硅酸盐水泥的水化硬化及性能
简述硅酸盐水泥的水化过程及其水化后的主要产物
简述硅酸盐水泥的水化过程及其水化后的主要产物
硅酸盐水泥是一种重要的建筑材料，其水化过程是指在水的作用下，
硅酸盐水泥中的主要成分与水发生反应形成新的化合物的过程。
硅酸
盐水泥的主要成分是三氧化二铝和二氧化硅，加入适量石膏、熟石灰
等辅助材料后，在水的作用下发生复杂的化学反应。
硅酸盐水泥在与水接触时，首先发生快速反应，生成一些新型物质。
这个阶段称为初凝期。
初凝期内，硬化体积变化不大，但强度增长很快。
随着时间推移，在细胞结构中形成了一种立体网状结构，并且由
于反应放热而产生高温。
随着时间的推移，硬化体积逐渐增加，强度也逐渐增加。
这个阶段称
为混凝土晚期强度增长期。
在这个阶段内，硬化体积变化很小或者不变，但强度仍然在增长。
最终，在混凝土完全干燥时达到最终强度和稳定性。
硅酸盐水泥水化
后的主要产物是硅酸钙凝胶和水化硅酸钙。
硅酸钙凝胶是一种胶态物质，具有良好的粘结性能，可以将混凝土中的颗粒紧密地粘合在一起。
水化硅酸钙则是一种晶体物质，具有良好的抗压性能。
总之，硅酸盐水泥的水化过程非常重要，它决定了混凝土的强度和稳
定性。
在实际应用中，需要根据不同的工程要求和环境条件选择合适的硅酸盐水泥及其配方，并且控制好水化反应过程，以保证混凝土结构品质和使用寿命。
硅酸盐水泥主要水化产物
硅酸盐水泥主要水化产物水泥是一种广泛应用于建筑、工程和建材行业的材料，其中最常见的水泥类型之一是硅酸盐水泥。
硅酸盐水泥的主要水化产物是水化硅酸钙凝胶和水化硅酸钙胶石。
水化硅酸钙凝胶是硅酸盐水泥水化过程中最主要的产物之一。
当硅酸盐水泥与水反应时，发生水化反应，生成硬化的水化硅酸钙凝胶。
这种凝胶是硬化水泥石中的骨架材料，能够提供强度和稳定性。
水化硅酸钙凝胶具有胶状结构，能够填充水泥石中的空隙，并通过硬化过程中的晶体生长来增加水泥石的强度。
水化硅酸钙凝胶的形成是一个复杂的化学反应过程。
在水化反应中，硅酸盐水泥中的三种主要成分——硅酸钙(CaO·SiO2)、硅酸镁(CaO·MgO·2SiO2)和硅酸二钙(CaO·2SiO2)与水反应，形成水化硅酸钙凝胶。
这些成分中的硅酸钙是最主要的反应物，也是最主要的水化产物。
水化硅酸钙凝胶的形成过程可以分为几个阶段。
首先，在水化反应开始时，硅酸钙会与水中的钙离子结合，形成一种称为水合硅酸钙的化合物。
随着水化反应的进行，水合硅酸钙逐渐转变为水化硅酸钙凝胶。
这个过程是一个逐渐形成凝胶结构的过程，其中的水合硅酸钙分子会逐渐凝聚形成凝胶纤维，最终形成凝胶胶石。
水化硅酸钙凝胶的形成对于水泥石的强度和稳定性具有重要作用。
凝胶的形成可以填充水泥石中的空隙，使得水泥石更加致密，并且通过晶体生长的方式增加水泥石的强度。
此外，水化硅酸钙凝胶还能够与其他水化产物相互作用，形成复杂的胶石结构，提供水泥石的抗压强度和抗张强度。
除了水化硅酸钙凝胶，水化硅酸钙胶石也是硅酸盐水泥水化的主要产物之一。
水化硅酸钙胶石是一种凝胶状物质，由水化硅酸钙凝胶和水合硅酸钙等成分组成。
水化硅酸钙胶石具有胶状结构，能够填充水泥石中的空隙，增加水泥石的密实性和强度。
水化硅酸钙胶石的形成过程与水化硅酸钙凝胶类似，也是通过硅酸钙和水的反应形成。
在水化反应中，硅酸钙会与水中的钙离子结合，形成一种水合硅酸钙，随后逐渐转变为水化硅酸钙胶石。
硅酸盐水泥的特性及应用
贮存
• 各时间段水泥 二个月水泥 四个月水泥 六个月水泥
防止水泥受潮。水泥不慎受潮，可分情况处理。
a．有粉状，可用手捏成粉末，尚无硬块。可压碎 粉块，通过实验，按实际强度使用。 观看录像
b 部分水泥结成硬块。可筛去硬块，压碎粉块。 通过实验，按实际强度使用，可用于不重要的、受 力小的部位，也可用于砌筑砂浆。 观看录像
水泥质量的判定
技术性质
不符合要求
细度
不合格品
凝结时间
Hale Waihona Puke （初凝）废品（终凝）不合格品
