。
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阶段C：相应于在C3A周围形成立方状C3AH6水化物，水化反应变慢。
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C3A在有石膏、Ca(OH)2存在的条件下水化
• （1）在液相的氧化钙浓度达到饱和时
3CaO Al 2O3 Ca(OH) 2 12H 2O 4CaO Al 2O3 13H 2O
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C3A在纯水中的水化过程分为3个阶段：（P54图2-2-5-7）
阶段A: 相应于C3A迅速溶解以及六方片状水化产物形成，第一放热峰 出现，水化反应速度下降；
阶段B：相应于C3AH6立方体的形成，使六方片状水化物层破坏，第 二放热峰出现，水化反应重新加速；
阶段IV：石膏消耗完毕，C3A与钙矾石继续反应生成单硫型铝酸钙(Afm)，出现第二 个放热高峰。
水泥水化
2CaO SiO 2 nH2O xCaO SiO 2 yH2O (2 x)Ca(OH)2
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C2S的水化反应过程及水化产物和C3S极为相似，也有诱导期、加速期等过 程。C—S—H的形态与C3S水化所生成的 C—S—H相比只有很小的差别，但生成的 Ca(OH)2晶体较大，而且数量少些。水化物的表面积变化基本上和C3S一样。但水 化反应速率要比 C3S慢得多。大部分的水化反应是在 28天以后进行，即使在几个 星期以后也只有在表面上覆盖一薄层无定形的C—S—H，乃至一年以后仍然还有 明显的水化。因此C2S的水化反应主要提供28天以后或更长龄期的强度。
16
上面重点介绍了第Ⅰ、Ⅱ阶段的反应情况，而在第Ⅲ阶段产物迅速生成并开 始发展成牢固的整体；在第Ⅳ阶段时，反应逐渐缓慢。在第Ⅴ阶段时反应更加缓 慢。在这些阶段，最初的产物，大部分生长在原始颗粒之间的空间内，也称为 “外部”产物，其 C/S 约为 1.6 。后期的生长则在原始颗粒界面内进行，又称为 “内部”产物，随着水化的进行，C3S界面和富硅层逐渐推向内部并由于外层纤 维状的C—S—H已经成为离子迁移的障碍，所以内部生成的C—S—H主要沉积在外 层C—S—H的里面。但由于空间限制和离子浓度的变化，“内部”产物在形态和 成分等方面与“外部”产物有所差异。通过用扫描透射电子显微镜观察经离子束 减薄的切片和用高压电子显微镜观察置于湿盒内的潮湿环境下的切片，吉尼斯 (Jennigs)等人认为：C—S—H的“早期产物”是薄箔，它可以剥落并皱折成针状 物，这个过程在整个第Ⅱ阶段中就缓慢进行；第Ⅲ、第Ⅳ阶段则会产生胶体状的 “中间产物”其后，根据可得到的空间不同，它将发展成纤维状或交织在一起的 薄箔层状结构。在第Ⅴ阶段，形成的是具有细粒外形或不规则、扁平又大小差不 多的粒子，构成“内部”产物。
化学外加剂对水泥水化历程的调控及作用机理
缓凝剂的作用机理
缓凝剂是一种能够延长水泥水 化反应时间的外加剂。
缓凝剂通过吸附在水泥颗粒表 面，降低其表面的活性和反应 速度，从而延长其水化反应时 间。
缓凝剂还能够破坏水泥水化产 物，降低其硬度，从而使得混 凝土更加容易加工和浇注。
减水剂的作用机理
01
减水剂是一种能够显著降低混 凝土拌合物用水量的外加剂。
实际应用
土木工程领域
在土木工程领域，化学外加剂可广泛应用于混凝土制备、路面修补、防水材料制备等方面。通过调节水泥水化过程，提高工 程质量，延长工程寿命。
水利工程领域
