水泥成分及水化硬化机理

混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）水泥成分及水化硬化机理混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）熟料矿物的组成与特点1235水泥水化硬化水泥浆体混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）3一、化学成分及含量•国内部分新型干法水泥企业的硅酸盐水泥熟料化学成分％混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）CaO-SiO2-Al2O3系统中的水泥区域如将主要氧化物的含量（CaO＋SiO2＋Al2O3）换算成100％（将Fe2O3计算在Al2O3中），则硅酸盐水泥熟料的组成几乎落在C3S-C2S-CA3三角形的区域中。混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）硅酸盐水泥熟料是一种多矿物组成的、结晶细小（30~60μm）的人造石。主要四种矿物：Ø硅酸三钙：3CaO·SiO2，可以简写C3S，60~70%Ø硅酸二钙：2CaO·SiO2，可以简写C2S，≈20％Ø铝酸三钙：3CaO·Al2O3，可以简写C3A，7～15％Ø铁相固溶体：4CaO·Al2O3·Fe2O3，简写C4AF，10～18％其他：少量游离氧化钙(f-CaO)、方镁石、含碱矿物及玻璃体。硅酸盐矿物熔剂矿物混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）熟料类型C3SC2SC3AC4AF回转窑熟料45~6515~324~1110~18立窑熟料38~6020~324~713~20国内新型干法窑熟料（20家平均）5321810国内重点水泥企业熟料（56家平均）5420714国外水泥企业熟料（23家平均）5720810国内外部分水泥生产企业生产数据混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）硅酸盐水泥熟料在反光显微镜下的岩相照片C3SC2S铁相固溶体铝酸三钙金相显微镜下：混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）熟料的化学成分与矿物组成的关系？C3SC2SC3AC4AFCaOSiO2Al2O3Fe2O3混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）1、硅酸三钙(tricalciumsilicate)Ø纯C3S具有同质多晶现象。15202920396019902106031070TTTMMMRCCCCCCR型为三方晶系，M型为单斜晶系，T型为三斜晶系混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）1、硅酸三钙(tricalciumsilicate)混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）1、硅酸三钙(tricalciumsilicate)混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）1、硅酸三钙(tricalciumsilicate)混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）1、硅酸三钙(tricalciumsilicate)混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）1、硅酸三钙(tricalciumsilicate)四、熟料矿物的特性Ø矿物水化特性：•水化较快，水化反应主要在28d内进行，约经一年后水化过程基本完成；•早期强度高，强度的绝对值和强度的增进率大，居四种矿物之首，28d强度达一年强度的70%~80%；•水化热较高；抗水性较差。混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）2、硅酸二钙(ditricalciumsilicate)CCCLCHC500690680~63011601425纯C2S在1450℃以下有下列多晶转变：780~860℃α型为三方或六方晶系；α′型为斜方晶系；β型为单斜晶系；γ型为斜方晶系。H表示高温型，L表示低温型。Ø纯C2S具有同质多晶现象。※若还原性气氛，温度低，液相量不足，在500℃以下，C2S由密度3.28kg/m3的β型转变为密度2.97kg/m3的γ型，体积膨胀10％而使熟料粉化。混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）2、硅酸二钙(ditricalciumsilicate)混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）2、硅酸二钙(ditricalciumsilicate)混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）2、硅酸二钙(ditricalciumsilicate)混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）2、硅酸二钙(ditricalciumsilicate)混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）2、硅酸二钙(ditricalciumsilicate)Ø矿物水化特性：l贝利特水化较慢，28天仅水化20％左右。l凝结固化较慢，早期强度低，但后期强度增长率较髙，在1年后可赶上阿利特。l贝利特的水化热较小，抗水化性好，适合用于大体积工程或处于侵蚀性大的工程用水泥。混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）3、中间相※充填在阿利特和贝利特之间的铝酸盐、铁酸盐、组成不定的玻璃体和含碱化合物等统称为中间相。混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）（1）铝酸三钙（tricalciumaluminate)3、中间相ØC3A可固溶有少量SiO2、Fe2O3、MgO、R2O等形成固溶体，在反光镜下，其反光能力弱，呈暗灰色，并填充在A矿与B矿中间，又称黑色中间相。混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）Ø矿物水化特性l水化快，凝结快；l早强较高，但绝对值不高。3d发挥出大部分强度，以后不增长，甚至倒缩。l水化热高，干缩变形大，脆性大，耐磨性差，抗硫酸盐性能差。（1）铝酸三钙（tricalciumaluminate)3、中间相混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）（2）铁相固溶体(ferritesolidsolution)3、中间相混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）（2）铁相固溶体(ferritesolidsolution)3、中间相Ø矿物水化特性•水化速度：早期介于C3A、C3S间，后期的发展不如C3S;•早期强度似C3A，后期能增长，似C2S;•水化热较C3A低，抗冲击性能和抗硫酸盐性能较好。