硅酸盐水泥的水化和硬化

第七章硅酸盐水泥的水化和硬化

第一节硅酸盐水泥熟料的形成

一、硅酸盐水泥熟料的形成

水泥熟料矿物为什么能与水发生反应？主要原因是：

1. 硅酸盐水泥熟料矿物结构的不稳定性，可以通过与水反应，形成水化产物而

达到稳定性。造成熟料矿物结构不稳定的原因是：<1) 熟料烧成后的快速冷却，使其保留了介稳状态的高温型晶体结构；<2) 工业熟料中的矿物不是纯的C,S,CZS 等，而是Alite 和Belite 等有限固溶体；(3) 微量元素的掺杂使晶格排列的规律性受到某种程度的影响。

2. 熟料矿物中钙离子的氧离子配位不规则，晶体结构有“空洞”，因而易于起

水化反应。例如,C,S 的结构中钙离子的配位数为 6 ，但配位不规则，有 5 个氧离子集中在一侧而另一侧只有 1 个氧离子，在氧离子少的一侧形成“空

洞”，使水容易进入与它反应。户CZS 中钙离子的配位数有一半是 6 ，一半是8 ，其中每个氧离子与钙离子的距离不等，配位不规则，因而也不稳定，可以水化，但速度较慢。 C 3A 的晶体结构中，铝的配位数为 4 与6, 而钙离子的配位数为 6 与9 ，配位数为9 的钙离子周围的氧离子排列极不规则，距离不等，结构有巨大的“空洞”，故水化很快。C,AF 中钙的配位数为10 与

6 ，结构也有“空洞”，故也易水化。有些矿物如Y-CZS 和CZ AS 几乎是惰

性的，主要是钙离子的配位有规则的缘故．例如：

Y-CZS 中钙离子的氧配位为 6 ， 6 个氧离子等距离地排列在钙离子的周围，形成八面体，结构没有“空洞”，因此不易与水反应。这里要特别指出，水化作用快的矿物，其最终强度不一定高。例如,C,A 水化快，但强度绝对值并不高，而户CZS 虽然水化慢，但最终强度却很高，因为水化速度只与矿物水化快慢有关，而强度则与浆体结构形成有关。

二、熟料单矿物的水化

（一）硅酸三钙的水化

硅酸三钙在水泥熟料中的含量约占50 ％，有时高达60 ％，因此它的水化作用、产物及其所形成的结构对硬化水泥浆体的性能有很重要的影响硅酸三钙在常温下的水化反应，大体上可用下面的方程式表示：

3Ca0 。SiOz ＋nHzO ＝xCaO ．SiOz ．yHzO ＋（3-x ）Ca (OH ）z 简写为： C 3 S ＋nH=C-S-H ＋（ 3 一 x)CH

上式表明，其水化产物为C-S-H 凝胶和氢氧化钙，C-S-H 有时也被笼统地称之为水化硅酸钙，它的组成不定（其字母之间的横线就表示组成不定），其Ca0/Si0 ：分子比（简写成C/S) 和H20/SiO2 分子比（简写为H/S ）都在较大范围内变动。C-S-H 凝胶的组成与它所处的液相的Ca (OH) ：浓度有关，如图1-7-1 所示。当溶液的CaO 浓度小于lmmol/L(0. 06g /L) 时，生成氢氧化钙和硅酸凝胶。当溶液的CaO 浓度小于 1 一2mmo1/L (0. 06 一 0.

112g /L ）时，生成水化硅酸钙和硅酸凝胶。当溶液的CaO 浓度为2-20mmo1/L

(0. 112-1-12 g/L) 时，生成C/S 比为0. 8 一 1 ． 5 的水化硅酸钙，其

组成可用（0. 8 一 -5)Ca0 · Si0 ：· (0.5-2.5)20 表示，称为C-S-H （I ），当溶液中CaO 浓度饱和（即CaO ≥ 1. 12g /L) 时，生成碱度更高（C/S ＝ 1. 5-2. 0 ）的水化硅酸钙，一般可用

