硅酸鹽水泥水化及硬化

1、第第9章章 硅酸鹽水泥的水化與硬化硅酸鹽水泥的水化與硬化 9.1 熟料礦物水化熟料礦物水化9.1.1 硅酸三鈣的水化硅酸三鈣的水化1、水化產(chǎn)物：、水化產(chǎn)物：3CaOSiO2 nH2O CaOSiO2 yH2O (3-X) Ca (OH)2 簡寫為：簡寫為： C3S nH=C-S-H （3 - x)CH C-S-H 凝膠的組成與它所處的液相的凝膠的組成與它所處的液相的 Ca (OH)2 ：濃度有關(guān)：濃度有關(guān)(1)CaO 濃度小于濃度小于 1 一一 2mmo1/L (0. 06 一一 0. 112g /L ）時）時，生成氫氧化鈣和硅酸凝膠生成氫氧化鈣和硅酸凝膠(H2SiO4)(2)當(dāng)溶液的當(dāng)溶液的

2、 CaO 濃度為濃度為 2-20mmo1/L (0. 112-1-12 g/L) 時，時，生成生成 C/S 比為比為 0. 8 1.5 的水化硅酸鈣，其組成可用（的水化硅酸鈣，其組成可用（ 0. 8 1.5)CaO SiO2 (0.5-2.5)H2O 表示，表示，稱為稱為 C-S-H （ I ）(3)當(dāng)溶液中當(dāng)溶液中 CaO 濃度飽和（即濃度飽和（即 CaO 1. 12g /L) 時，生成時，生成堿度更高（堿度更高（ C/S 1. 52. 0 ）的水化硅酸鈣，一般可用）的水化硅酸鈣，一般可用 (1.5-2.0)CaO SiO2 (14)H2O表示，稱為表示，稱為 C-S-H (I I )C-S

3、-H ( I ）和）和 C-S-H （ II ）的尺寸都非常小，接近于膠體）的尺寸都非常小，接近于膠體范疇，在顯微鏡下，范疇，在顯微鏡下， C-S-H （ I ）為薄片狀結(jié)構(gòu)；而）為薄片狀結(jié)構(gòu)；而 C-S-H （ II）為纖維狀結(jié)構(gòu)，象一束棒狀或板狀晶體，它的末端有）為纖維狀結(jié)構(gòu)，象一束棒狀或板狀晶體，它的末端有典型的掃帚狀結(jié)構(gòu)。氫氧化鈣是一種具有固定組成的晶體。典型的掃帚狀結(jié)構(gòu)。氫氧化鈣是一種具有固定組成的晶體。 2、水化速率（1）初始水解期 ：加水后立即發(fā)生急劇反應(yīng)迅速放熱， Ca2+ 和 OH- 迅速從 C3S 粒子表面釋放，幾分鐘內(nèi) pH 值上升超過 12, 溶液具有強堿性，此階段約在

4、 15min 內(nèi)結(jié)束。 （2）誘導(dǎo)期 ：水解反應(yīng)很慢，又稱為靜止期或潛伏期，一般維持 2-4h ，是硅酸鹽水泥能在幾小時內(nèi)保持塑性的原因。 Ca2+ 和 OH- 濃度增加緩慢達(dá)到飽和，水泥初凝。C3S 、細(xì)度、水化溫度、外加劑等 （3）加速期 ： 48h 反應(yīng)重新加快，出現(xiàn)第二個放熱峰，終凝已過，開始早期硬化。 （4）衰減期： 1224h又稱減速期， CH 和 C-S-H 從溶液中結(jié)晶出來而在 C3S 表面形成包裹層，故水化作用受水通過產(chǎn)物層的擴散控制而變慢。（5） 穩(wěn)定期： 反應(yīng)速率很低、基本穩(wěn)定的階段，水化完全受擴散速率控制。9.1.2 硅酸二鈣硅酸二鈣 -C 2 S 的水化與 C3 S

5、相似，只不過水化速度慢而已。 2CaO SiO2 nH2O x2CaOSiO2yH2O ( 2-X ) Ca (OH)2 簡寫成 C2S+nHC-S-H+(2-X)CH 水化硅酸鈣在 C/S 和形貌方面與 C3S 水化生成的都無大區(qū)別，故也稱 C-S-H 凝膠。但 CH 生成量比 C3S 少，晶粒也比 C3S 的粗大些。 9.1.3 鋁酸三鈣鋁酸三鈣1、水化產(chǎn)物：、水化產(chǎn)物：2( 3CaO Al2O3 ) 27H2O 一一 4CaO Al2O3 19H2O 2CaO Al2O3 8H2O簡寫為簡寫為 2C3A +27H=C4AH19 + C2AH8 在低于在低于 85 的相對濕度下的相對濕度下

