第七章-硅酸鹽水泥的水化與硬化.ppt

1、第七章硅酸鹽水泥的水化和硬化本章的主要內(nèi)容是：熟料礦物的水化；硅酸鹽水泥的水化速率硬化水泥漿體；補(bǔ)充：熟料礦物水合的原因；熟料礦物的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。熟料礦物結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的原因如下：(1)熟料燒成后迅速冷卻，使其保持亞穩(wěn)態(tài)的高溫晶體結(jié)構(gòu)；熟料中的礦物不是純C3S和C2S，而是有限的固溶體，如阿利特和貝利特。微量元素的摻雜在一定程度上影響晶格排列的規(guī)律性。熟料礦物中鈣離子與氧離子的配位是不規(guī)則的。水泥的水化、凝結(jié)和硬化，水化物質(zhì)從無(wú)水狀態(tài)變?yōu)樗疇顟B(tài)，從低水含量變?yōu)楦咚浚@統(tǒng)稱為水化。水泥與水混合在一起，在初始階段形成具有塑性的泥漿，然后逐漸增稠并失去塑性的過(guò)程稱為凝結(jié)。硬化后，泥漿的強(qiáng)度逐漸增加，變

2、成堅(jiān)硬的石頭狀固體(水泥石)。這個(gè)過(guò)程叫做硬化。7.1熟料礦物的水合作用1。C3S 1號(hào)的水合作用。常溫水合反應(yīng)3 Cao。二氧化硅NH2O=XCAO。二氧化硅。YH2O (3-x) Ca (OH) 2縮寫為：C3S nH=C-S-H (3-x)CH水合產(chǎn)物：水合硅酸鈣(又名C-S)，水合產(chǎn)物C-S-H的組成不確定，其CaO/SiO2比值與溶液中Ca (OH) 2的濃度有關(guān)：Cao 1mol/l，Ca(OH)2硅酸凝膠CaO1-2 m mol/l，C-S-H硅酸凝膠CaO2-20 m mol/l，C/S比值(0.8 C-S-H)(CaO)2.C3S水化過(guò)程：早期誘導(dǎo)期(時(shí)間：15分鐘)反應(yīng)：第

3、一個(gè)放熱峰劇烈，鈣離子濃度快速增加的漿態(tài)：流動(dòng)性(氫氧化鈣不飽和):誘導(dǎo)期也稱為靜止期(時(shí)間：24小時(shí))反應(yīng)：放熱極慢低谷：鈣離子濃度緩慢增加漿態(tài)：氫氧化鈣飽和：此處：流動(dòng)性，結(jié)束：流動(dòng)性損失，達(dá)到初凝：加速期(時(shí)間：48小時(shí))反應(yīng)：加速第二個(gè)放熱峰；漿液狀態(tài)：氫氧化鈣過(guò)飽和度最高：氫氧化鈣生成，空隙被填滿，中期：塑性喪失，達(dá)到終凝，后期：硬化開始：減速期(時(shí)間：1224小時(shí))反應(yīng)：隨時(shí)間增加而減少原因：在C 3 :中穩(wěn)定反應(yīng)：非常緩慢，基本穩(wěn)定(僅到水化結(jié)束)原因：產(chǎn)品層厚：水少，產(chǎn)品擴(kuò)散困難。誘導(dǎo)期的本質(zhì)保護(hù)膜理論、晶核形成延遲理論、晶格缺陷的類型和數(shù)量是決定誘導(dǎo)期長(zhǎng)度的主要因素。2.C2

