硅酸鹽水泥水化硬化及性能

1、第七節(jié)第七節(jié) 硅酸鹽水泥的水化硬化及性能硅酸鹽水泥的水化硬化及性能第六章第六章 水水 泥泥本節(jié)提要：本節(jié)提要：o 7.1 熟料礦物的水化熟料礦物的水化o 7.2 硅酸鹽水泥的水化硅酸鹽水泥的水化o 7.3 水泥石水泥石o 7.4 硅酸鹽水泥的性能硅酸鹽水泥的性能水化產(chǎn)物水化產(chǎn)物水化速率水化速率o 水化速率（水化速率（rate of hydration)是指單位時(shí)間內(nèi)水泥的水是指單位時(shí)間內(nèi)水泥的水化程度或水化深度?；潭然蛩疃取 水化程度是指一定時(shí)間內(nèi)已水化的水泥量與完全水化水化程度是指一定時(shí)間內(nèi)已水化的水泥量與完全水化量的比值，以百分率表示。量的比值，以百分率表示。o 水化深度是指水泥顆

2、粒外表面水化層的厚度，一般以水化深度是指水泥顆粒外表面水化層的厚度，一般以微米表示。微米表示。硅酸鹽水泥的水化和硬化硅酸鹽水泥的水化和硬化 水泥用適量的水拌和后，形成能水泥用適量的水拌和后，形成能粘結(jié)粘結(jié)砂石集料砂石集料的的可塑性可塑性泥漿，隨后逐漸失去塑性而凝結(jié)硬化為具泥漿，隨后逐漸失去塑性而凝結(jié)硬化為具有有一定強(qiáng)度一定強(qiáng)度的石狀體。同時(shí)，伴有的石狀體。同時(shí)，伴有水化放熱、體積水化放熱、體積膨脹和強(qiáng)度增加膨脹和強(qiáng)度增加。本節(jié)導(dǎo)入：本節(jié)導(dǎo)入：硅酸鹽水泥的性能硅酸鹽水泥的性能 凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度、水化熱、泌水性、耐久性等。凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度、水化熱、泌水性、耐久性等。 7.1 熟料礦物的水化熟料礦物的水

3、化 7.1.1 硅酸三鈣的水化硅酸三鈣的水化 常溫下水化反應(yīng)式常溫下水化反應(yīng)式: 3CaOSiO2+nH2O=xCaOSiO2yH2O+(3-x)Ca(OH)2 簡(jiǎn)寫為：簡(jiǎn)寫為：C3S+nH=C-S-H+(3-x)CH式中式中 x-表示鈣硅比（表示鈣硅比（C/S），n-表示結(jié)合水量表示結(jié)合水量； C-S-H為水化硅酸鈣為水化硅酸鈣凝膠凝膠，CH為氫氧化鈣為氫氧化鈣晶體晶體。水化時(shí)的水化時(shí)的C/S和和H/S摩爾比在較大范圍內(nèi)變化摩爾比在較大范圍內(nèi)變化。C-S-H凝膠凝膠其組成與它所處的液相其組成與它所處的液相Ca(OH)2濃度有關(guān)濃度有關(guān)。v當(dāng)溶液的當(dāng)溶液的CaO濃度小于濃度小于1mmol/L時(shí)

4、，時(shí)， 生成氫氧化鈣和硅酸凝膠；生成氫氧化鈣和硅酸凝膠；v當(dāng)溶液的當(dāng)溶液的CaO濃度為濃度為12mmol/L時(shí)，時(shí)， 生成水化硅酸鈣和硅酸凝膠；生成水化硅酸鈣和硅酸凝膠；v當(dāng)溶液的當(dāng)溶液的CaO濃度為濃度為220mmol/L時(shí)，時(shí)， 生成生成C/S為為0.81.5的水化硅酸鈣，組成的水化硅酸鈣，組成（0.81.5)CaOSiO2（0.52.5)H2O ，稱，稱C-S-H（）。）。v當(dāng)溶液的當(dāng)溶液的CaO濃度大于濃度大于20mmol/L時(shí)，時(shí)， 生成生成髙髙堿度堿度C/S為為1.5 2.0的水化硅酸鈣，的水化硅酸鈣， （1.52.0)CaOSiO2（14)H2O ，稱，稱C-S-H（）。）。 7