在水利工程领域，化学外加剂可应用于水工混凝土制备、水泥砂浆制备等方面。通过优化水泥水化过程，改善混凝土性能 ，提高水利工程的耐久性和稳定性。
水泥水化过程中的问题
延迟期
在某些情况下，水泥水化 反应可能会延迟，导致混 凝土不固化或固化速度慢 。
过度水化
如果水泥水化反应过度， 会导致混凝土内部出现微 裂纹，降低混凝土的耐久 性和强度。
不足水化
如果水泥水化反应不足， 会导致混凝土强度低、耐 磨性差等问题。
03
化学外加剂对水泥水化的 调控作用
早强剂还能够提高混凝土的早期强度 和硬度，缩短施工周期，提高施工效 率。
05
化学外加剂对水泥水化的 调控效果及影响因素
调控效果
加速水化
早强剂、减水剂等可以加速水 泥的水化反应，提高混凝土的
早期强度。
延迟水化
缓凝剂可以延迟水泥的水化反 应，延长混凝土的凝结时间。
改善力学性能
增强剂、耐磨剂等可以改善混 凝土的力学性能，提高混凝土
02
减水剂能够吸附在水泥颗粒表 面，降低其表面的活性和凝聚 趋势，使得混凝土更加容易流 动和均匀。
【精品】铝酸盐水泥的水化机理
铝酸盐水泥水化机理一，高铝水泥的组成高铝水泥，又称矾土水泥或铝酸盐水泥，是以铝酸钙为主的熟料经磨细制成的水硬性胶凝材料。
铝酸盐水泥以Al2O3、CaO和SiO2为主要成分，水泥的组成可能是C12A7、CA 和C2S、CA、C2S和CA、C2AS和CA2。
1，铝酸一钙（CA）CA是高铝水泥的主要矿物，它使高铝水泥的初始强度发展速率远比高C3S含量的硅酸盐水泥快。
其特点是凝结正常，硬化迅速，是高铝水泥强度的主要来源。
但AC含量过高时，强度发展主要集中在早期，后期强度增进率不显著。
2，二铝酸一钙（CA2）高铝水泥中CaO含量较低时，CA2较多。
其水化较慢，早期强度低，但后期强度不断增长。
如果CA2含量过高，将影响高铝水泥的快硬性能。
但随CA2增加，水泥的耐热性能提高。
质量优良的高铝水泥，其矿物组成一般以CA和CA2为主。
3，七铝酸十二钙（C12A7）C12A7晶体中铝和钙的配位极不规则，其结构中存在大量空腔，水极易进入。
因此，C12A7水化、凝结极快，但强度不及CA高。
当水泥中C12A7较多时，水泥出现快凝，甚至强度倒缩，耐热性下降。
4，钙铝黄长石（C2AS）C2AS也称吕方柱石，因为此晶格中离子配位对称性很高，故水化活性极低。
5，六铝酸一钙（CA6）CA6是低钙铝酸盐水泥中常见的一种矿物，为惰性矿物，无水硬性。
但CA6能提高水泥的耐热性。
高铝水泥熟料的主要化学成分为CaO、Al2O3、SiO2、Fe2O3，还有少量的MgO、TiO2等。
下列为各国生产高铝水泥成分组成。
二，高铝酸水泥中另外的成分及作用1，氧化铝氧化铝过低，熟料中易出现C12A7，使水泥快凝，强度下降；氧化铝过高，CA2过多，亦使水泥早期强度降低。
2，氧化钙氧化钙含量过高，熟料中易出现C12A7，使水泥快凝；氧化钙过低，大量形成CA2，使水泥早期强度降低。
3，二氧化硅适量二氧化硅（4%~5%）能促进生料更均匀地烧结，加速熟料形成。
但二氧化硅增加，C2AS含量相应增加，水泥的早期性能降低。
矿渣和粉煤灰水泥基材料的水化机理研究共3篇
矿渣和粉煤灰水泥基材料的水化机理研究共3篇矿渣和粉煤灰水泥基材料的水化机理研究1水泥基材料是建筑工程中常用的材料之一，矿渣和粉煤灰水泥基材料是近年来发展的一种新型水泥基材料。
矿渣和粉煤灰是工业副产品，将其掺入水泥基材料中，不仅能够降低生产的成本，还能够有效地利用工业副产品，减少对环境的污染，从而得到广泛的应用。
本文将探讨矿渣和粉煤灰水泥基材料的水化机理。
1. 矿渣水化机理水泥基材料的水化反应主要是硅酸盐水化反应。