体积安定性
废品
强度
不合格品或降低等级
不溶物和烧失量
不合格品
MgO含量和SO3含量
废品
问题 ？
• 降低水泥石中Ca(OH)2的含量，对水泥的耐腐蚀性有什么作 用？为什么？
答：降低水泥石中Ca(OH)2的含量，可以提高水泥的抵抗化 学腐蚀和软水腐蚀的能力。
建筑材料与检测
硅酸盐水泥的特性及应用
– 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。 – 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。 – 抗冻性好，适合水工混凝土和抗冻性要求高的工程。 – 耐腐蚀性差，因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量较多。 – 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
a．有粉状，可用手捏成粉末，尚无硬块。可压碎 粉块，通过实验，按实际强度使用。
b 部分水泥结成硬块。可筛去硬块，压碎粉块。 通过实验，按实际强度使用，可用于不重要的、受 力小的部位，也可用于砌筑砂浆。
c．大部分水泥结成硬块。粉碎、磨细，不能作 为水泥使用，但仍可作水泥混合材或混凝土掺合剂.
硅酸盐水泥的技术性质
腐蚀过程举例：
MgCl2+Ca(OH)2 = Mg(OH)2+CaCl2 MgSO4+ Ca(OH)2+H2O = Mg(OH)2+CaSO4· 2O 2H
易溶于水 结晶膨胀
碳酸盐腐蚀 四 水泥石的腐蚀和防止
• 特点
– 以碳酸盐为介质的海水、地下水等 – 碳酸盐不水泥石中的成分反应，生成易溶于 水的产物，破坏水泥石
①水泥的熟料矿物组成及细度 水泥熟料中各种矿物的凝结硬化特点丌同， 当水泥中个矿物的相对含量丌同时，水泥的凝结 硬化特点就丌同。 水泥磨得愈细，水泥颗粒平均粒径小，比表 面积大，水化时不水的接触面大，水化速度快， 凝结硬化快，早期强度就高。
影响水泥凝结硬化的因素
②水泥浆的水灰比 水泥浆的水灰比是指水泥浆中水不水泥的质量 之比。当水泥浆中加水较多时，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,且空隙多，降低水泥石的强度。
比表面积测定仪
（一）硅酸盐水泥的细度
定义
细度－－指水泥颗粒的粗细程度。
？
讨论与分析
水泥越细
优点：总表面积越大，与水发生水化反应的 速度越快，水泥石的早期强度越高。 缺点: 硬化收缩越大；易受潮而降低活性； 成本越高。
GB规定
硅酸盐水泥的比表面积应大于300m2/kg。 同时规定凡细度不符合规定者为不合格品。 返回
影响水泥凝结硬化的因素
⑤龄期 水泥浆随着时间的延长水化物增多，内部结构 就逐渐致密，一般来说，强度丌断增长。
三、硅酸盐水泥 的技术性质
细 度
凝 结 时 间
水泥水化和硬化
水泥水化和硬化水泥的凝结和硬化，确切的说应该是一个复杂的物理—化学过程，其根本原因在于构成水泥熟料的矿物成分本身的特性。
水泥熟料矿物遇水后会发生水解或水化反应而变成水化物，由这些水化物按照一定的方式靠多种引力相互搭接和联结形成水泥石的结构，导致产生强度。
普通硅酸盐水泥熟料主要是由硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（β-2CaO·SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3）和铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）四种矿物组成的，它们的相对含量大致为：硅酸三钙37～60％，硅酸二钙15～37％，铝酸三钙7～15％，铁铝酸四钙10～18％。
这四种矿物遇水后均能起水化反应，但由于它们本身矿物结构上的差异以及相应水化产物性质的不同，各矿物的水化速率和强度，也有很大的差异。
