这是对于混凝土胶凝材料系列文章的第二篇，这个系列文章由下列几篇文章构成：

混凝土胶凝材料：胶凝材料的活性

混凝土胶凝材料：水泥的水化过程（本文）

在博客文章中，咱们议论了用于硅酸盐混凝土中的胶凝材料的活性，咱们用离子弊病和布局弊病来表白给胶凝材料带来活性的缘由。由于水泥是现代硅酸盐混凝土工程中不成缺乏的胶凝材料，它的机能给混凝土的机能以及动工带来了根天性的影响，因此，在这一篇，咱们要讲解它的水泥水化过程中的某些特性，咱们要剖析水泥机能指方向影响。

其它，在讲解水泥的水化性格以前，我稀奇向有爱好的读者引荐一册稀奇棒的书《混凝土的机能》1，此书译自PropertiesofConcrete(4thEdition)byA.M.Neville，能够在此找到它的第五版。

1、硅酸盐水泥的化学成分和矿物成分

咱们晓得硅酸盐水泥中由于人为策画参加了很多的钙、铁、铝等等阳离子，这些离子在水泥煅烧过程与二氧化硅网络贯串，在网络中产生离子弊病，而这些离子的多与少、彼此之间的比例城市对二氧化硅网络的安稳性产生决意性的影响，因此不管何如强调水泥的化学成分都不为过。而这些阳离子与二氧化硅网络的贯串是齐备无序的，有的地点兴许钙离子会富集多一点，而某些地点别的阳离子为富集良多一些，因此咱们屡屡根据这一特性，将硅酸盐水泥的矿物成分差别为硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4AF）。但斟酌到它的空间网络布局，在水泥中很难离别出这四种矿物，能够联想每一粒水泥颗粒中，包括了这四种矿物，可是在不同的空间地方，大概某种矿物会更为富集云尔。

硅酸盐水泥中，由于硅酸三钙的钙离子含量更高，因此它的反响速度必然会超出硅酸二钙，而铝酸三钙的反响最快，铁铝酸四钙相对于铝酸三钙要慢，但也快于硅酸三钙，因此这四种矿物成分的水化反就速度顺次为C3A、C4AF、C3S、C2S。硅酸盐水泥的化学成分会极地面影响这四种矿物在水泥中的比例，见表1。

氧化物（含量％）CaO66...0SiO...0Al2O37.07.75.5Fe2O33.03.34.5别的4.04.04.0矿物构成C3SC2SC3AC4AF

表1氧化物构成对熟料矿物成分的影响（见参考书1第8页表1.4）

根据表1中第一组和第二组的数据能够看到，假如只缩小3％的氧化钙，同时氧化铝和氧化铁各补充1.5％，那末水泥的硅酸三钙则会缩小良多。第一组是榜样的快硬硅酸盐水泥氧化物和矿物构成，第二组是平常硅酸盐水泥的构成；在第三组，氧化钙与二氧化硅坚持与第一组不异，可是离别缩小氧化铝和补充氧化铁1.5％，则四种矿物成分城市产生猛烈变动，而第一组的铝酸三钙最高。铝酸三钙是反响最快的矿物成分，关连它到处水化过程所带来的反常凝固题目，进而给混凝土动工所带来的重重搅扰，还需求咱们进一步议论。

在此，咱们并不是要议论水泥的临盆过程，也不是要议论水泥的机理，咱们可是提醒水泥临盆中，原材料的轻微摇动、临盆过程把持的小的疏怱城市带来水泥机能的极大变动。好比，可是氧化铝和氧化铁的轻微调动，铝酸三钙有7％的变动，而铝酸三钙产生的反常凝固以及对减水剂时时行使所带来的做梗，对动工所带来的搅扰是不成忽视的。因此，不管何如强调硅酸盐水泥的氧化物成分和矿物成分之间比例关连的重大性都是不太过的。

