硅酸盐水泥熟料矿物的水化？硅酸盐水泥的凝结硬化

1．硅酸盐水泥熟料矿物的水化

水泥颗粒与水接触，在其表面的熟料矿物立即与水发生水解或水化作用（也称为水泥的水化）形成水化产物，同时放出一定热量。硅酸三钙水化很快，生成的水化硅酸钙几乎不溶于水，而立即以胶体微粒析出，并逐渐凝聚称为凝胶。在电子显微镜下可以观察到，水化硅酸钙是大小与胶体相同的、结晶较差的、薄片状或纤维状颗粒，称为C-S-H凝胶。水化生成的氢氧化钙在溶液中的浓度很快达到过饱和，并呈六方晶体析出。水化铝酸三钙为立方晶体，在氢氧化钙饱和溶液中，它能与氢氧化钙进一步反应，生成六方晶体的水化铝酸四钙。为了调节水泥的凝结时间，水泥中掺有适量石膏。水化时，铝酸三钙和石膏反应生成高硫型水化硫铝酸钙（称为钙矾石，CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O，以AFt表示）和单硫型水化硫铝酸钙（CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O，以AFm表示）​。生成的水化硫铝酸钙是难溶于水的针状晶体。

综上所述，如果忽略一些次要的和少量的成分，则硅酸盐水泥与水作用后，生成的主要水化产物有：水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶、氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。在充分水化的水泥石中以质量分数论，C-S-H凝胶约占70%, Ca（OH）2约占20%，钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙约占70%。

2．硅酸盐水泥的凝结硬化

硅酸盐水泥用适量的水调和后，最初形成具有可塑性的浆体，随着时间的增长，失去可塑性（但尚无强度）​，这一过程称为初凝，开始具有强度时称为终凝。由初凝到终凝的过程称为水泥的凝结。随着水化进程的推移，水泥浆凝固成具有一定的机械强度并逐渐发展而成为坚固的人造石—水泥石，这一过程称为“硬化”​。水泥的凝结和硬化是人为划分的，实际上是一个连续变化的复杂的物理化学过程。水泥的凝结硬化一般按水化反应速率和水泥浆体结构特征分为：初始反应期、潜伏期、凝结期和硬化期4个阶段。

（1）初始反应期

水泥与水接触后立即发生水化反应，C3S水化生成的Ca（OH）2溶于水中，溶液pH值迅速增大至13左右，当溶液达到过饱和后，Ca（OH）2开始结晶析出。同时暴露在颗粒表面的C3A溶于水，并与溶于水的石膏反应，生成钙矾石结晶析出，附着在水泥颗粒表面。这一阶段大约经过10min，约有1%的水泥发生变化。

（2）潜伏期

在初始反应期之后，有1～2h的时间，由于水泥颗粒表面形成水化硅酸钙凝胶和钙矾石晶体构成的膜层阻止了与水的接触，使水化反应速度很慢，这一阶段水化放热小，水化产物增加不多，水泥浆体仍保持塑性。

（3）凝结期

在潜伏期中，由于水缓慢穿透水泥颗粒表面的包裹膜，与熟料矿物成分发生水化反应，而水化生成物穿透膜层的速度小于水分渗入膜层的速度，形成渗透压，导致水泥颗粒表面膜层破裂，使暴露出来的矿物进一步水化，从而结束了潜伏期。水泥水化产物体积约为水泥体积的2.2倍，生成的大量的水化产物填充在水泥颗粒之间的空间里，水的消耗与水化产物的填充使水泥浆体逐渐变稠直至失去可塑性而凝结。

（4）硬化期

在凝结期以后，进入硬化期，水泥水化反应继续进行使结构更加密实，但放热速度逐渐下降，水泥水化反应越来越困难。在适当的温度、湿度条件下，水泥的硬化过程可持续若干年。水泥浆体硬化后形成坚硬的水泥石，水泥石是由凝胶体、晶体、未水化完的水泥颗粒及固体颗粒的毛细孔所组成的不匀质结构体。

水泥硬化过程中，最初的3d强度增长幅度最大，3d到7d强度增长率有所下降，7d到28d强度增长率进一步下降，28d强度基本达到最高水平，28d以后强度虽然还会继续发展，但强度增长率却越来越小。