矿渣中含有大量的二氧化硅和铝氧化物等成分，这些成分可以参与硅酸盐水化反应。
矿渣水化是一个较为复杂的过程，主要包括以下几个阶段：(1) CaO和MgO水化阶段：矿渣中含有大量的CaO和MgO等物质，当石灰石与热力煤渣反应时，产生的高温可以将石灰中的CaO和MgO分解出来，在水中溶解形成Ca(OH)2和Mg(OH)2等化合物。
这些化合物具有较强的碱性，可以中和其它酸性物质，从而起到保护作用。
(2) 活性硅酸盐水化阶段：当矿渣中的SiO2在水中溶解时，可以与Ca(OH)2等碱性物质反应形成C-S-H凝胶，C-S-H凝胶是水泥基材料的主要水化产物之一，可以起到胶凝和增强作用。
(3) 铝酸盐水化阶段：矿渣中含有大量的铝酸盐，当铝酸盐在水中溶解时，可以与Ca(OH)2等碱性物质反应，形成膨胀胶体，并将矿渣中的Ca(OH)2消耗殆尽，从而减缓水化反应速率，增加水化产物的稳定性。
2. 粉煤灰水化机理粉煤灰水泥基材料的水化机理与矿渣水泥基材料有些不同。
粉煤灰中含有大量的SiO2和Al2O3等物质，这些物质可以参与水化反应，并与水中的Ca(OH)2等碱性物质反应形成C-S-H凝胶和C-A-H凝胶等水化产物，从而起到增强作用。
粉煤灰水泥基材料的水化反应主要包括以下几个阶段：(1) CaO和MgO水化阶段：粉煤灰中含有大量的CaO和MgO等物质，这些物质可以与水中的Ca(OH)2等碱性物质反应，形成Ca(OH)2和Mg(OH)2等化合物，从而起到碱性作用。
几种水泥的水化机理及水泥泛碱机理及其抑制措施
三元体系 硅酸盐水泥+硫铝酸盐水泥+石膏 硅酸盐水泥+铝酸盐水泥+石膏
5. 复合胶凝材料体系
为什么要用复合胶凝材料体系？
在配制地坪材料产品时，一种胶凝材料不能满足产品的性能需求，需要综合2种或2种以上胶凝 材料的优点，才能达到使用要求。
2. 白色硫铝酸盐水泥
白色硫铝酸盐水泥的应用 ➢ 地坪材料：自流平砂浆、无机磨石地坪 （彩色地坪） ➢ 饰面砂浆：彩色砂浆、微水泥 ➢ 防水砂浆 ➢ 无机人造石 ➢ GRC ➢ GRG：掺少量（约1%），降低膨胀率。
➢ ……
3. 铝酸盐水泥
矿物组成
铝酸一钙（CA) （主要矿物） 二铝酸一钙（CA2) 硅酸二钙（C2S)，少量
1. 白色硅酸盐水泥
● 硅酸盐水泥各矿物的水化特点：
矿物名称
C3S
C2S
C3A
反应速率
快
慢
最快
28d水化热
多
少
最大
早期强度
高
低
低
后期强度
高
高
低
耐化学腐蚀
差
好
最差
2. 白色硫铝酸盐水泥
2. 白色硫铝酸盐水泥
矿物组成
硫铝酸盐水泥的主要矿物组成是无水硫铝酸钙（C4A3S)和硅酸二钙（C2S)。 银杉 白色硫铝酸盐水泥
2. 白色硫铝酸盐水泥
硫铝酸盐水泥主要水化产物 AFt，钙矾石，主要水化产物，体积膨胀120%，膨胀源，早强源 C-S-H凝胶，后期强度高，耐久性好（含量少） AFm，石膏不足时易产生，性能差于AFt CH，氢氧化钙，少量，尽量避免 AH3，铝胶
水泥水化反应
• 由图可知
• △T=Tm-Tf=Tp+Tr-Tf
• 由于稳定温度Tf值变化不大, 所 以要减少温差, 就必须采取措施 降低混凝土土入仓温度Tp和混 凝土的最大温升Tr。
电镜下的水泥水化产物图
采用发热量较低Q0的水泥和减少单位水泥 用量W , 是降低混凝土水化热温升的最有效 措施。
本讲结束！
• 3CaO.Al2O3+6H2O=3CaO.Al2O3.6H2O
• 石膏调节凝结时间的原理:
• 石膏与水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙 针状晶体（钙矾石）。该晶体难溶，包裹 在水泥熟料的表面上，形成保护膜，阻碍 水分进入水泥内部，使水化反应延缓下来， 从而避免了纯水泥熟料水化产生闪凝现象。 所以，石膏在水泥中起调节凝结时间的作 用。