按水化速率可排列成：铝酸三钙＞铁铝酸四钙＞硅酸三钙＞硅酸二钙。
按最终强度可排列成：硅酸二钙＞硅酸三钙＞铁铝酸四钙＞铝酸三钙。
而水泥的凝结时间，早期强度主要取决于铝酸三钙和硅酸三钙。
现分别简述它们的水化反应。
基本简介1908年在法国发表了铝酸盐水泥的专利，并于1908年首先进行工业化生产。
经过几十年的发展，已形成包括膨胀水泥、自应力水泥和耐火水泥在内的铝酸盐水泥系列，该系列水泥的特征是其熟料矿物组成以CA为主，由此而赋予水泥具有早强耐火等特殊性能。
现在铝酸盐水泥主要用于耐高温浇注材料。
在建筑上由于发现其后期强度倒缩而不再使用。
二十世纪70年代，在中国发明了硫铝酸盐水泥。
80年代又首创了铁铝酸盐水泥的工业生产。
如果说，我们把硅酸盐水泥系列产品通称为第一系列水泥，把铝酸盐水泥系列产品通称第二系列水泥。
那么，我们可以把硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥以及它们派生的其它水泥品种通称为第三系列水泥。
该系列水泥的矿物组成特征是含有大量的C4A3 矿物。
以此与其它系列水泥相区别。
并构成了第三系列水泥的早强、高强、高抗渗、高抗冻、耐蚀、低碱和生产能耗低等基本特点。
硅酸盐水泥的特性介绍及应用(ppt 91页)
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水泥的应用
土木工程
海洋工程
能源电力 水利电力
房屋建筑、道路、桥梁、隧 道、机场。 港口、码头、水下建筑、石 油钻井平台。 石油钻井、热电站、核电站。 大坝、水电站、水工建筑。
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输 水 管
内
径 6.6 m
外
径 7.5 m
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如砌筑水泥、油井水泥、 道路水泥、大坝水泥等
如白色硅酸盐水泥、快凝 快硬硅酸盐水泥等
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第二节 硅酸盐水泥
一、硅酸盐水泥生产及其矿物组成 凡由硅酸盐水泥熟料，0～5％的石灰石或
粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶 凝材料，称为硅酸盐水泥(也称波特兰水泥)。
不掺混合材料的，称为Ⅰ型硅酸盐水泥， 代号P.Ⅰ；掺入不超过水泥质量5%的混合材料 的，称为Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P.Ⅱ。
氟铝酸盐水泥等
活性二氧化硅 活性氧化铝
石灰火山灰水泥、石膏矿渣水泥、 低热钢渣矿渣水泥等
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按性能和用途分 通用水泥
水泥
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专用水泥 特性水泥
硅酸盐水泥(P.I、P.II) 普通硅酸盐水泥(P.O) 矿渣硅酸盐水泥(P.S) 粉煤灰硅酸盐水泥(P.F) 火山灰质硅酸盐水泥(P.P) 复合硅酸盐水泥(P.C)
CaO·Fe2O3·H2O
与C3A的水化相似，主要水化产物为水化铝酸三 钙C3AH6晶体、水化铁酸一钙。
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水泥熟料的主要水化产物有：水化硅酸钙 和水化铁酸钙胶凝、氢氧化钙、水化铝酸 钙和水化硫铝酸钙晶体。在充分水化的水 泥石中，C-S-H约占70%，CH约占20%，钙 矾石和单硫型水化硫铝酸钙约占7%。
硅酸盐水泥在高温下力学性能的变化