5、.1 熟料礦物的水化熟料礦物的水化 7.1.1 硅酸三鈣的水化硅酸三鈣的水化薄片狀薄片狀纖維狀纖維狀硅酸三鈣水化放熱速率時(shí)間曲線為五個(gè)階段：硅酸三鈣水化放熱速率時(shí)間曲線為五個(gè)階段：誘導(dǎo)前期（初始水解期）；誘導(dǎo)前期（初始水解期）；誘導(dǎo)期（靜止期或潛伏期）；誘導(dǎo)期（靜止期或潛伏期）；加速期；加速期；衰減期；衰減期；穩(wěn)定期。穩(wěn)定期。 7.1 熟料礦物的水化熟料礦物的水化 7.1.1 硅酸三鈣的水化硅酸三鈣的水化C3S水化放熱速率和Ca2+濃度變化曲線誘導(dǎo)前期：誘導(dǎo)前期：初始水解，離子進(jìn)入溶液初始水解，離子進(jìn)入溶液誘導(dǎo)期：誘導(dǎo)期：繼續(xù)溶解，早期繼續(xù)溶解，早期C-S-H形成形成加速期：加速期：水化產(chǎn)物形

6、成與生長(zhǎng)水化產(chǎn)物形成與生長(zhǎng)衰減期：衰減期：水化產(chǎn)物繼續(xù)生長(zhǎng)，微結(jié)構(gòu)發(fā)展水化產(chǎn)物繼續(xù)生長(zhǎng)，微結(jié)構(gòu)發(fā)展穩(wěn)定期：穩(wěn)定期：微結(jié)構(gòu)逐漸密實(shí)微結(jié)構(gòu)逐漸密實(shí) 7.1 熟料礦物的水化熟料礦物的水化 7.1.1 硅酸三鈣的水化硅酸三鈣的水化 C2S的水化與的水化與C3S相似，但水化相似，但水化速度慢速度慢。 常溫下水化反應(yīng)式常溫下水化反應(yīng)式: 2CaOSiO2+mH2O=xCaOSiO2yH2O+(2-x)Ca(OH2) 簡(jiǎn)寫為：簡(jiǎn)寫為：C2S+mH=C-S-H+(2-x)CH 形成的水化硅酸鈣在形成的水化硅酸鈣在C/S和形貌與和形貌與C3S水化產(chǎn)物都無(wú)大的區(qū)別。水化產(chǎn)物都無(wú)大的區(qū)別。 7.1 熟料礦物的水化熟

7、料礦物的水化 7.1.2 硅酸二鈣的水化硅酸二鈣的水化 鋁酸三鈣的水化鋁酸三鈣的水化迅速，放熱快迅速，放熱快。常溫下水化反應(yīng)式常溫下水化反應(yīng)式:2(3CaOAl2O3)+27H2O=4CaOAl2O319H2O+2CaOAl2O38H2O 簡(jiǎn)寫為：簡(jiǎn)寫為：2C3A+27H=C4AH19+C2AH8C4AH19在低于在低于85相對(duì)濕度下會(huì)失去相對(duì)濕度下會(huì)失去6個(gè)結(jié)晶水成個(gè)結(jié)晶水成C4AH13。 C4AH13和和 C2AH8皆為皆為六方片狀晶體六方片狀晶體，常溫下處于介穩(wěn)狀態(tài)，有向，常溫下處于介穩(wěn)狀態(tài)，有向C3AH6等軸晶體轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，即：等軸晶體轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，即：C4AH13+C2AH8=2C3A

