【西南交通大學】《建築材料》（全58講）李固華 P10 - 10. 4.2 硅酸鹽水泥的水化與凝結硬化

同學們好 這一節給大家介紹硅酸鹽水泥的水化 凝結與硬化 爲了方便同學們更好地掌握 我們用簡寫式給同學們一一標示 好 同學們看一下硅酸酸鈣加水 生成的CSH凝膠和氫氧化鈣 那麼硅酸二鈣是銅上 硅酸三鈣和水反應 生成立方板狀的水化硅酸三鈣 水化硅酸三鈣和石膏會在有水的情況下 會進一步水化 生成鈣確實直到石膏耗盡 這也是我們在水泥當中 摻入石膏是其一種緩泥作用的機理 我們在後邊還會給同學們做一介紹 那麼鐵鋁酸四鈣加水 同樣生成水化鋁酸鈣和水化鐵酸一鈣凝膠 那麼四種塑料礦物的水化 生成的主要的水化物 同學們看有CSH凝膠 氫氧化鈣 水化鋁酸鈣以及水化鐵酸鈣 在石膏存在的條件下 石膏會和水化鋁酸三鈣在有水的情況下 生成水化硅鋁酸鈣 我們也稱作爲鈣繁石 那麼就此我們給同學們總結一下 水泥四種主要塑料礦物加上石膏 它們經過水化生成的水化物有 CSH凝膠 氫氧化鈣 水化鋁酸鈣 水化鐵酸鈣 和水化硅鋁酸鈣 這就是通過電鏡帶領同學們認識一下 我們各種水化物的形狀 水泥的水化 一般來說經過水化反應 主要的水化物有 CSH凝膠 水化鐵酸鈣凝膠 以及氫氧化鈣 水化鋁酸鈣 以及鈣繁石晶體 在完全水化的水泥石當中 水化硅酸鈣約佔到50% 氫氧化鈣約佔25% 另外對於水化物當中的鹼度 我們是用氧化鈣與酸性氧化物二氧化硅 三氧化鋁的比值來表示的 好 到此我們把水泥的水化給同學們介紹完了 希望各位同學要重點掌握 四種塑料水化以後生成的主要水化物 以及石膏與水化鋁酸鈣 其反應生成的鈣繁石 好 下面給各位同學介紹一下 水泥的凝結與硬化 關於水泥的凝結和硬化 有很多比如結晶理論 交替理論 凝結結晶理論 那麼我們根據水化反應的速度 和水泥僵體結構的變化特徵 我們將水泥加水拌合以後 它的凝結硬化分爲四個階段 根據各個階段的放熱反應速度 以及它的物理化學變化特徵 我們看一下 第一個階段我們叫初始反應期 大約從加水到5到10分鐘這一階段 它的主要的物理化學變化 是水泥塑料開始溶解水化 第二階段 根據它的放熱反應速率 大約從加水到一個小時這一階段 我們稱作爲潛伏期 它的主要的物理化學變化 是凝膠體的磨層圍繞着水泥顆粒成長 也就是石膏和水化鋁酸鈣 其反應生成的鈣反石 形成的一個包裹體 第三個階段 根據它的放熱反應速度 大約從加水到6個小時這個階段 我們稱作爲凝結期 指的是磨層增厚 水泥顆粒進一步水化 生成的水化物向沖水空間轉移 第四個階段 根據它的放熱反應速率 從加水開始到6個小時甚至若干年 我們稱作爲硬化期 它的物理化學變化 主要是我們的水化物向沖水的空間轉移 我們將水泥的凝結硬化 用這四個圖給同學們清晰地展示一下 首先看第一個圖 是指我們的水泥顆粒加水拌合 形成水泥漿 那麼水泥顆粒四種塑料礦物 同時開始水化 那麼率先生成的水化鋁酸鈣 會在石膏存在的條件下 生成針狀的鈣鏟石晶體 形成一個包裹層 使我們的水化速度延緩 這也是我們的第二個階段 潛伏期的形成 好 第三個階段 隨着水分的滲入 和水化物透過磨層向外轉移的速率 產生的差異 會使包裹的磨層越來越厚 滲透壓越來越大 然後當滲透壓達到一定的時候 包裹的磨層破裂 大量的水化物向沖水的空間轉移 在我們的沖水空間裏 形成了凝聚的空間網狀結構 表現出它的凝結 粗凝和中凝 隨着水化不斷的進行 大量的水化物向沖水的空間轉移 形成了我們的凝聚結晶結構 好 從第四個圖我們可以看到 在這種結構裏 有毛細孔 毛細水存在 有未水化的水泥顆粒存在 有我們的大量的水化物 凝膠體和晶體存在 好 我們給同學們總結一下 對於經過凝結硬化而成的水泥石結構 我們說它是由固相 液相 氣相 這三項多孔結構組成的 那麼它的主要組成有水泥的凝膠體 有未水化的水泥內核 有水和孔隙 也可以總結爲水泥石的結構 有水泥的凝膠體 凝膠孔 毛細水 毛細孔和未水化的水泥內核 當然也可以簡化爲水泥的凝膠體 孔隙和未水化的水泥內核 那麼在這裏值得注意的是 在我們硬化的水泥石裏存在的毛細孔 它的尺寸和凝膠孔的尺寸不在一個數量級上 那麼凝膠孔的尺寸僅僅比水分子的尺寸大一個數量級 所以水化物沒有辦法在凝膠孔裏面生成 也就是說凝膠孔它的體積和凝膠的比例 凝膠的孔隙率基本應該保持不變 是28% 那麼同樣在毛細孔裏會存在着毛細水 同時在水泥加水半核時 我們將水與水泥的值重比稱爲水灰比 水灰比越大孔隙率越大 植硬化水泥石由水泥凝膠體 