硅酸盐水泥在高温下力学性能的变化硅酸盐水泥是一种重要的建筑材料，也用于高温环境下的耐火材料。
在高温下，硅酸盐水泥的结构和力学性能都会发生变化，这对于使用和设计有很大的影响。
硅酸盐水泥的结构和化学组成硅酸盐水泥是由水合硅酸盐矿物和无机胶凝材料组成的一种复合材料。
它的主要成分是硅酸盐矿物——硬化石膏和硅酸钙，以及胶凝材料——硅酸盐水泥熟料。
在硅酸盐水泥的制备过程中，硅酸钙和硬化石膏会发生化学反应生成钙硅石（C-S-H）胶凝材料。
这种材料能够在水中形成胶凝体系，并能引起钙化反应。
同时，硅酸盐水泥熟料中的矿物质也能对硅酸盐水泥的性能产生影响。
硅酸盐水泥在高温下的变化当硅酸盐水泥在高温下，它的结构和化学组成都会发生变化。
这对于硅酸盐水泥的力学性能有着直接的影响。
首先，在高温下，硅酸盐水泥的水化反应会受到影响。
水化反应需要特定的条件——适当的湿度、温度和时间。
在高温下，水的蒸发速度会加快，这会导致水化反应速率变慢，从而影响硅酸盐水泥的硬化时间和强度。
其次，高温会对硅酸盐水泥的矿物组成和结构造成影响。
硅酸盐水泥中的水化物质——C-S-H胶凝材料会发生分解和热解，从而导致硅酸盐水泥失去强度和稳定性。
硅酸盐水泥的力学性能变化硅酸盐水泥在高温下的力学性能也会发生变化。
硅酸盐水泥的高温强度通常比室温强度低，这是由于高温下的化学反应和水化反应导致了其微观结构的破坏。
另外，硅酸盐水泥的断裂韧度和弹性模量也会随着温度的升高而下降。
然而，虽然硅酸盐水泥在高温下的力学性能较室温下差一些，但这并不意味着它不能在高温环境下使用。
事实上，硅酸盐水泥在高温下的耐火性能很好，可以用于高温窑炉、耐火材料和保温隔热材料等领域。
影响硅酸盐水泥力学性能的因素除了温度外，硅酸盐水泥的力学性能还受到其他因素的影响。
首先是水化反应。
水化反应是硅酸盐水泥的强度来源，因此它的反应速率、反应完全度等都会对硅酸盐水泥的力学性能产生影响。
其次是硬化时刻。
硬化时刻是硅酸盐水泥从混合到受抗压强度达到规定值需要的时间。
低水灰比对硅酸盐水泥水化程度的影响
第29卷 第4期河北理工大学学报(自然科学版)Vol129 No14 2007年11月J ourna l of Hebe i Polytechn ic Un i ver sity(Na tur a l Science Edition)Nov.2007文章编号:1674-0262(2007)04-0117-04低水灰比对硅酸盐水泥水化程度的影响封孝信,孙晓华(河北理工大学材料学院,河北唐山063009)关键词:水化程度;低水灰比;水化产物;微观结构摘 要:研究了低水灰比硅酸盐水泥的水化程度,并利用XRD和SE M分析了硬化水泥浆体的微观结构。
结果表明在低水灰比条件下,水泥的水化程度较低,其硬化水泥浆体中存在较多的未水化水泥;同时由于自身的密实性增强和体系的低孔隙率,使水泥水化产物的结晶、生长情况也受到影响。
中图分类号:T Q172171 文献标识码:A 水泥浆体的孔隙率和力学性能之间的关系已久为人知,因此,在混凝土设计和配制时,降低水灰比已经成为主要技术措施,高性能混凝土的水灰比一般≤0138[1]。
而依据Powe rs和B r ownya r d提出的水泥水化理论[2],当水灰比小于0142时,水泥就不能完全水化。
在低水灰比条件下,水泥的水化环境与普通水灰比条件下不同,水化性能与微观结构都有其特殊性。
基于此,本文主要针对低水灰比(W/C≤0138)条件下水泥的水化程度进行研究,并对硬化水泥浆体的微观结构进行分析。
1 原材料与试验方法111 试验用原材料本实验用的水泥是自制硅酸盐水泥,水泥熟料和石膏混合(石膏掺量6%),在球磨机中粉磨31m in,其物理性能如表1所示。