混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）3、中间相混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）3、中间相混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）3、中间相混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）28d内绝对强度：C3S＞C4AF＞C3A＞C2S水化速度：C3A＞C4AF＞C3S＞C2S水化热：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S四种矿物性能比较混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）Ø形成:部分熔融液相被快速冷却来不及结晶而成为过冷凝体。Ø主要成分:Al2O3、Fe2O3、CaO以及少量MgO和R2O。含量取决于液相量及冷却条件。Ø性能:不及晶体稳定，水化热较大；可改善熟料性能与易磨性。（4）玻璃相(glass)3、中间相混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）游离氧化钙指熟料中未化合的氧化钙，也称游离石灰。4、游离氧化钙和方镁石（1）游离氧化钙（Free-lime或f-CaO）种类产生原因特点对水泥安定的影响性欠烧f-CaO熟料煅烧过程中因欠烧、漏生，在1100~1200℃低温下形成结构疏松多孔不大一次f-CaO因配料不当、生料过粗或煅烧不良，尚未与S、A、F反应而残留的CaO呈“死烧状态”，结构致密大二次f-CaO熟料慢冷或还原气氛下，C3S分解而形成的经过高温，水化较慢较大混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）4、游离氧化钙和方镁石（1）游离氧化钙（Free-lime或f-CaO）混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）（2）方镁石混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）获得熟料的矿物组成的方法：①仪器分析法：如岩相分析；X射线分析；红外光谱分析等。②理论计算法：如石灰饱和系数法和鲍格法。混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）二、水化硬化机理1、硅酸三钙一、C3S的水化反应3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+（3-x）Ca(OH)2即:C3S+nH=C-S-H+（3-x)CH式中：x——表示钙硅比（C/S）n——表示结合水量混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）（1）C-S-H（水化硅酸钙）特点：v凝胶（非晶体），水泥石强度主要提供物质。v组成不固定：[CaO]：0.112～1.12g/l时，C-S-H（Ⅰ）(0.8～1.5)CaO·SiO2·(0.5～2.5)H2O[CaO]1.12g/l时，C-S-H（Ⅱ）(1.5～2.0)CaO·SiO2·(1～4)H2O混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）（2）CH（氢氧化钙）特点：Ø较粗大晶体，造成水泥石强度下降；Ø维持水泥石体系较高碱度，稳定C-S-H；Ø可作为火山灰质等混合材的碱性激发剂。混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）二、水化过程特征：急剧反应，出现第一个放热峰，时间很短，在15min以内结束。（1）诱导前期混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）反应极其缓慢，又称静止期。一般持续1～4ｈ，是硅酸盐水泥浆体能在几小时内保持塑性的原因。（2）诱导期特征：备注：初凝时间基本上相当于诱导期的结束。混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）反应重新加快，出现第二个放热峰，到达峰顶时本阶段即告结束(4～8h)。（3）加速期此时终凝已过，开始硬化。特征：备注：混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）反应速率随时间下降的阶段，约持续12～24h，水化作用逐渐受扩散速率的控制。反应速率很低、基本稳定的阶段，水化作用完全受扩散速率控制。（4）减速期：（5）稳定期：特征：特征：混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）诱导前期诱导期加速期减速期稳定期混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）2、硅酸二钙vβ型硅酸二钙的水化过程和C3S极为相似，β-C2S的水化反应可采用下式表示:2CaO·SiO2+mH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2即：C2S十mH=C-S-H+(2-x)CH与硅酸三钙水化相似，区别在于：1、水化速率为硅酸三钙的1/20；2、水化形成的Ca(OH)2、C-S-H结晶困难，单独水化速度极慢，但是在硅酸盐水泥水化时受到硅酸三钙影响而水化加快。混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）3、铝酸三钙2C3A+27H=C4AH19+C2AH8特征：C4AH19在低于85%的相对湿度时，即失去6摩尔的结晶水而成为C4AH13。C4AH19、C4AH13和C2AH8均为六方片状晶体，在常温下处于介稳状态，有向C3AH6等轴晶体转化的趋势。在常温下:混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）在液相的氧化钙浓度达到饱和时：C3A+CH+12H=C4AH13特点：1.在硅酸盐水泥浆体的碱性液相中最易发生；2.处于碱性介质中的C4AH13在室温下能够稳定存在，其数量迅速增多，就足以阻碍粒子的相对移动，使浆体产生瞬时凝结。3.在水泥粉磨时通常都掺有石膏进行缓凝。混凝土博士微信公众号（ID:ConcreteDoctor）在石膏、氧化钙同时存在的条件下：所形成的三硫型水化硫铝酸钙，又称钙矾石。由于其中的铝可被铁置换而成为含铝、铁的三硫酸盐相，故常以AFt表示。钙矾石不溶于碱溶液而在C3A表面沉淀形成致密的保护层，阻碍了水与C3A进一步反应，因此降低了水化速度，避免了急凝。C4A