爲水化的水泥內核水和孔隙組成 那麼在這裏強調的是由於我們的凝膠孔 它的尺寸僅僅比我們水分子大一個數量級 在這樣的孔隙內部是沒有辦法生成水化物的 所以凝膠孔在凝膠體的比例孔隙率不變 爲28% 另外在它水化過程當中 我們把水與水泥的值重比稱作爲水灰比 這個水灰比在我們的工程當中 是一個非常重要的因素 一般對於水泥石來說 我們用這張圖形象地給同學們展示一下 我們硬化水泥石的結構 有爲水化的水泥內核 有凝膠體 晶體 孔隙和在毛細孔裏的毛細水 這張圖向大家介紹了 隨着水化程度的進行 水化零期時間的增加 我們各種塑料 礦物生成的水化物 以及它的結構所發生的變化 看隨着水化程度的增加 爲水化的水泥顆粒減少 水化物不斷增大 孔隙 毛細孔減少 但是隨着水化的進行 我們要注意它的凝膠孔是增大的 因爲凝膠體增大 既然它們的孔隙率保持不變 體積孔隙率保持不變爲28% 所以凝膠體的體積增大 凝膠孔它的孔隙也是增大的 但是毛細孔隨着水化的進行 零期的增加 毛細孔是減少的 那麼我們歸納一下 隨着水化程度的進行 也就是說零期的增加 爲水化的水泥塑料逐漸減少 凝膠體也就是水化物和晶體不斷增加 毛細孔逐漸減少 水泥石越來越致敏 強度越來越高 那麼這個過程甚至可以有若干年 這裏需要補充的是 水泥水化以後 它的固像體積是在增大 這個固像體積是指和水泥顆粒比 但是總的體積在縮小 我們看到由於有毛細孔的存在 由於我們的水變成結合水 都是總的體積縮小 也就是說整個的水泥的凝結硬化 是一個收縮過程 那麼另外 我們凝膠孔的孔隙率 基本上是一個常數 它在凝膠體的體積的比例 約爲28% 不隨水灰比和水化程度的變化而變化 但是隨着水化的進行 毛細孔的體積是不斷減少的 也就是水泥石越來越密實 強度越來越高 水灰比是影響水泥石結構的主要因素 水灰比大 水化生成的凝膠體不足以填充毛細孔 如當水灰比是0.4的時候 孔隙率爲29.3% 毛細孔佔到2.2% 但當水灰比增大到0.7的時候 同學們看一下 孔隙率達到了50.3% 毛細孔爲31% 所以我們說水灰比是影響水泥石結構性質的 一個最重要因素 下面我們一起來探討一下 影響水泥水化和凝結硬化的主要因素 希望同學們牢牢掌握 首先 塑料礦物的組成 是影響水泥凝結硬化的最主要的內因 通過前面的學習我們知道 鋁砂三蓋的凝結硬化速度最快 硅砂二蓋的凝結硬化速度最慢 所以塑料的組成不同 凝結硬化的速度也不一樣 用水量 爲了保證水泥漿體的塑性和流動性 我們多加的水 一般在硬化以後 多餘的水分都會蒸發 那麼蒸發的水在硬化的水泥石內 就會形成大量的毛細孔 當水灰比越大 水泥漿越稀 硬化以後水泥石當中的毛細孔就會越多 那麼水泥石的強度可想而知 就會降低 同時由於毛細孔增多 水泥石的抗動性抗盛性也會急劇下降 第三個方面細度 水泥顆粒越細 與水接觸的面積越大也越充分 水化反應的速度也會越快 水化熱也會越大 早期強度高 但是由於蓄水量大 多餘的水分蒸發 就會使毛細孔變多 幹縮增大 反而會影響後期強度 同時水泥太細 也容易與空氣當中的水分和二氧化碳反應 使水泥不宜久沉 而且水泥磨得過細 能耗也越大 成本也越高 所以說並不是水泥越細越好 第四個影響因素 養護的溫度和溼度 提高溫度可使水泥的反應加快 強度增長加快 當溫度低於5度時 水化硬化大大減慢 所以當冬季施工的時候 我們必須考慮這個因素 當溫度低於0度時 水化反應基本停止 當然一旦水結冰 產生體積膨脹 還會使水泥石的結構破壞 因此 冬季施工時我們一定要採取一定的保溫措施 溫度太高 反應速度太快 所形成的結構也會不致命 會導致後期強度有所降低 那麼當溫度達到70度以上時 28天的強度將會降低10%到20% 我們說叫後期導縮 那麼另外 通常水泥的養護溫度 最好在5到20度 這樣有利於水泥強度的增長 同時溼度也是保證水泥水化的一個必備條件 五個因素 養護零期 隨着零期的增加 毛細孔隙減少 密實度和強度增加 水泥在3到14天內的強度增加較快 28天以後的強度增長趨於緩慢 我們下面這個圖 同學們看一下 通過這個圖可以直觀地表示出 隨着養護零期的增加 我們水泥石的強度在早期增長較快 到28天后基本趨緩 第六個影響因素是水泥的外加劑 當我們在水泥漿裏面添加外加劑後 可明顯地改善水泥的某些性能 比如樹泥劑 緩凝劑 藻強劑 以上的六種因素 都是影響水泥凝結硬化的主要因素 希望各位同學要牢牢掌握 好 關於水泥的凝結硬化的主要的影響因素 我們就講到這 各位同學休息一下 我們下一節再繼續介紹