表1 水泥的物理性能细度(%)比表面积(m2/kg)安定性凝结时间(min)抗压强度(M Pa)抗折强度(MPa)初 凝终 凝3天28天3天28天119347合格11515036176010518912112 试验方法采用水泥净浆分析水泥水化性能和浆体结构,成型3c m×3c m×5c m的低水灰比水泥净浆试体,在20℃、相对湿度大于90%的标准养护箱中养护24小时脱模后,置于(20±1)℃的不流动水中养护至相应龄期。
硅酸盐水泥的特性介绍及应用
水泥是建筑工业的三大基本材料之一，使用广、 用量大，素有“建筑工业的粮食”之称。
水泥的应用
土木工程
海洋工程
能源电力 水利电力
房屋建筑、道路、桥梁、隧 道、机场。 港口、码头、水下建筑、石 油钻井平台。 石油钻井、热电站、核电站。 大坝、水电站、水工建筑。
3CaO•Al2O3，C3A
4CaO•Al2O3•Fe2O3，C4AF
游离氧化钙和氧化镁
f－CaO和f－MgO
碱类及杂质
少量的游离氧化钙和氧化镁及少 量的碱(氧化钠和氧化钾)对水泥 的质量及应用带来不利影响
四种熟料矿物的水化特性各不相同，对水 泥的强度、凝结硬化速度及水化放热的影 响也不同。改变熟料矿物成分间的比例时， 水泥的性质即发生相应的变化。
生产 厂
甲
熟料矿物成分，% Ｃ3S C2S C3Ａ Ｃ4AF 56 17 12 15
乙 42 35
7
16
由甲厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥的强度发展 速度、水化热、２８d时的强度均高于由乙厂硅酸盐水 泥熟料配制的硅酸盐水泥．但耐腐蚀性则低于由乙厂 硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥。
二、硅酸盐水泥的水化与凝结硬化
水泥的分类
按主要水硬性物质分
水泥种类 硅酸盐水泥
铝酸盐水泥
硫铝酸盐水泥
铁Hale Waihona Puke 酸盐水泥氟铝酸盐水泥以火山灰或潜在水硬性 材料以及其他活性材料 为主要组分的水泥
主要水硬性物质
硅酸钙
铝酸钙
无水硫铝酸钙 硅酸二钙
铁相、无水硫铝 酸钙、硅酸二钙 氟铝酸钙、硅酸
二钙
主要品种
第九章硅酸盐水泥的性能
四、调凝外加剂
除石膏外， 除石膏外，许多无机盐或有机化合物也可以调节 缓凝剂和 凝结时间。通常分为缓凝剂 促凝剂(早强剂)两种。 凝结时间 。 通常分为 缓凝剂 和 促凝剂 (早强剂 )两种 。 缓凝剂：能延缓凝结时间， A 缓凝剂：能延缓凝结时间，并对后期强度发展无不 利影响的外加剂。 利影响的外加剂。 缓凝剂主要有四类： 缓凝剂主要有四类： 1. 糖类，如糖钙等； 2.木质素磺酸盐类，如木质素磺酸钙、木质素磺 酸钠等； 3.羟基羟酸及其盐类，如柠檬酸、酒石酸钾钠等； 4.无机盐类，如锌盐、硼酸盐、磷酸盐等。
适用范围： 适用范围： 促凝剂可以在常温、低温、负温（ 促凝剂可以在常温、低温、负温（不低 于－5℃）条件下加速混凝土的硬化过程， ℃ 条件下加速混凝土的硬化过程， 多用于冬季施工和抢修工程。 多用于冬季施工和抢修工程。 注意事项： 注意事项： 在实际生产中， 在实际生产中，使用调凝剂时应注意其 掺量及其对水泥性能的影响等问题 及其对水泥性能的影响等问题。 掺量及其对水泥性能的影响等问题。 在选择外加剂和其适宜的掺量时， 在选择外加剂和其适宜的掺量时，应根 据工程需要，现场的材料条件，参考有 据工程需要，现场的材料条件， 关资料，通过试验确定。 关资料，通过试验确定。
§9-2 强 度 一、强度的形成和发展
水化、凝结、硬化 强度是评判水泥质量最重要的指标。它是逐渐 增长的，与其水化养护龄期有关。
按所受压力不同分： 按所受压力不同分：
按龄期不同分： 按龄期不同分：
如1d 3d 7d强度
抗压强度 抗折强度
早期强度： 早期强度 指28d以前的强度 后期强度： 后期强度 指28d及以后的强度。
以C3S的水化反应为例： 2(3CaO·SiO2) + 密度(g/cm) 3.14 摩尔质量(g/mol) 228.23 摩尔体积(cm３／mol) 72.71 体系中所占体积（cm３）145.42