8、H6+9H 上述反應(yīng)隨溫度升高而加速，而上述反應(yīng)隨溫度升高而加速，而C3A本身的水化熱很高，所以極易本身的水化熱很高，所以極易按上式轉(zhuǎn)化。按上式轉(zhuǎn)化。 7.1 熟料礦物的水化熟料礦物的水化 7.1.3 鋁酸三鈣的水化鋁酸三鈣的水化 在液相在液相CaO濃度達(dá)到飽和時(shí)，濃度達(dá)到飽和時(shí)，C3A還可能依下式水化：還可能依下式水化： 3CaOAl2O3+Ca(OH)2+12H2O=4CaOAl2O313H2O 即即 C3A+CH+12H=C4AH13 產(chǎn)生的產(chǎn)生的C4AH13足以阻礙顆粒的相對(duì)移動(dòng)，一般認(rèn)為這是足以阻礙顆粒的相對(duì)移動(dòng)，一般認(rèn)為這是使?jié){體產(chǎn)生使?jié){體產(chǎn)生瞬時(shí)凝結(jié)瞬時(shí)凝結(jié)的一個(gè)主要原因。的一個(gè)

9、主要原因。 7.1 熟料礦物的水化熟料礦物的水化 7.1.3 鋁酸三鈣的水化鋁酸三鈣的水化 7.1 熟料礦物的水化熟料礦物的水化 7.1.3 鋁酸三鈣的水化鋁酸三鈣的水化C3A的水化產(chǎn)物的水化產(chǎn)物在有石膏的情況下，在有石膏的情況下，C3A水化的最初基本反應(yīng)是：水化的最初基本反應(yīng)是：3CaOAl2O3+3(CaSO42H2O)+26H2O=3CaOAl2O33CaSO432H2O 即即 C3A+3C H2+26H=C3A3C H32SC3A3C H32SS-鈣礬石鈣礬石(ettringite)。由于其中的鋁可被鐵置換而成為含鋁。由于其中的鋁可被鐵置換而成為含鋁、鐵的三硫型水化硫鋁酸鈣相。故常用、

10、鐵的三硫型水化硫鋁酸鈣相。故常用AFt表示。表示。 7.1 熟料礦物的水化熟料礦物的水化 7.1.3 鋁酸三鈣的水化鋁酸三鈣的水化若石膏在鋁酸三鈣完全水化前耗盡，則鈣礬石與鋁酸三鈣作用轉(zhuǎn)化為若石膏在鋁酸三鈣完全水化前耗盡，則鈣礬石與鋁酸三鈣作用轉(zhuǎn)化為單硫型水化硫鋁酸鈣（單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm)。 C3A3CSH32+2C3A+4H=3(C3ACSH12)若石膏摻量極少，在所有礬鈣石轉(zhuǎn)變成單硫型水化硫鋁酸鈣后，還有若石膏摻量極少，在所有礬鈣石轉(zhuǎn)變成單硫型水化硫鋁酸鈣后，還有硅酸三鈣，那就形成硅酸三鈣，那就形成C3ACSH12和和C4AH13的固溶體。的固溶體。 7.1 熟料礦物的水化熟料礦物

11、的水化 7.1.3 鋁酸三鈣的水化鋁酸三鈣的水化鐵相固溶體的水化，以鐵相固溶體的水化，以C4AF為代表，也可用為代表，也可用Fss表示。表示。水化較水化較C3A略慢，水化熱較少，單獨(dú)水化時(shí)不會(huì)引起快凝。略慢，水化熱較少，單獨(dú)水化時(shí)不會(huì)引起快凝。水化過(guò)程與水化過(guò)程與C3A相似：相似： C4AF4CH+22H=2C4(A,F)H13在在20以上，六方片狀以上，六方片狀C4(A,F)H13要轉(zhuǎn)變成要轉(zhuǎn)變成C3(A,F)H6。當(dāng)溫度高于當(dāng)溫度高于50時(shí)，時(shí)，C4AF直接水化成直接水化成C3(A,F)H6。摻有石膏時(shí)水化反應(yīng)與摻有石膏時(shí)水化反應(yīng)與C3A大致相同。當(dāng)石膏充分時(shí)，形成鐵置大致相同。當(dāng)石膏充分