2、硅酸盐水泥的水化强硬过程

硅酸盐水泥的水化强硬过程由水泥与水产生化学反响主宰，四种紧要矿物城市产生反响，是一个持续且悠久的过程。这些反响不但遭到各式矿物成分的水化反响的直接影响，还遭到反响物和反响产品在空间地方的影响，显露出必然的阶段性。在宏观上，硅酸盐水泥从与水来往着手，处于软化状况，跟着水化反响的施行，会放出热量，生成反响产品，反响物的生成以及水份的耗费，致使其稠度也会补充，水泥浆会逐步落空崎岖性；跟着反响进一步补充，会在水泥颗粒四周成纤维状陈设；这些纤维搭接在一同，全面系列着手落空软塑性而着手强硬。

在简略讲解了水泥的水化强硬前提下，咱们还要研讨硅酸盐水泥不同矿物的水化性格城市影响它的水化强硬过程，况且对于混凝土的水泥强硬过程具备决意性的影响，并最后影响混凝土的各项机能。

2.1、水泥水化凝固

水泥水化强硬过程极其悠久。在这个过程中，有两个特别的状况，咱们称之为水泥的凝固状况。针对准则稠度的净浆（断定了水泥浆的准则），在稳固贯入力前提下，以试针贯入水泥净浆的深度离别为36.0mm和0.5mm的两个状况为初始凝固状况和中断凝固状况。

水泥浆的凝固是其水化强硬过程的一个特定状况，在水泥浆到达凝固前提以前很早，水泥浆就落空了崎岖性。对于混凝土来讲，它的凝固与水泥浆的凝固亲切关连，因此混凝土的凝固也贯入法断定的两个特别状况。但需求留心的是，在水泥浆或混凝土到达初始状况以前很早，它们城市落空崎岖性。因此，把持混凝土的凝固光阴并不能齐备把持混凝土的崎岖性损失，这是混凝土工程从业人员需求知道的。

水泥浆的凝固与强硬差别在于，到达强硬前提后，水泥浆会取得必然的强度，而能够觉得中断凝固状况，水泥浆仍旧不完备赞成荷载的效用。

水泥浆的凝固是水泥水化天然过程的两个特别状况。然则，假如水泥临盆过程的把持产生了题目，大概会致使水泥浆产生两类不时时的凝固，即闪凝和假凝。

闪凝是水泥与水来往的初期，好比5分钟之内，水泥浆即落空崎岖性，况且会伴有着大批的放热，温度也会抬高。在混凝土工程中，显露为混凝土中搅拌机中缷料后，经过手动和肉眼窥察，就会发掘混凝土从高崎岖性飞快变动成无崎岖性。产生闪凝的缘由与混凝土浆中的铝酸三钙关连，咱们会鄙人面2.1中特地议论。

假凝则是由于在水泥孰料并未冷却到划定的温度时就着手粉磨水泥，致使二水石膏脱水生成β-半水石膏，而这类石膏恰是制石膏像的石膏，遇水反响特地飞快，致使水泥浆或混凝土凝固；也大概是水泥中的碱含量过高，寄放光阴太长，生成的碱的碳酸盐，而在水泥水化时，与水化产品中的氢氧化钙生成碳酸钙。假凝并不伴有放热，况且对水泥浆或混凝土加以搅拌能够摧残它的凝固状况。

不管是闪凝仍旧假凝，都是在水泥浆反响的初期产生的，远未到达时时水泥浆水化时所到达的初始凝固状况和中断凝固状况，它们会给动工带来严峻的做梗。

2.2、铝酸三钙的水化

水泥中的铝酸三钙水化速度反常快，假如不加把持，在与水来往五分钟后，即能放出大批的热，使得水泥浆登时落空崎岖性，显露一种凝固的状况，是水泥产生闪凝的紧要缘由。产生闪凝的水泥配制混凝土，会致使混凝土在加水搅拌后5分钟内温度赶快抬高，并落空崎岖性，坍落度损失到0mm。

时时是在水泥孰估中参加石膏来把持铝酸三钙的水化。铝酸三钙越多，需求的石膏也越多。在与水来往后，石膏与铝酸三钙熔解在水中，两者比例符合，则铝酸三钙水化生成硫铝酸钙（即钙矾石），假如石膏熔解度不够，即便着手阶段能把持，但跟着反响施行，水中的石膏耗费后得不到充分的补充，也不能把持铝酸三钙的水化反响，会浮现闪凝。因此，石膏的熔解度很重大，熔解度高的石膏时常是二水石膏。假如行使别的石膏，大概别的石膏与三乙醇胺之类等多羟基有机物并存，则水中的石膏大概不充分，也会致使闪凝。