<1.5-2.0)Ca0 · Si02· (1-4)H20 表示，称为C-S-H ( I ）。C-S-H ( I ）和C-S-H （ I ）的尺寸都非常小，接近于胶体范畴，在镜下，C-S-H （I ）为薄片状结构；而C-S-H （H ）为纤维状结构，象一束棒状或板状晶体，它的末端有典型的扫帚状结构。氢氧化钙是一种具有固定组成的晶体。

硅酸三钙的水化速率很快，其水化过程根据水化放热速率一时间曲线（图i-7-2 ），可分为五个阶段：

1 ．初始水解期

加水后立即发生急剧反应迅速放热，Ca 2+ 和OH －迅速从C3S 粒子表面释放，几分钟内pH 值上升超过12, 溶液具有强碱性，此阶段约在 1 Smin 内结束。

2. 诱导期

此阶段水解反应很慢，又称为静止期或潜伏期，一般维持2-4h ，是硅酸盐水泥能在几小时内保持塑性的原因。

3. 加速期

反应重新加快，反应速率随时间而增长，出现第二个放热峰，在峰顶达最大反应速度，相应为最大放热速率。加速期处于4^}8h ，然后开始早期硬化。

4. 衰减期

反应速攀随时间下降，又称减速期，处于12^-24h ，由于水化产物CH 和C-S-H 从溶液中结晶出来而在C3S 表面形成包裹层，故水化作用受水通过产物层的扩散控制而变慢。

5. 稳定期

反应速率很低、基本稳定的阶段，水化完全受扩散速率控制。由此可见，在加水初期，水化反应非常迅速，但反应速率很快就变得相当缓慢，这就是进人了诱导期，在诱导期末水化反应重新加速，生成较多的水化产物，然后，水化速率即随时间的增长而逐渐下降。影响诱导期长短的因素较多，主要是水固比 .C3S 的细度、水化温度以及外加剂等。诱导期的终止时间与初凝时间有一定的关系，而终凝时间则大致发生在加速期的中间阶段。有关诱导期的开始及其终止的原因，即诱导期的本质，存在着不少看法。

变得缓慢。

三、硅酸盐水泥的水化

硅酸盐水泥由于是多种熟料矿物和石膏共同组成，因此当水泥加水后，石膏要溶解于水， C 3 A 和 C3S 很快与水反应，C3S 水化时析出Ca(OH) ：，故填充在颗粒之间的液相实际上不是纯水，而是充满Ca2+ 和OH 一离子的溶液。水泥熟料中的碱也迅速溶于水．因此水泥的水化在开始之后，基本上是在含碱的氢氧化钙和硫酸钙溶液中进行。其钙离子浓度取决于OH 一离子浓度，OH 一浓度越高，Cat ＋离子浓度越低，液相组成的这种变化会反过来影响各熟料的水化速度。据认为，石膏的存在，可略加速C3S 和C2S 的水化，并有一部分硫酸盐进入C-S-H 凝胶。更重要的是，石膏的存在，改变了 C 3A 的反应过程，使之形成钙矾石。当溶液中石膏耗尽而还有多余 C 3 A 时， C 3 A 与钙矾石作用生成单硫型水化硫铝酸钙：

2C 3A +C 3A · 3C · H 32 ＋4H ＝3(C 3 A · C · H12 ）碱的存在使C3S 的水化加快，水化硅酸钙中的C/S 增大。

石膏也可与 C 4 AF 作用生成三硫型水化硫铝（铁）酸钙固溶体。在石青不足的情况下，亦可生成单硫型水化硫铝（铁）酸钙固溶体。因此，水泥的主要水化产物是氢氧化钙、C-S-H 凝胶、水化硫铝酸钙和水化硫铝（铁）酸钙