6、C4AH19C4AH13C4AH13與與C2AH8 常溫下為介穩(wěn)狀態(tài)常溫下為介穩(wěn)狀態(tài)C4AH13+C2AH8 C3AH6 9H T反應(yīng)加快反應(yīng)加快C3A+6H C3AH6 T 802水化速率：水化速率：實際上，實際上，C3S水化放出大量的的熱，溫度升高，C3A迅速水化迅速水化生成生成C3AH6，發(fā)生急凝快凝發(fā)生急凝快凝3CaO Al2O3 3 (CaSO4 2H2O ） 26H2O 3CaOAl2O33 CaSO4 32H2O (AFt鈣礬石）三方晶系柱狀結(jié)鈣礬石）三方晶系柱狀結(jié)構(gòu)構(gòu)不溶于堿溶液，在不溶于堿溶液，在C3A表面沉淀形成致密保護(hù)層，阻礙水與表面沉淀形成致密保護(hù)層，阻礙水與C3A接觸

7、，降低水化速度，緩凝。接觸，降低水化速度，緩凝。C3A多，石膏少時，多，石膏少時，C4AH13 + 3CaOAl2O33 CaSO4 32H2O3CaOAl2O33 CaSO4 12H2O（AFm單硫型水化硫鋁酸鈣）單硫型水化硫鋁酸鈣）3CaOAl2O33 CaSO4 12H2O+3CaO Al2O3+Ca (OH)2 +12H2O23CaO Al2O3(CaSO4Ca (OH)2 )12H2O9.1.4 鐵相固溶體鐵相固溶體1.水化產(chǎn)物：水化產(chǎn)物： 2C4AF +4CH+22H2C4(AF)H13 C4(AF)H13 C3(AF)H6 T 202C4AF + 7HC3(AF)H6 + CH

8、T 502C4AF + 2CH+6CSH2 +5OHC3(AF)3CSH32 C4(AF)H13+ C3(AF)3CSH32C3(AF)3CSH12 +2CH+20 H2.水化速率：慢、放熱低水化速率：慢、放熱低 Fe2O3越慢越慢9.2 硅酸鹽水泥水化硅酸鹽水泥水化9.2.1 水泥水化過程水泥水化過程硅酸鈣Ca2+ OH- 鋁酸鈣Ca2+ Al(OH)4-硫酸鈣Ca2+ SO42+堿的硫酸鹽K+ Na+ SO42+幾分鐘內(nèi)溶出，水泥水化是在含堿的幾分鐘內(nèi)溶出，水泥水化是在含堿的Ca(OH)2 CaSO4 飽和溶液中進(jìn)行飽和溶液中進(jìn)行鈣礬石形成期鈣礬石形成期C3S 開始迅速水化，大量放熱開始迅

9、速水化，大量放熱鈣礬石轉(zhuǎn)化成單硫型水化硫鋁（鐵）酸鈣鈣礬石轉(zhuǎn)化成單硫型水化硫鋁（鐵）酸鈣9.2 .2 水化速度水化速度C3A C4AF C3S C2S9.2 .3 影響水化速度因素影響水化速度因素1、礦物組成、晶體結(jié)構(gòu)、礦物組成、晶體結(jié)構(gòu)晶體缺陷越多、配位越不規(guī)則、空腔大水化快晶體缺陷越多、配位越不規(guī)則、空腔大水化快2、細(xì)度、水灰比、細(xì)度、水灰比細(xì)、比表面積大水化快，細(xì)、比表面積大水化快，W/C水化快水化快3、溫度、溫度T縮短誘導(dǎo)期，水化快縮短誘導(dǎo)期，水化快4、外加劑、外加劑9.3 水泥的凝結(jié)與硬化水泥的凝結(jié)與硬化1、凝結(jié)硬化過程、凝結(jié)硬化過程第一階段，加水到初凝第一階段，加水到初凝C3S 和

