硅酸盐水泥的水化
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:
硅酸盐水泥的水化硬化概述
水化放热速率
Ca2＋浓度
诱导前期 (15分钟以
发生急剧反应，放热迅速， Ca2＋ 、OH-从C3S表面释放， 形成第一放热峰，而后放热 浓度急剧增大，pH值几分钟
内)
早 速率下降
就超过12，而后浓度增长减慢
诱导期 期 反应缓慢，放热速率很小， Ca2＋浓度持续增长并超过饱
(1～4小时)
水泥浆体保持塑性，诱导期 和浓度，在诱导期结束时达到
二、测定水化速率的方法
（1）直接法：岩相分析、x射线分析、热分析பைடு நூலகம்定量测定已水化 和未水化部分的数量。较为复杂。
（2）间接法：测定结合水、水化热、Ca(OH)2生成量。较为简单。
三、影响水化速率的因素 （1）熟料矿物的组成和性质
水化速率大小：C3A > C4AF > C3S > C2S B矿有四种不同晶型，对水化速率影响很大，β－C2S水化快，γ－C2S水化慢。 熟料矿物晶体中含有杂质、晶格缺陷、晶格畸变，水化速率快。 熟料矿物为固溶状态，如：F固溶在A矿，水化活性高，水化速率快。
活化粉煤灰用作水泥促凝剂的研究
——解决掺氟硫复合矿化剂水泥出现缓凝的问题
水泥主要是含氟A矿缓凝的原因
含氟A矿水化活性高，水化速率快，为何缓凝？ 水化产物C-S-H和Ca(OH)2形成速率快，但长大速率慢，不 足以相互搭接形成凝聚结构。 加速凝结的启示： 出窑熟料凝结时间长，加矿渣共同粉磨制成水泥后，凝结时 间缩短，为什么？ 矿渣具有潜在水硬性，本身含有部分熟料矿物组成，经水淬 时与水反应，生成了部分水化产物，它们作为“晶种”，加 速了水泥水化时生成的水化产物以它们为晶核而长大。
稳定期
后 反应速率很低，基本稳定， Ca2＋浓度趋近饱和浓度 期 完全受扩散控制
硅酸盐水泥水化反应化学式
硅酸盐水泥水化反应化学式
硅酸盐水泥的水化反应化学式可以用如下方式表示：
2Ca3SiO5 + 7H2O → 3CaO·2SiO2·4H2O + 3Ca(OH)2。
这个化学方程式描述了硅酸盐水泥中主要成分三钙二硅酸鈣
（C3S）在水的作用下发生水化反应的过程。
在这个过程中，水分子（H2O）与C3S发生反应，生成水化硅酸钙（C-S-H凝胶）和氢氧化
钙（Ca(OH)2）。
这个化学方程式反映了硅酸盐水泥水化的基本过程，但实际上
硅酸盐水泥中还含有其他成分，如二钙二硅酸鈣（C2S）和三钙三硅
酸镁（C3A），它们也会参与水化反应，生成相应的水化产物。
总的来说，硅酸盐水泥的水化反应是一个复杂的化学过程，涉
及多种成分和产物的生成，而上述化学式只是其中的一个简化表示。
硅酸盐水泥的水化和硬化
硬化：随后产生明显的强度，并逐渐发展而
成为坚硬的人造石。
一、熟料单矿物的水化
C3S的水化:
C3S在水泥熟料中的含量约占50%，有时高达60%，因此， 它的水化作用、水化产物及其形成的结构，对硬化水泥 浆体的性能有很重要的影响。 C3S的水化产物为C-S-H和Ca2(OH)
水化反应 C3S nH CxSHy (3 x)CH
CxSHy：水化硅酸钙，不同条件下，x、y不同。
完全水化时： 2C3S 6H2O C3S2H3 3CH
水化产物组成不固定，C/S在较大范围内变动。 当C/S在0.8-1.5变动时，生成的C-S-H凝胶称为（Ⅰ）型； 当C/S在1.5-2.0变动时，生成的C-S-H凝胶称为（Ⅱ）型。
（一）C－S－H凝胶 A、组成：不固定，随钙硅比和水硅比变化
B、结构：微晶，尺寸接近于胶体范畴
C、形貌（四种） 第一种：纤维状粒子
第二种：网络状粒子
第三种：等大粒子
第四种：内部产物
（二）氢氧化钙
具有固定的化学组成，纯度较高，结晶良好，属三方晶系
（三）钙矾石
结晶完好，属三方晶系。
其结构由Al(OH)6八面体再在 周围各结合三个钙多面体组 合而成，如右图所示。每一 个钙多面体上配以OH-及水 分子各四个。柱间的沟槽中 则有起电价平衡作用的 SO42-三个，从而将相邻的 单元柱相互联接成整体，另 外还有一个水分子存在。