以及水化铝酸钙、水化铁酸钙等。

图1-7-4 为硅酸盐水泥在水化过程中的放热曲线，其形式与C30 的基本相同，据此可将水泥的水化过程简单地划分为三个阶段，即：

1 ．钙矾石形成期 C 3A 率先水化，在石膏存在的条件下，迅速形成钙矾石，这是导致第一放热峰的主要因素。

2. C3 S 水化期C3S 开始迅速水化，大量放热，形成第二个放热峰。有时会有第三放热峰或在第二放热峰上出现一个“峰肩”一般认为是由于钙矾石转化成单硫型水化硫铝（铁）酸钙而引起的。当然， C 乃和铁相亦以不同程度参与

了这两个阶段的反应，生成相应的水化产物。

是由于所含磺酸能吸附到CZS 表面，阻碍了C-S-H 成核的缘故。也有人认为是木质磺酸钠使氢氧化钙结晶成长推迟甚至完全受到阻碍之故。

第二节硅酸盐水泥的凝结、硬化过程

从整体来看，凝结与硬化是同一过程中的不同阶段，凝结标志粉水泥浆失去流动性而具有一定塑性强度。硬化则表示水泥浆固化后所建立的结构具有一定的机械强度。有关水泥凝结硬化过程的看法，则历来是有争论的。

1887 年吕一查德里提出结晶理论。他认为水泥之所以能产生胶凝作用，是由于水化生成的晶体互相交叉穿擂，联结成整体的缘故．按照这种理论，水泥的水化、硬化过程是：水泥中各熟料矿物首先溶解于水，与水反应，生成的水化产物由于溶解度小于反应物的溶解度，所以就结晶沉淀出来．随后熟料矿物继续溶解，水化产物不断沉淀，如此溶解一沉淀不断进行．也就是认为水泥的水化和普通化学反应一样，是通过液相进行的，即所谓溶解一沉淀过程，再由水化产物的结晶交联而凝结、硬化，其情况与石膏相同。

1892 年，米哈艾利斯（W. Michaelis) 又提出了胶体理论。他认为水泥水化以后生成大量胶体物质，再由于干燥或未水化的水泥顺粒继续水化产生“内吸作用”而失水，从而使胶体凝聚变硬。将水泥水化反应作为固相反应的一种类型，与上述溶解一沉淀反应最主要的差别，就是不需要经过矿物溶解于水的阶段，而是固相直接与水反应生成水化产物，即所谓局部化学反应。然后，通过水分的扩散作用，使反应界面由颖粒表面向内延伸，继续进行水化。所以，凝结、硬化是胶体凝聚成刚性凝胶的过程，与石灰或硅溶胶的情况基本相似。

拜依柯夫（ A. A. 'bONKOB ）将上述两种理论加以发展，把水泥的硬化分为三个时期：第一是溶解期，即水泥遇水后，颗粒表面开始水化，可溶性物质溶于水中至溶液达饱和；第二为胶化期，固相生成物从饱和溶液中析出。因为过饱和程度较高，所以沉淀为胶体颗粒，或者直接由固相反应生成胶体析出；第三则为结晶期，生成的胶粒并不稳定，能重新溶解再结晶而产生强度．随着科学技术的发展，结晶理论和胶体理论的对立，现在似乎有了比较统一的认识。实际上这两种观点的对立，在某种程度上看，仅仅是术语的问题，也就是如何理解凝胶的问题，从现代观点来看，许多水化产物实际上是胶体尺寸的晶体，即其水化产物尺寸是属于胶体，但其内部结构仍然是晶体，只不过晶体细小，不完整而已。

洛赫尔(F. W. LOCher) 等人则从水化产物形成及其发展的角度，提出整个硬化过程可分为如图1-7-5 所示的三个阶段。该图概括地表明了各主要

水化产物的生成情况，也有助于形象地了解浆体结构的形成过程。

第一阶段，大约在水泥拌水起到初凝为止,C,S 和水迅速反应生成Ca (OH) ：饱和溶液，并从中析出Ca (OH) ：晶体。同时，石膏也很快进入溶液和C,A 反应生成细小的钙矾石晶体。在这一阶段，由于水化产物尺寸细小，

数量又少，不足以在颗粒间架桥相联，网状结构未能形成，水泥浆呈塑性状态．第二阶段，大约从初凝起至24h 为止，水泥水化开始加速，生成较多的Ca (OH) ：和钙矾石晶体。同时水泥颗粒上长出纤维状的C-S-H 。在这个阶

段中，由于钙矾石晶体的长大以及C-S-H 的大量形成，产生强（结晶的）、

弱（凝聚的）不等的接触点，将各颗粒初步联接成网，而使水泥浆凝结。随着接触点数目的增加，网状结构不断加强，强度相应增大。原先剩留在颗粒间空间的非结合水就逐渐被分割成各种尺寸的水滴，填充在相应大小的孔隙之中。