4、S的水化過(guò)程與C3S相似，也有靜止期和加速期等。然而，水化速率很慢，約為C3S水化反應(yīng)的1/20:C2S氫C-S氫甲烷水化產(chǎn)物：C-S氫和氫氧化鈣。C3A水化：水化迅速，水化產(chǎn)物的組成和結(jié)構(gòu)受溶液中CaO和Al2O3離子濃度和溫度的影響很大。1.C3A常溫單獨(dú)水化：C3A 27H C4AH19 C2AH8，相對(duì)濕度85，C4AH 19 C4AH 136H C4AH 13 C2 ah 8 C3AH 69 H2 ot 35:C3A 6 H2 oc3 ah 6特點(diǎn)：水化速度快，水化熱高，反應(yīng)速度快，凝結(jié)快，流動(dòng)性損失快。2.當(dāng)C3A液相中氧化鈣濃度達(dá)到飽和時(shí)，C3A CH 12H C4AH13瞬間凝

5、固。原因是水泥顆粒表面形成大量的C4AH13，其數(shù)量增長(zhǎng)迅速，足以阻礙顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。3。在存在石膏和CaO的情況下，在存在C3AcH 12 Hc4ah 13 C4 ah 133 c SH214 c 3a 3c SH32 ch(三硫水合硫鋁酸鈣Aft，也稱為鈣礬石)的情況下，水合石膏(足量)當(dāng)C3A未完全水合且石膏耗盡時(shí)，2CH 13 c 3a 3c HSH 323 c 3a csh 12 ch 20h(單硫水合硫鋁酸鈣Afm)具有非常少量的石膏，并且所有Aft都轉(zhuǎn)化為Afm，C3A保持C3AcH 11第四，鐵相固溶體的水化比C3A水化慢，單獨(dú)水化并不迫切。1.當(dāng)沒(méi)有石膏時(shí)，在Ca(OH)2環(huán)

6、境下，水化溫度：c4af 4c H2 C4(AF)h13t 50:c4af 6h C3(a f)h62。c4af2ch6cs250h2c3 (af) 3csh323。當(dāng)石膏不足時(shí)，2 C4(af)H13 C3(af)3c sh 323 C3(af)csh 122 ch 20h，7.2硅酸鹽水泥的水化.水化反應(yīng)體系的特征水泥的水化基本上是在Ca(OH)2和石膏的飽和溶液或過(guò)飽和溶液中進(jìn)行的，并會(huì)出現(xiàn)k和Na等離子體。熟料首先在該溶液中分解、分散并懸浮在液相中，每種單體礦物被水合，水合產(chǎn)物相互結(jié)合，然后水合產(chǎn)物凝結(jié)并硬化，發(fā)揮強(qiáng)度。因此，水化過(guò)程實(shí)際上是熟料崩解和水化的水化產(chǎn)物，凝結(jié)水泥石。開始時(shí)

7、，分解和水合作用起主導(dǎo)作用，然后凝結(jié)起主導(dǎo)作用。水合反應(yīng)和水合產(chǎn)物1。水化反應(yīng)圖如下：綜上所述，水泥的水化反應(yīng)過(guò)程如下：水泥加水后，C3S、C3A、C4AF均快速水化，石膏快速溶解，形成氫氧化鈣和硫酸鈣的飽和溶液。水化產(chǎn)物首先出現(xiàn)六方片狀的氫氧化鈣、針狀的AFt相和無(wú)定形碳。然后，由于AFt相的不斷形成，SO4 (2-)不斷減少，形成了AFm相、C-A-H晶體和C4(AF)H13晶體。2。水化產(chǎn)物，常溫下主要的水化產(chǎn)物：常壓(100)蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的水化產(chǎn)物：水化硅酸鈣(Ca(OH)2)水化硫鋁酸鈣固溶體：水化鋁酸鈣及其固溶體：一般產(chǎn)物C4(AF)H13最終產(chǎn)物C3AH6-C3FH 6固溶體具