水泥细度越高，则掺入水泥中的石膏的需求量也越多，水泥中的碱（特指钠和钾）的含量高，则石膏的需求量越高。

即便能很好地把持水泥中铝酸三钙时时水化不产生缓凝，然则，份铝酸三钙耗费40份水，况且生成的钙矾石呈针状陈设，彼此搭接。假如水泥中铝酸三钙含量过量，在水泥初期的水化中耗费的水量过量，生成的钙矾石多过，在混凝土来讲就会显露为坍落度经时损失过快。

为了把持铝酸三钙反响，需求提升石膏的掺入量；但石膏过量，会致使强硬后的水泥浆膨胀或分割，因而石膏掺入量不是多多益善。准则ASTMC－84供应了实验断定最好石膏掺量的办法。

2.3、硅酸钙的水化

硅酸钙的水化是硅酸盐水泥水化的紧要反响，人们稀奇针对硅酸三钙的水化过程做了大批的研讨，在此，咱们可是简略地论述它的特性，其目标是由它能够知道混凝土的很多机能都与它的水化过程关连。

硅酸三钙的水化强硬过程能够分为几个阶段，见图1。第一个阶段是来往水的初期，登时与水产生反响，放出极大的热量，生成的水化产品会包裹在水泥颗粒表面阻塞水与水泥颗粒进一步来往，这个过程很早也很片刻，但放热速度很快。这一过程终于以后，要到与水来往以后的10个小左右到达第二个放热顶峰，随后反响速度再一次迟缓下来，直到30个小时到达第3个放热顶峰。从这个反响放热的过程来看，硅酸三钙与水的反响受空间地方的把持，一旦水化产品阻塞了水与未水化颗粒表面的来往，反响就会缓解下来。同时在第三次放热峰后，全面水化过程城市显然地放慢，这是这个反响的一个根基特性。

由这个特性以及咱们在工程中的实践衡量（见襄渝铁路二线桥墩动工温差破绽管教计划）能够晓得，体积稍大一点的布局，具备必然的畜热才略，因此在36～40小时后其内部到达最高温度值，以后，跟着反响速度缓解，放热量低落，热量逐步流失，混凝土内部温度会迟缓地低落。在这个过程中，假如在混凝土表面喷洒温渡太低的凉水，极易产生表面破绽，严峻时破绽会深入到混凝土内部。

在反响过程中，水化产品堆集在水泥颗粒表面，被后生成的产品向颗粒外推移，产生逐步成长的纤维状空间布局。跟着反响产品的补充，它们彼此搭接，况且由于反响致使混凝土中的用水量缩小，致使混凝土逐步落空崎岖性，这显露为混凝土的坍落度经时损失。假如硅酸三钙多，则致使经时损失的量也大。在反响初期，这类纤维搭接并不完好，因此经过搅拌，混凝土能够从新取得更大的崎岖性（这一局面称为触变性）。但跟着光阴的推移，这类搭接越来越多，混凝土会齐备落空崎岖性，并进一步到达初始凝固状况，最后到达中断凝固状况。在混凝土落空崎岖性后，假如从外部参加减水剂，还能够供应必然的崎岖性，但投入初凝状况或终凝状况后，加减水剂也难以再提升崎岖性，这时不该该再扰动混凝土摧残硅酸三钙水化产品的连贯，这是水泥胶接砂石产生强度的根基，此时的扰会给混凝土的内部布局产生致命妨害。