➢ 铝酸三钙、硅酸三钙↓
—水化热↓——大坝水泥
➢
硅酸二钙↑
பைடு நூலகம்
➢ 铁铝酸四钙↑——抗折强度↑——道路水泥
• 三. 温度变化过程
• 水泥在凝结硬化过程中，会放出大量的 水化热。水泥在开始凝结时放热较快，以 后逐渐变慢，普通水泥最初3d放出的总热 量占总水化热的50%以上。水泥水化热与 龄期的关系曲线如图所示，图中Qo为水泥 的最终发热量(J/kg)，其中m为系数，它与 水泥品种及混凝土入仓温度有关。
（二）硅酸盐水泥熟料的矿物组成
生料
800℃左右 分解反应
CaO
SiO2 Al2O3
800～1450℃ 化合反应
Fe2O3
3CaO·SiO2 2CaO·SiO2 3 CaO ·Al2O3 4 CaO·Al2O3·Fe2O3
矿物名称 硅酸三钙 硅酸二钙 铝酸三钙 铁铝酸四钙
与水反应速度 快
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4.1水泥的水化机理
从化学角度来看,水泥的水化反应是一个复杂的溶解沉淀过程,在这一过程中,与单一成分的水化反应不同,各组分以不同的反应速度同时进行水化反应,而且不同的矿物组分彼此之间存在着互相影响。
水泥中最多的熟料矿物是硅酸盐化合物，是制约水泥水化性质及相关性能的关键组分。
水泥中的硅酸盐熟料矿物的主要成分为硅酸三钙和硅酸二钙。
（1）硅酸三钙（C3S）的水化
硅酸三钙是水泥熟料中的含量最多的组分，通常占材料总量的50%左右，有时高达60 %。
硅酸钙的水化产物的化学组成成分不稳定，常随着水相中钙离子的浓度、温度、使用的添加剂、养护程度而发生变化，而且形态不固定，通常称为“C-S-H”凝胶。
C3S在常温下发生水化反应，可大致用下列方程式表述：
硅酸三钙的水化速率很快，其水化过程根据水化放热速率随时间的变化，可以将C3S的水化过程划分为五个阶段，各阶段的化学过程和动力学行为如表1.1所示。
表1.1 C3S水化各阶段的化学过程和动力学行为时期早期中期后期
反应阶段诱导前期诱导期加速期减速期稳定期
化学过程初始水解，
离子进入溶
液
继续溶解，
早期C-S-H
稳定水化产
物开始生长
水化产物继
续生长，微
结构发展
微结构组件
密实
动力学行为反应很快反应慢反应快反应变慢反应很慢（2）硅酸二钙的水化
C2S也是水泥主要熟料矿物组分之一，水化过程与C3S相似，也有诱导期、加速期，但是水化速率特别慢。
C2S的水化反应可大致用下列方程表述：
（3）铝酸三钙的水化
C3A是水泥熟料矿物的重要组分之一,其水化产物的组成与结构受溶液中的氧化铝、氧化钙浓度的影响很大，它对水泥的早期水化和浆体的流变性能起着重要的作用。
纯水中C3A的水化：大量的研究结果表明，C3A遇水后能够立即在表面形成一种具有六边形特征的初始胶凝物质粒子，开始时其结晶度很差也很薄，呈不规则卷层物，随着水化时间的推移，这些卷层物生长成结晶度较好的，成分为C4AH19和C2AH8济的六边形板状物。
这种六边形水化物是亚稳的，并能转化成立方形稳定的晶体颗粒。
常温下C3A在纯水中的水化反应可用下式表示：
有石膏存在时C3A的水化：在水泥浆体中，熟料中的C3A实际上是在和有石膏存在的环境中水化的，C3A在Ca(OH)2饱和溶液中的水化反应可以表述为C3A+CH+12H=C3AH13。
当处于水泥浆体的碱性介质中时，C3AH13在室温下能稳定存在，其数量增长也很快，这是水泥浆体产生瞬时凝结的主要原因之一。
（4）铁铝酸四钙的水化
铁铝酸四钙的水化与铝酸三钙的水化过程相似，只是反应速率很慢，而且产物是含铁和铝的共同产物。