（三）C3A的水化 水化速度非常快 水化特点：水化速度极快；对温度非常敏感，温度不同时水化 模式不同 ，具有多色性；不加石膏缓凝剂时，会产生急凝。
在常温下，其水化反应为：
2C3 A 27 H C4 AH19 C2 AH8
总结硅酸盐水泥熟料的主要矿物的水化反应及其水化物
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硅酸盐水泥的水化与硬化
硅酸盐水泥的水化与硬化硅酸盐水泥是一种常用的水泥材料，具有较好的水化和硬化性能，广泛应用于建筑和工程领域。
本文将对硅酸盐水泥的水化和硬化进行详细的介绍，包括水泥的成分、水化反应过程、硬化机理以及影响水化和硬化的因素等内容。
硅酸盐水泥是以矿渣、石灰石和黏土为原料，经过磨碎、燃烧和砂浆等工艺加工而成。
一般情况下，硅酸盐水泥的主要成分包括三种物质：硅酸盐矿物、石灰和无定形物质。
硅酸盐矿物是硅酸盐水泥的主要成分，其含有的SiO2和CaO可以发生水化反应，形成具有胶凝性的凝胶体。
石灰则是硅酸盐水泥中的辅助胶凝材料，其主要作用是加速水化反应的进行。
无定形物质是水泥中的杂质，一般情况下不参与水化和硬化过程。
水化反应是硅酸盐水泥的重要特性之一。
当硅酸盐水泥与水接触后，水分子与硅酸盐矿物中的CaO和SiO2发生反应，导致硅酸盐矿物发生水化并形成胶体物质。
水化反应的过程可以分为两个阶段：低水化率的溶解和高水化率的凝胶化。
在溶解阶段，水分子侵入硅酸盐矿物的晶体结构中，使其结构发生破坏并释放出Ca2+和OH-离子。
随着时间的推移，硅酸盐矿物的溶解率逐渐降低，凝胶化过程逐渐主导。
硬化是硅酸盐水泥水化反应的结果，也是水泥材料使用的关键性质。
在硬化过程中，水泥和水反应生成的胶凝体逐渐结晶并与无定形物质相结合，形成稳定的硬质凝胶，从而增强了水泥材料的强度和硬度。
硬化的机理主要涉及胶凝凝胶的形成、晶体生长和无定形物质的变化等过程。
胶凝凝胶的形成使水泥材料具有粘结性，晶体生长则使水泥材料具有硬度和强度。
无定形物质的变化则会影响水泥材料的性能，如开裂、收缩和腐蚀等。
水化和硬化过程受到各种因素的影响，包括水泥成分、水化温度、水化时间、水泥颗粒大小和水泥与水的质量比等因素。
水泥成分的不同会影响水化反应的速率和产物的特性。
水化温度越高，水化反应的速率越快，而水化时间越长，水泥材料的强度和硬度越高。
水泥颗粒的大小和分布会影响水泥的填充效果和反应程度，从而影响水化和硬化的速率和特性。
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
CATALOGUE
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
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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。
一般，水泥浆的孔隙率与其水灰比成正比，并随水化龄期推移而降低。
因此，降低水灰比，可提高水泥石强度，并且水泥石强度随水化龄期推移而增强
矿渣水泥与水拌和后，首先是熟料矿物与水作用，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙、氢氧化钙、水化硫铝酸钙等水化产物，这个过程以及水化产物的性质与纯硅酸盐水泥是相同的。
生成的Ca(OH)2则成为矿渣的碱性激发剂，它使矿渣玻璃体中的活性Si02和活性A1203进入溶液，并与之形成C-S-H凝胶、水化铝酸钙。
水泥中所含的石膏则为矿渣的硫酸盐激发剂，与矿渣作用生成水化硫铝(铁)酸钙，此外还可能生成水化铝硅酸钙(C2ASH8)等水化产物。
与硅酸盐水泥相比，矿渣水泥的水化产物碱度要低一些，水化产物中的Ca(OH)2含量相对较小，其硬化后主要组成是C-S-H凝胶和钙矾石，而且C-S-H凝胶结构比硅酸盐水泥石中的更为致密。