基于建筑材料水泥初期水化和溶解的研究

基于建筑材料水泥初期水化和溶解的研究

翁小利

身份证号码：44020319801220xxxx

摘要：水泥初期水化和溶解的研究是建筑材料应用水平提升的关键。水泥作为建筑主要材料一直受到人们的关注。水泥应用效果将会影响到建筑的整体质量。水泥初期水化和溶解过程中受到的影响因素较多，需要应用减水剂等添加剂起到缓凝的作用。

关键词：建筑材料；水泥；初期水化溶解

水泥初期水化和溶解需要添加适当地化学外加剂，特别是减水剂的应用能够提升水泥的质量。对于水泥初期水化和溶解的研究需要根据温度变化的不同进行综合考虑。

1.水泥初期水化

水泥由于能够生成水合物，才会凝结、变硬而成为结构材料。水泥和水混合在一起时，立即发生水化反应。水泥和水混合成水泥浆。水泥浆随时间的推移，会逐渐僵化、凝结，以致最后硬化。水泥水化是一个复杂的物理和化学过程。它包括水泥中某些成分的溶解。在解决方案和各种电解质离子相互作用的化学反应；在溶液和固体表面附近的水泥水化物和其他沉积物的形成；水合物的沉积物在固体表面的沉积和渗透膜的形成；通过渗透膜和沉积物的连续沉积的水泥组分的形成，不断溶解；的水合物晶体的生长和形态；水合物的晶体可以绕过固体颗粒，从而形成三维结构等。水泥的水化过程对最早的水泥材料的结构和性能有重要影响。因此，它一直是水泥工业的一个重要研究领域。直到最近，有关的研究工作仍然十分活跃。影响水泥水化的因素很多，包括：①水泥的组成、颗粒的细度；②水/水泥的重量比，叫做水灰比，用W/C表示，是一个经常使用的控制量；③外加剂的种类、数量及加入方式；④温度、湿度、搅拌情况等等。由于各研究者面对的水泥和添加剂组成的不同，以及研究手段的不同，使得研究结果难以取得一致，有的结论甚至矛盾。研究水泥水化过程的常用方法有：X一射线衍射、扫描电子显微镜、热分析技术、傅利叶变换红外光谱、电导、电泳、溶液中的吸附量测定技术等。用于研究水泥材料的微孔结构和力学性质的常用方法有表面积测定、汞渗入法以及有关抗压强度、折断强度和抗渗强度测量的各种专用设备。近几年，一些新的测量技术开始用于水泥水化的研究，例如环境扫描电镜、原子力显微镜、俄歇能谱、交流阻抗谱等等。它们突破了原有研究范围，给出了新的信息和见解，有助于加深对水泥水化过程的认识。

2.C3A的水化

铝酸三钙，C3A是水泥中最活泼的组分。它一旦和水混合，立刻发生水化作用，而且水化热高，水合物结晶性良好。因此，它的水化过程比较容易被追踪。在水泥中不含有硫酸钙时，GA直接和水反应生成组成为3Ca0•Al203•6H20的水合物。这是一个很快的放热反应，导致过快的硬化-闪凝。闪凝现象对材料的强度无贡献，所以应当避免。①用X一射线衍射技术研究。有CaS04•2H20、Ca（OH）2和CaC03存在时，C3A的水化作用引。他们首先用试剂级CaC03和高纯铝按计量比混合，溶解在25%硝酸中，然后经过蒸发，900℃分解硝酸盐，以及l350℃灼烧7d后得到纯的C3A。冷却后研磨到表面积为2500~3000cm2/g的细度。得到的纯C3A和Ca0、CaSO4•2H20等混合，加水后直接用x-射线衍射观察水化过程中晶相的变化。例如，当固相物是C3A：Ca0：CaS04•2H20=1：1：1的混合物时，控制水灰比w/C=1，观察到X一射线衍射随水化时间的变化情形，因此，C3A的水化过程可以用方程式表示为：

CaO+H20→Ca（0H）2

生成三硫酸盐水合物：

C3A+3CaS04.2H2O+26H20→C3A.3CaS04.32H20

转化成单硫酸盐水合物：

2C3A+C3A•3CaS04•32H20+10H20→3[C3A•CaS04•14H20]

3.C3S的水化

C3S是波特兰水泥的主要成分。指出在下面，C3S的水化产物可以控制水泥颗粒之间的键合作，填补空虚使它坚固耐用。因此，C3S的水化过程和水泥的力学性能有最密切的关系。另一方面，C3S水化产物的结晶度低，电子显微镜观察到它们在颗粒间以针状或棱柱状晶形出现。也有些研究证明，C3S水合物呈层状结构，层间包含水分子。水泥中钙离子会随着添加剂的使用掺量上会相对增加起到一定的抑制作用。

