硅酸鹽水泥的水化與硬化 水泥工藝學(xué).ppt

1、7 硅酸鹽水泥的水化與硬化,7.1 熟料礦物的水化 一、硅酸三鈣 1.C3S的水化反應(yīng) 3CaOSiO2+nH2O =x CaOSiO2yH2O+（3-x）Ca(OH)2 即: C3S+nH = C-S-H +（3-x)CH 式中 x表示鈣硅比（C/S） n表示結(jié)合水量, C-S-H（水化硅酸鈣） 特點(diǎn)： 凝膠（非晶體），水泥石強(qiáng)度主要提供物質(zhì) 組成不固定： CaO：0.1121.12g/l時， C-S-H（） (0.81.5)CaOSiO2(0.52.5)H2O CaO1.12g/l時， C-S-H（） (1.52.0)CaOSiO2(14)H2O, CH （氫氧化鈣） 特點(diǎn)： 較粗大晶體，

2、造成水泥石強(qiáng)度下降； 維持水泥石體系較高堿度，穩(wěn)定C-S-H； 可作為火山灰質(zhì)等混合材的堿性激發(fā)劑。,2.水化過程 誘導(dǎo)前期 急劇反應(yīng)，出現(xiàn)第一個放熱峰，時間很短，在15min以內(nèi)結(jié)束。, 誘導(dǎo)期: 反應(yīng)極其緩慢，又稱靜止期。一般持續(xù) 14，是硅酸鹽水泥漿體能在幾小時內(nèi)保持塑性的原因。 初凝時間基本上相當(dāng)于誘導(dǎo)期的結(jié)束。, 加速期: 反應(yīng)重新加快，出現(xiàn)第二個放熱峰，到達(dá)峰頂時本階段即告結(jié)束(48h)。 此時終凝已過，開始硬化。, 減速期： 反應(yīng)速率隨時間下降的階段，約持續(xù)1224h，水化作用逐漸受擴(kuò)散速率的控制。, 穩(wěn)定期： 反應(yīng)速率很低、基本穩(wěn)定的階段，水化作用完全受擴(kuò)散速率控制。,二、硅酸

3、二鈣 型硅酸二鈣的水化過程和C3S極為相似，-C2S的水化反應(yīng)可采用下式表示: 2CaOSiO2+mH2O=xCaOSiO2yH2O+(2-x)Ca(OH)2 即: C2S十mH=C-S-H+(2-x)CH 與硅酸三鈣水化相似，區(qū)別在于： 1、水化速率為硅酸三鈣的1/20； 2、水化形成的Ca(OH)2、C-S-H結(jié)晶困難，單獨(dú)水化速度極慢，但是在硅酸鹽水泥水化時受到硅酸三鈣影響而水化加快。,三、鋁酸三鈣 在常溫下: 2C3A+27H=C4AH19+C2AH8 C4AH19在低于85%的相對濕度時，即失去6摩爾的結(jié)晶水而成為C4AH13。C4AH19、C4AH13和C2AH8均為六方片狀晶體，

4、在常溫下處于介穩(wěn)狀態(tài)，有向C3AH6等軸晶體轉(zhuǎn)化的趨勢。,在液相的氧化鈣濃度達(dá)到飽和時， C3A + CH +12H = C4AH13 在硅酸鹽水泥漿體的堿性液相中最易發(fā)生； 處于堿性介質(zhì)中的C4AH13在室溫下能夠穩(wěn)定存在，其數(shù)量迅速增多，就足以阻礙粒子的相對移動，使?jié){體產(chǎn)生瞬時凝結(jié)。 在水泥粉磨時通常都摻有石膏進(jìn)行緩凝。,在石膏、氧化鈣同時存在的條件下 ： C4AH13+3C H2+14H= +CH 所形成的三硫型水化硫鋁酸鈣，又稱鈣礬石。由于其中的鋁可被鐵置換而成為含鋁、鐵的三硫酸鹽相，故常以AFt表示。鈣礬石不溶于堿溶液而在C3A表面沉淀形成致密的保護(hù)層，阻礙了水與C3A進(jìn)一步反應(yīng)，因

5、此降低了水化速度，避免了急凝。,當(dāng)C3A尚未完全水化而石膏已經(jīng)耗盡時： C3A水化所成的C4AH13又能與先前形成的鈣礬石依下式反應(yīng)，生成單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm） + 2C4AH13 =3 +2CH+20H,C3A的水化產(chǎn)物,四、鐵相固溶體 鐵鋁酸鈣的水化反應(yīng)及其產(chǎn)物與C3A極為相似。氧化鐵基本上起著與氧化鋁相同的作用，也就是在水化產(chǎn)物中鐵置換部分鋁，形成水化硫鋁酸鈣和水化硫鐵酸鈣的固溶體，或者水化鋁酸鈣和水化鐵酸鈣的固溶體。,7.2 硅酸鹽水泥的水化 一、水化過程,第三個峰： 水泥中硫酸鹽含量一般不足以將全部C3A轉(zhuǎn)化為AFt相，因而剩余的C3A與AFt相將轉(zhuǎn)化為AFm即單硫酸鹽相。,第