12、時(shí)，形成鐵置換過(guò)的礬鈣石固溶體換過(guò)的礬鈣石固溶體C3(A,F)3CSH32。而石膏不足時(shí)，則形成單。而石膏不足時(shí)，則形成單硫型固溶體。同樣有兩種晶型轉(zhuǎn)化過(guò)程，在石灰飽和溶液中，石硫型固溶體。同樣有兩種晶型轉(zhuǎn)化過(guò)程，在石灰飽和溶液中，石膏使放熱緩慢。膏使放熱緩慢。7.1 熟料礦物的水化熟料礦物的水化7.1.4 鐵相固溶體的水化鐵相固溶體的水化 硅酸鹽水泥由多種熟料礦物和石膏組成，加水后石硅酸鹽水泥由多種熟料礦物和石膏組成，加水后石膏要溶解于水，水泥粒子立即與水反應(yīng)發(fā)生溶解，使純膏要溶解于水，水泥粒子立即與水反應(yīng)發(fā)生溶解，使純水立即變?yōu)楹卸喾N離子的溶液。水立即變?yōu)楹卸喾N離子的溶液。 水泥的主要

13、水化產(chǎn)物是氫氧化鈣水泥的主要水化產(chǎn)物是氫氧化鈣(20%)、C-S-H凝膠凝膠(50%)、水化硫鋁酸鈣、水化硫鋁（鐵）酸鈣、水化鋁酸、水化硫鋁酸鈣、水化硫鋁（鐵）酸鈣、水化鋁酸鈣及水化鐵酸鈣等。鈣及水化鐵酸鈣等。 水泥水化過(guò)程簡(jiǎn)單分為三個(gè)階段：鈣礬石形成期、水泥水化過(guò)程簡(jiǎn)單分為三個(gè)階段：鈣礬石形成期、 C3S水水化期和結(jié)構(gòu)形成和發(fā)展期。化期和結(jié)構(gòu)形成和發(fā)展期。7.2 硅酸鹽水泥的水化硅酸鹽水泥的水化7.2 硅酸鹽水泥的水化硅酸鹽水泥的水化水化產(chǎn)物的基本特征水化產(chǎn)物的基本特征 7.2 硅酸鹽水泥的水化硅酸鹽水泥的水化7.2.1 硅酸鹽水泥的水化過(guò)程硅酸鹽水泥的水化過(guò)程鈣礬石形成期鈣礬石形成期 C3

14、S水化期水化期結(jié)構(gòu)形成和發(fā)展期結(jié)構(gòu)形成和發(fā)展期 （1）熟料的礦物組成）熟料的礦物組成 四種礦物的水化速率順序?yàn)椋核姆N礦物的水化速率順序?yàn)椋篊3AC3SC4AFC2S （2）水灰比）水灰比 水灰比大則水泥顆粒能高度分散，水與水泥接觸面大，因此水化率水灰比大則水泥顆粒能高度分散，水與水泥接觸面大，因此水化率快。但水灰比快。但水灰比大大，占空間大，水泥凝，占空間大，水泥凝結(jié)慢，強(qiáng)度低結(jié)慢，強(qiáng)度低。 （3）細(xì)度）細(xì)度 水泥越細(xì)，與水接觸面大水化快。細(xì)度細(xì)，晶格缺陷多利于水化。水泥越細(xì)，與水接觸面大水化快。細(xì)度細(xì)，晶格缺陷多利于水化。過(guò)細(xì)，早期強(qiáng)度提高，對(duì)后期強(qiáng)度沒(méi)益處。認(rèn)為粒徑小于過(guò)細(xì)，早期強(qiáng)度提高，