8、有小溶解度三硫針狀單硫六方片狀：最后，C-S-H(C4A)C4F不穩(wěn)定，易轉(zhuǎn)化為C3AH6，C3(AF)H6 AFt相，分解為Afm相和CaSO4。第三，水泥水化過(guò)程中鈣礬石的形成期：C3A水化的第一個(gè)放熱峰，C3S水化的第一個(gè)放熱峰，C3S水化的第二個(gè)放熱峰結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展期。3390.98999999999 7.3水化速率一、水化速率的表達(dá)方法水化速率的含義：水化速率影響水泥強(qiáng)度和穩(wěn)定性的發(fā)揮表達(dá)方法：水化速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的水化程度或水化深度水化程度：一定時(shí)間內(nèi)水泥的水化量與完全水化量之比，以百分比表示。水化深度：水泥顆粒的水化層厚度，單位為微米。測(cè)定方法：直接方法：定量測(cè)定水合和未水合部

9、分的數(shù)量。巖相分析、x光分析、熱分析等間接方法。結(jié)合水、水化熱或氫氧化鈣生成等的測(cè)定。水化深度h與水化度a的關(guān)系：2。28天前礦物水化速度：C3AC4AFC3SC2S 36個(gè)月：C3SC3A C4AF C2S；3.影響水合速度的因素1。熟料的礦物組成每種礦物在28天內(nèi)的水化速度為C3A C3S C4AFC2S或C3AC4AFC3SC2S。每種熟料礦物的水化活性主要與礦物的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。(與不規(guī)則配位和高配位引起的晶體結(jié)構(gòu)缺陷有關(guān))2。水泥細(xì)度：細(xì)度越細(xì)，反應(yīng)物的表面積越大，反應(yīng)速度越快；在研磨過(guò)程中，晶格畸變和晶格缺陷的程度增加，反應(yīng)活性高，容易發(fā)生水合反應(yīng)。隨著細(xì)度的增加，早期水化反應(yīng)和強(qiáng)度

10、有所提高，但對(duì)后期強(qiáng)度沒(méi)有太大的好處。水灰比在0.251.0之間對(duì)早期水化速率沒(méi)有明顯影響，但如果水灰比過(guò)小，后期水化反應(yīng)會(huì)延遲。為了達(dá)到充分水合的目的，混合水的量應(yīng)該是化學(xué)反應(yīng)所需量的大約一倍。水灰比應(yīng)大于0.4。影響水合速率；影響水泥漿的結(jié)構(gòu)和孔隙率；影響強(qiáng)度。4.固化溫度越高，固化速度越快。溫度對(duì)水化速率的影響主要在前期，后期影響不大。溫度低于-10的水泥幾乎不含水。外加劑：在施工過(guò)程中，“加入少量能調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間的物質(zhì)，大部分無(wú)機(jī)電解質(zhì)能促進(jìn)水泥水化，如氯化鈣；大多數(shù)有機(jī)添加劑能延緩水化，還有各種各樣的木質(zhì)素磺酸鈉緩凝劑：葡萄糖酸阻斷C-S-氫成核，木質(zhì)素磺酸鹽延緩鈣(OH)2結(jié)晶，早強(qiáng)

11、劑：三乙醇胺：催化C3S C2S:混凝土強(qiáng)度在28天內(nèi)高于40%，7.4硬化水泥漿一、凝結(jié)硬化過(guò)程和概念水泥凝結(jié)硬化：水泥漿與水泥和水混合首先具有流動(dòng)性和塑性。隨著連續(xù)的水化反應(yīng)，水泥漿逐漸失去流動(dòng)性，變成具有一定強(qiáng)度的固體，即水泥的凝結(jié)和硬化。凝結(jié)：泥漿失去流動(dòng)性和部分塑性，具有塑性強(qiáng)度硬化：完全失去塑性，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。水化是凝結(jié)硬化的前提，凝結(jié)硬化是水化的結(jié)果。總的來(lái)說(shuō)，凝結(jié)和硬化是同一過(guò)程中的不同階段。凝固表示漿料失去流動(dòng)性并具有一定的塑性強(qiáng)度，而硬化表示漿料在凝固后產(chǎn)生一定的機(jī)械強(qiáng)度。泥漿結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展(凝結(jié)硬化機(jī)理)補(bǔ)充：材料凝結(jié)的幾種形式1。物質(zhì)從過(guò)飽和溶液中結(jié)晶出來(lái)，形成