6、一個峰：AFt相的形成 第二個峰：相當(dāng)于C3S的水化,二、影響水泥水化的因素 1. 水泥礦物組成和晶體結(jié)構(gòu) 2. 水泥細(xì)度和水灰比 水泥粉磨得越細(xì)，比表面積就越大，與水接觸的面積也越大，在其他條件相同的情況下，水化反應(yīng)就會越快；水灰比在一定范圍內(nèi)變化時，適當(dāng)增大水灰比，可以增大水化反應(yīng)的接觸面積，使水化速度加快。 3. 溫度 4.外加劑 促凝劑、早強(qiáng)劑、緩凝劑等,7.3硬化水泥漿體 一、漿體結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展 第一階段：大約從水泥加水起到初凝為止。 C3S和水迅速反應(yīng)生成Ca(OH)2過飽和溶液，并析出Ca(OH)2晶體。同時石膏也很快進(jìn)入溶液與C3A和C4AF反應(yīng)，生成細(xì)小的鈣礬石晶體。 在這

7、一階段，由于生成的產(chǎn)物層阻礙了反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行，同時，水化產(chǎn)物尺寸細(xì)小，數(shù)量又少，不足以在顆粒間架橋連接形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，水泥漿體仍呈塑性狀態(tài)。,第二階段：大約從初凝到加水24h為止。 水泥水化開始加速，生成較多的Ca(OH)2和鈣礬石晶體，同時水泥顆粒上升開始長出纖維狀的C-S-H。由于鈣礬石晶體的長大和C-S-H的大量形成、增長而相互交錯連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，水泥開始凝結(jié)，隨網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不斷加強(qiáng)，強(qiáng)度也相應(yīng)增長，將剩留在顆粒之間空隙中的游離水逐漸分割成各種尺寸的水滴，填充在相應(yīng)大小的孔隙之中。,第三階段：加水24h以后，直到水化結(jié)束 這一階段，石膏已基本耗盡，鈣礬石開始轉(zhuǎn)化為單硫型水化硫鋁酸鈣，還可能會

8、形成 C4(AF)H13。隨著水化的進(jìn)行，各種水化產(chǎn)物的數(shù)量不斷增加，晶體不斷長大，使硬化的水泥漿體結(jié)構(gòu)更加致密，強(qiáng)度逐漸提高。,二、硬化水泥漿體的結(jié)構(gòu) 硬化的水泥漿體是一個非均質(zhì)的多相體系，是由各種水化產(chǎn)物和殘存熟料所構(gòu)成的固相、孔隙、存在于孔隙中的水及空氣所組成。即硬化水泥漿體是固、液、氣三相共存的多孔體 。,1. 水化產(chǎn)物的基本特征,各種水化產(chǎn)物的相對含量為：C-S-H凝膠約70%，Ca(OH)2約20% ，鈣礬石和單硫型水化硫鋁酸鈣約7%，未完全水化的殘留熟料和其他微量組分約3%。,2. 孔結(jié)構(gòu) C-S-H中的層間空間 （又稱凝膠孔） C-S-H中的層間空間的寬度為1.8nm，在固體C

9、-S-H中孔隙率占28。該尺寸太小不會對水化水泥漿體的強(qiáng)度和滲透性起不良影響。 但水在這些小孔隙中為氫鍵所固定，在某些條件下會移去，可以造成干縮和徐變。, 毛細(xì)孔 毛細(xì)孔代表未被水化水泥漿固體組分所填充的空間。水化良好的低水灰比漿體中，毛細(xì)孔在1050nm范圍內(nèi)；在高水灰比漿體中，水化早期毛細(xì)孔可大至35um。 大于50nm的毛細(xì)孔已被假定為是危害強(qiáng)度和抗?jié)B性的，而小于50nm的孔則對干縮和徐變有更大的重要性。, 氣孔 氣孔一般呈圓形，而毛細(xì)孔則呈不規(guī)則形狀。 在水化水泥漿體中，陷進(jìn)的氣孔可大至3mm，對水泥石強(qiáng)度和抗?jié)B性影響非常大；混凝土中常常摻入引氣劑，其目的是在水泥漿體中引入非常細(xì)小的氣孔，引入的氣孔大致范圍在50200um，有利于抗?jié)B性的改善。,3. 水及其存在形式 結(jié)晶水：是各種水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的整體部分，在干