①C3S水化的五个阶段。依据C3S等温水化时得到的量热曲线，将水化过程划分为五个阶段，各阶段特征：

1阶段：C3S与水混合，立即水化反应。水相迅速饱和Ca（OH）2，溶液的pH值增加。阶段2：水合作用几乎没有诱导作用。这时，水化产物覆盖的未水化颗粒表面，阻碍了后者的进一步水化。诱导期约为4h，在诱导期结束时，水覆盖层厚度估计在2～100nm之间。阶段3：水化反应突然加速。在这一点上，Ca（OH）2开始结晶的过饱和溶液，而C3S露出新鲜表面和水化加速。诱导期结束时，溶液ph值下降。阶段4：水的反应速率减慢，成为扩散控制。阶段3和4使C3S的水量相同，但后者需要很长的时间。阶段5：水化继续，但速度慢得多。C3S的水化反应方程可以近似2[3Ca0•SiO2]+6H20→Ca0•2Si02•3H2O+3Ca（OH）2但是，由于硅酸钙水合物的结晶性差，并且是非计量化合物，上述化学方程式只是一个近似表达式。例如，关于高纯度C3S水合物的研究证明，它的CaO/SiO2摩尔比在1.4~1.5之间。

4.凝结和硬化

水泥水化过程中，随着时间的推移，水泥浆开始僵化，僵化发展到一定程度，就开始凝结，这个状态称作初凝。依据水泥的类型，初凝在水泥和水混合后的l-3h之间发生。初凝开始，水泥浆进入凝结阶段。在C3A和石膏间的反应对凝结阶段起着决定性的作用。如前所述，它们首先生成ettringite，在水泥颗粒表面形成很薄的一层棱柱状细小晶体。这些晶体过于细小而不能在颗粒间搭桥形成固相结构。这时候，颗粒间仍然可以移动，水泥浆的粘度仍然不大。凝结可能ettringite的重结晶引起：大的晶粒继续生长而小的晶粒溶解。当较大的颗粒连接到水泥颗粒之间的桥梁时，凝结开始。凝固过程的时间是硬化的。C3S和C2S快速缓慢水化硬化水泥起着决定性的作用。在硬化过程中，氢氧化钙析出，在水泥中形成大的结晶。硬化只在诱导期之后才发生。此时，长纤维状硅酸钙在充满水的混凝土颗粒之间形成空间，并赋予水泥一定的强度。同时，空间充满了硅酸钙和铝酸钙晶体，孔隙率降低。结果，基本结构得到充实，强度增加。在实验室合成四种不同成分的水泥烧结块，分别加入无水、半水和二水合硫酸钙，并研磨到同样的细度[Blaime表面积（300±10）m2/k]。这样，一共制得l4种水泥样本，分别研究了它们的凝结现象。研究方法包括SEM、XRD、水化度测定等。对通常的波特兰水泥（C3S：69.9%，C2S：11.1%，C3A≈C4AF：9.5%），凝结时间随W/C比增加而延长，相应的孔隙率也增加。凝结过程中C-S水合物明显增加，而C3A和C4AF水化物无明显增加。初凝和终凝时水泥浆的SEM观察表明所生成的水合物是高度分散的无定形固体，无明显的结晶水合物存在。另一方面，在C3A高含量（30%）的水泥水化时，当S042-含量为1.5%（来自硫酸钙）时出现快速凝结现象，即在和水混合数分钟后即发生凝结。XRD和DTA测量显示该水泥浆中除ettringite外尚有大量铝铁酸钙的单水合物，同时C3S没有明显的消耗。当S042-含量为3.O%和4.5%时，水泥浆显示"假"凝结现象，类似于初始僵化，它可以通过强烈搅拌予以克服。由测试分析知，这种现象主要来自于ettringite的生成。在水泥样品终凝前，C3S消耗量和（C3A+C4AF）消耗量之间成反比；同样C-S水合物和ettringite生成量之间也成反比。这意味着为了达到终凝，必须生成一定量的水合物，但究竟是硅酸钙或是铝硫酸钙水合物并不重要。但在通常的水泥中，前者应该是主要产物。

结束语

水泥通过与水的接触将会实现水化，并且内在温度也会不断地提升。在水泥初期水化的过程中PC等会产生限制的作用，在一定程度上能够控制水化放热速度，使水泥的温度持续的降低。特别是添加减水剂之后能够增强水泥初期水化抑制的作用。水泥中钙离子会随着添加剂的使用掺量上会相对增加起到一定的抑制作用。PC材料中富含阴离子型表面活性剂，在溶解的过程中分解出的阳离子自身会带有负电，水泥初期水化表面也会带有这种负电，抑制水化溶解之后的水泥温度增高。

参考文献：

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