第三阶段，是指24h 以后，直到水化结束。在一般情况下，石膏已经耗尽，所以钙矾石开始转化为单硫型水化硫铝酸钙，还可能会形成 C 4 ( A,F)H 13 ．随着水化的进行,C-S-H,Ca

第三节硬化水泥桨体的结构

硬化水泥浆体是一非均质的多相体系，由各种水化产物和残存熟料所构成的固相以及存在于孔隙中的水和空气所组成，所以是固一液一气三相多孔体。它具有一定的机械强度和孔隙率，而外观和其他性能又与天然石材相似，因此通常又称之为水泥石。水化产物本身的化学组成和结构虽然深刻影响硬化浆体的性能，但各种水化产物的形貌及其相对含量在很大程度上决定着相互结合的坚固程度，与浆体结构的强弱密切相关。从力学性质看，物理结构有时比化学组成更有影响。而且，即使水泥品种相同，适当改变水化产物的形成条件和发展情况，也可使孔结构与孔分布产生一定差异，从而获得不同的浆体结构，相应使性能有所变化。

一水泥石的组成

前面已经讲到，硅酸盐水泥的水化产物包括：结晶度较差呈似无定形或无

定形的水化硅酸钙C-S-H 凝胶，结晶较好的氢氧化钙、钙矾石、单硫型水化

硫铝酸钙以及水化铝酸钙等晶体。它们是水泥石的主要组成。此外，水泥石中一般还包含部分未水化的熟料颗粒和极少量的无定形氢氧化钙、玻璃质、有机外加物等。按照S ·戴蒙德的研究，在充分水化的水泥浆体中，各种组成的质量比可作如下估计:C-S-H 凝胶70 ％左右，Ca (OH ) ：约20 ％，钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙等大约7 ％，未水化的残留熟料和其他微量组分约有

3 ％。当然，很多水泥浆体并达不到完全水化的程度，未水化的残留熟料较多，其他组成的比例即相应减少。各主要水化产物的基本特征如表1-7-

4 所示。

图1-7-6 是水泥浆体结构的形成与发展的示意图。图中 1 是刚加水拌合形成的粗分散体系， 2 是表面刚开始水化的流动性浆体， 3 是水化产物开始搭接形成凝聚结构， 4 是充分水化以后形成的结晶网结构。

综上所述，水泥浆体随水化反应的不断进行，水化产物逐渐充满原来由水占据的空间，固体粒子逐渐靠近，构成密集的整体。可将水泥石看成是由水泥凝胶、吸附在凝胶孔内的凝胶水、Ca (0H)2 等结晶相、未水化水泥颗粒、毛细孔及毛细孔水所组成。水化反应愈完全，水泥石总孔隙率降低，毛细孔减少，凝胶孔相对增加。

二、孔结构

各种尺寸的孔也是硬化水泥浆体结构中的一个主要部分，总孔隙率、孔径大小的分布以及孔的形态等，都是硬化水泥浆体的重要结构特征。

在水化过程中，水化产物的体积要大于熟料矿物的体积。据计算，每lcm3 的水泥水化后约需占据 2. 2cm 3 的空间。即约45 ％的水化产物处于水泥颗粒原来的周界之内，成为内部水化产物；另有55 ％则为外部水化产物，占据着原先充水的空间。这样，随着水化过程的进展，原来充水的空间减少，而没有被水化产物填充的空间，则逐渐被分割成形状极不规则的毛细孔。

另外，在C-S-H 凝胶所占据的空间内还存在着孔，尺寸极为细小，用扫

描电镜也难以分辨。各种结构模型对C-S-H 中所具有的孔都有一定的描述。

例如,T · C ·鲍维斯等人认为凝胶粒子的直径约l Onm 左右，其中有28 ％的胶孔，孔的尺寸约 1. 5 - 3. Onm 。费尔德曼等则强调有层间孔存在，并

确定其水力半径：在0. 095 ^}0. 278am 。近藤连一和大门正机又将C-S-H 凝