15、對(duì)后期強(qiáng)度沒(méi)益處。認(rèn)為粒徑小于40m，水，水化活性較高，化活性較高，技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理。 7.2 硅酸鹽水泥的水化硅酸鹽水泥的水化7.2.2 影響水化的因素影響水化的因素（5）外加劑）外加劑 常用外加劑常用外加劑(admixture)有促凝劑、促硬劑、延緩劑等。有促凝劑、促硬劑、延緩劑等。 絕大多數(shù)絕大多數(shù)無(wú)機(jī)無(wú)機(jī)電解質(zhì)都有促進(jìn)水泥水化的作用。如電解質(zhì)都有促進(jìn)水泥水化的作用。如CaCl2增加增加Ca2+濃度，加快氫氧化鈣結(jié)晶，縮短誘導(dǎo)期。濃度，加快氫氧化鈣結(jié)晶，縮短誘導(dǎo)期。大多數(shù)大多數(shù)有機(jī)有機(jī)外加劑對(duì)水化有延緩作用，最常使用的是各外加劑對(duì)水化有延緩作用，最常使用的是各種木質(zhì)素磺酸鹽。種木

16、質(zhì)素磺酸鹽。（4）養(yǎng)護(hù)溫度）養(yǎng)護(hù)溫度 水泥水化反應(yīng)也遵循一般的化學(xué)反應(yīng)規(guī)律，溫度提高，水化加快，特水泥水化反應(yīng)也遵循一般的化學(xué)反應(yīng)規(guī)律，溫度提高，水化加快，特別對(duì)水泥早期水化速率影響更大，但水化程度的差別到后期逐漸減小。別對(duì)水泥早期水化速率影響更大，但水化程度的差別到后期逐漸減小。7.2 硅酸鹽水泥的水化硅酸鹽水泥的水化7.2.2 影響水化的因素影響水化的因素 硬化水泥漿體是一個(gè)硬化水泥漿體是一個(gè)非均質(zhì)的多相體系非均質(zhì)的多相體系，由各種水化，由各種水化產(chǎn)物和殘存熟料所構(gòu)成的固體，以及存在于孔隙中的水和產(chǎn)物和殘存熟料所構(gòu)成的固體，以及存在于孔隙中的水和空氣所組成，是空氣所組成，是固液氣固液氣三相

17、多孔體。它具有一定的機(jī)三相多孔體。它具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和孔隙率，外觀和其它性能與天然石材相似，所以械強(qiáng)度和孔隙率，外觀和其它性能與天然石材相似，所以通常稱作水泥石。通常稱作水泥石。7.3 水泥石水泥石水泥石（水泥石（hardened cement paste)7.3 水泥石水泥石7.3.1 水泥石中的孔水泥石中的孔 水泥石是一個(gè)水泥石是一個(gè)多相多孔多相多孔體系，因而水泥石內(nèi)部固相體系，因而水泥石內(nèi)部固相表面的性質(zhì)及其比表面積的大小，固相之間的孔隙數(shù)量表面的性質(zhì)及其比表面積的大小，固相之間的孔隙數(shù)量及孔徑的大小和分布、形態(tài)等對(duì)水泥石的物理力學(xué)性質(zhì)及孔徑的大小和分布、形態(tài)等對(duì)水泥石的物理力學(xué)性質(zhì)如強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗凍性等有重要影響。如強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗凍性等有重要影響。類別 名稱 直徑 孔中水的作用 對(duì)水泥石性能影響 粗孔 球形大孔 100015m 與一般水相同 強(qiáng)度、滲透性 大毛細(xì)孔 100.05m 與一般水相同 強(qiáng)度、滲透性 毛 細(xì)孔 小毛細(xì)孔 5010nm 產(chǎn)生中等