硅酸盐水泥的水化与硬化.doc

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,: 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: C3S+ 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 的水化硅酸钙,其组成可用( -5)Ca0 · Si0 :· (-)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<-)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