10、水迅速反應(yīng)生成和水迅速反應(yīng)生成 Ca (OH) 2：飽和溶：飽和溶液，并從中析出液，并從中析出 Ca (OH)2晶體。同時，石膏晶體。同時，石膏也很快進(jìn)入溶液和也很快進(jìn)入溶液和 C3A 反應(yīng)生成細(xì)小的鈣礬反應(yīng)生成細(xì)小的鈣礬石晶體。石晶體。在這一階段，由于水化產(chǎn)物尺寸細(xì)小，數(shù)量在這一階段，由于水化產(chǎn)物尺寸細(xì)小，數(shù)量又少，不足以在顆粒間架橋相聯(lián)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)又少，不足以在顆粒間架橋相聯(lián)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)未能形成，水泥漿呈塑性狀態(tài)未能形成，水泥漿呈塑性狀態(tài) 第二階段第二階段:初凝起初凝起 24h 水化加速，生成較多的水化加速，生成較多的 Ca (OH)2 和鈣礬石和鈣礬石晶體。同時水泥顆粒上長出纖維狀的晶體。同

11、時水泥顆粒上長出纖維狀的 C-S-H 。在這個階段中，由于鈣礬石晶體的長大以及在這個階段中，由于鈣礬石晶體的長大以及 C-S-H 的大量形成初步聯(lián)接成網(wǎng)，而使水泥的大量形成初步聯(lián)接成網(wǎng)，而使水泥漿凝結(jié)。漿凝結(jié)。產(chǎn)物不斷增多，產(chǎn)物不斷增多，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不斷加強，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不斷加強，強度相應(yīng)增大。原先剩留在顆粒間空間的非強度相應(yīng)增大。原先剩留在顆粒間空間的非結(jié)合水就逐漸被分割成各種尺寸的水滴，填結(jié)合水就逐漸被分割成各種尺寸的水滴，填充在相應(yīng)大小的孔隙之中。充在相應(yīng)大小的孔隙之中。 第三階段，第三階段， 24h 到水化結(jié)束到水化結(jié)束石膏已經(jīng)耗盡，所以鈣礬石開始轉(zhuǎn)化為單硫型水化石膏已經(jīng)耗盡，所以鈣礬石開始轉(zhuǎn)

12、化為單硫型水化硫鋁酸鈣，還可能會形成硫鋁酸鈣，還可能會形成 C4 (A,F)H13 隨著水化隨著水化的進(jìn)行的進(jìn)行 ,C-S-H,Ca(OH)2 ，C4 (A,F)H13 AFm 等水等水化產(chǎn)物的數(shù)量不斷增加，結(jié)構(gòu)更趨致密，強度相應(yīng)化產(chǎn)物的數(shù)量不斷增加，結(jié)構(gòu)更趨致密，強度相應(yīng)提高提高2.硬化漿體結(jié)構(gòu)硬化漿體結(jié)構(gòu) C-S-H,70% CH 20% AFt AFM 7% 未水化顆粒和未水化顆粒和其他組分，空隙其他組分，空隙3%A凝膠體（凝膠體（CSH凝膠，水化硅凝膠，水化硅酸鈣凝膠）；酸鈣凝膠）；B晶體（氫氧化鈣、晶體（氫氧化鈣、水化鋁酸鈣、水化水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣）；硫鋁酸鈣）；C孔隙（毛細(xì)孔、孔隙（毛細(xì)孔、凝膠孔、氣孔等）；凝膠孔、氣孔等）；D未水化的水泥顆未水化的水泥顆粒粒水泥石的結(jié)構(gòu)水泥石的結(jié)構(gòu)水泥石主要由凝膠體、水泥石主要由凝膠體、晶體、孔隙、水、空氣晶體、孔隙、水、空氣和未水化的水泥顆粒等和未水化的水泥顆粒等組成，存在固相、液相組成，存在固相、液相和氣相。因此硬化后的和氣相。因此硬化后的水泥石是一種多相孔體水泥石是一種多相孔體系。一種非均質(zhì)體。系。一種非均質(zhì)體。水泥石的結(jié)構(gòu)（水化產(chǎn)水泥石的結(jié)構(gòu)（水化產(chǎn)物的種類及相對含量、物的種類及相對含量、孔的結(jié)構(gòu)）對其性能影孔的結(jié)構(gòu)）對其性能影響最大。響最大。 （1）水化產(chǎn)物特征：）水化產(chǎn)物特征：P201 表表9.3（