硅酸三钙的水化产品紧要分为两类，一类是高钙型水化硅酸钙，是一种不溶于水的固体胶体物资，称为固凝胶，因此硅酸盐水泥在水中也能持续水化反响；在宏观上，有纤维状的物理形状，这些纤维彼此搭接会产生网状布局，而混凝土的骨料则会镶嵌在这些网络中，被这些网络胶结产生一个整个，产生强硬后的强度，这是这类材料称为胶凝材料的紧要缘由；另一类则为氢氧化钙，约莫占水化产品总原料的20％，它不能给混凝土布局供应强度；但它的存在，为粉煤灰、磨细矿渣粉等等活性较低的胶凝材料供应了碱驱策的处境，氢氧化钙与它们中的硅酸盐产生二次反响生成低钙型水化硅酸钙。二次反响会耗费整私人系中的游离氢氧化钙，缩小了不能供应强度的材料，同时生成的低钙型水化硅酸钙也能供应强度，况且二次反响能在空间从新陈设水化产品，混凝土的布局更密实，既能供应强度，还能提升持久性，这是参加粉煤灰等等材料在后其能大幅提升强度和持久性的根根源因。

硅酸二钙也能施行水化反响，但由于它的钙含量少，其离子弊病少，因而对比硅酸三钙，它的水化反响速度慢，况且其生成的产品以低钙型水化硅酸钙为主，其初期强度不如硅酸三钙，尔后期强度比硅酸三钙更高。

值得留心的是，水化硅酸钙是水泥水化产品的一种统称，对于它的成分与水泥的矿物成分是不是同样的题目，人们并没有特地清楚的谜底；它们的原子陈设也不象晶体同样有规律，因此经常称它为胶体材料，况且它的形状又是固体，因此经常称为固凝胶。这类硅酸盐材估中，分子量很大，二氧化硅产生很大的网络，而各式阳离子又镶嵌在此中，与时时的小分子，好比氧化钙、氯化钠是不同的。为了在混凝土中论述便利，咱们经常用水化硅酸钙来称号它们，本质上，它们是分子布局稀奇繁杂的材料。正由于它们的繁杂，也带来了混凝土机能的繁杂性。

3、结语

在本文中咱们议论了水泥四种矿物成分中的三种矿物的水化过程，这些水化过程直接影响到混凝土材料与水来往着手的机能变动过程。研讨它们的目标在于把握混凝土材料从塑性状况到强硬状况混凝土机能的变动。

水泥浆体或混凝土在水泥材料的水化过程中始末的从塑性状况到强硬状况的过程是一个持续变动的过程，此中两个特别的状况咱们称为初凝状况和中断凝固状况，即咱们时常据说的初凝和终凝状况。时时情状下，水泥浆体或混凝土在还没有到达初凝状况以前很早的时间就已落空崎岖性，但仍旧处于软塑性状况，这是需求辨别的一个关键晓得点；同时由于铝酸三钙的特别性，假如管教不妥，会致使浆体闪凝，水泥浆体赶快推进崎岖性，并伴有大批放热；因此需求参加石膏来调动铝酸三钙的水化反响；其它石膏在高温下磨细时，大概失水生成半水石膏，则大概致使浆体假凝。这两种凝固是水泥水化中的反常凝固，需求咱们谨慎管教。闪凝和假凝经常会被人们误觉得是减水剂的缘由，觉得是减水剂与某种水泥不相容。但由于病在水泥身上，经常误觉得是减水剂这类药的题目，实例上减水剂不是药，这是需求咱们谨慎分辩的。

硅酸三钙和硅酸二钙的水化反响并产生水化硅酸盐凝胶，这些凝胶能够把骨料胶结在一同产生强度，反响的其它的产品是氢氧化钙，它不能供应强度，但能供应碱性处境让粉煤灰等等水化活性的低的胶凝材料能够产生二次反响，进一步为混凝土布局供应强度，也为混凝土布局供应持久性。但硅酸三钙、硅酸二钙以及粉煤灰、矿渣粉的性格是都有布局弊病，因此其水化反响是放热反响，可是由于其离子弊病数目不一，放热速度不同，放热量不一致云尔。硅酸三钙的放热速度最高、放热量也最大，构成混凝土布局内部温度抬高的根基。有测试数据赞成，在混凝土加水后36～40小时内部温度最高，极其情状下温度可高达80～90摄氏度。水泥水化是放热反响是关键特性，直接影响混凝土机能，还迫使咱们在混凝土工程中采用漫溢的办法来应对这一局面，咱们在别的博客文章中还会议论。

1混凝土机能，刘树华等译，开发产业出书社，年4月。

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