12、具有交織晶體的產(chǎn)品。例如，半水石膏漿液通過(guò)結(jié)晶獲得強(qiáng)度。2.形成半固態(tài)凝膠，如石灰漿硬化-通過(guò)凝結(jié)獲得強(qiáng)度、凝結(jié)機(jī)理和硬化過(guò)程(參見Pusi P74)。邁克爾埃利斯的膠體理論、溶解期、貝科夫理論、膠凝期、結(jié)晶期、洛克爾理論和洛克爾等人將凝固硬化過(guò)程中體系結(jié)構(gòu)的變化分為三個(gè)階段：第一階段：在初凝期，晶體太小而無(wú)法連接；第二階段：從初凝至24小時(shí)，水化開始加速并連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。隨著水化程度的增加，孔隙率明顯降低，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得更加致密和牢固。第三階段：水化結(jié)束24小時(shí)后，孔隙率持續(xù)降低，結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度增加。統(tǒng)一觀點(diǎn)：P190水泥的水化反應(yīng)開始受化學(xué)反應(yīng)控制，隨著水化產(chǎn)物層的增厚，擴(kuò)散速率成為決定性因

13、素。各種水化產(chǎn)物通過(guò)晶體的重疊和交叉爬升將水泥顆粒與水化產(chǎn)物連接起來(lái)，形成一個(gè)立體的固體組合和緊密的整體。硬化水泥漿體的組成和結(jié)構(gòu)硬化水泥漿體是一種非均質(zhì)的多相體系，由各種水化產(chǎn)物和殘余熟料組成的固相、孔隙中存在的水和空氣組成，是一種固-液-氣三相多孔體。它具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和孔隙率，其外觀和其他性能與天然石材相似，因此也被稱為水泥石。結(jié)晶度差的水泥石：凝膠c-s-h的組成：結(jié)晶度好的70% ca (oh) 2:結(jié)晶度好的20% Afm，7% AFT和水合鋁酸鈣等。未水化殘余熟料和其他微量成分：3%孔隙：未被外部水化產(chǎn)物填充的孔隙凝膠孔隙：凝膠微孔水：1000硬化水泥漿體主要水化產(chǎn)物的基本特征

14、和硬化水泥漿體的結(jié)構(gòu)：水泥漿體由水泥凝膠、吸附在凝膠孔隙中的凝膠水、鈣(OH)2等晶相、未水化水泥顆粒、毛細(xì)孔隙和毛細(xì)孔隙水組成。第三章?？紫兜慕Y(jié)構(gòu)特征。生孔：礦物完全水化：理論水灰比=0.2-0.6實(shí)際砂漿：水灰比=0.5(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn))，所以：理論加水量遠(yuǎn)大于實(shí)際加水量：多余的水在孔隙形成和影響后24小時(shí)變成固相體積孔隙2:70-80%的孔隙小于100納米，直徑大于100納米(大毛細(xì)孔)；強(qiáng)度降低；越多的凝膠孔小于100納米；強(qiáng)度越高；3.孔隙分類(見P199表8-9)；4.水及其存在形式可分為：結(jié)晶水：強(qiáng)結(jié)晶水：弱結(jié)晶水在羥基狀態(tài)：弱結(jié)晶水以游離水：游離水存在于粗糙的孔隙中，容易去除，應(yīng)盡可能減少。存在性：在100納米的孔隙中、可根據(jù)是否能蒸發(fā)分為蒸發(fā)水：可通過(guò)降低壓力和升高溫度(自由水、吸附水)來(lái)干燥，這是所有孔隙體積的量度。未蒸發(fā)的水：它不能或很難干燥，例如混合水(結(jié)晶水)，它可以用來(lái)測(cè)量水合產(chǎn)物中膠體顆粒的數(shù)量，也就是水合程度。從以上討論可以看出，硬化水泥漿由兩部分組