5.1.4硅酸盐系列水泥的水化与凝结硬化

5.1.4　硅酸盐系列水泥的水化与凝结硬化

（1）硅酸盐系列水泥的水化　水泥加水拌和后，水泥颗粒立即分散于水中并与水发生化学反应，生成水化产物并放出一定的热量。可近似用如下反应式表示：

在四种水泥熟料矿物成分中，C₃A（铝酸三钙）水化最快，能使水泥瞬间产生凝结。为了方便施工，通常在水泥熟料中加入掺量为水泥质量3％～5％的石膏，目的是为了缓凝。其原理为：石膏与C₃A的水化产物水化铝酸三钙发生二次反应，生成难溶于水的水化硫铝酸钙（又称钙矾石）针状晶体。钙矾石沉积在水泥颗粒表面，阻止了水分的进入，降低了水泥的水化速度，从而减缓了水泥的凝结时间。反应式如下：

（2）硅酸盐系列水泥的凝结硬化　硅酸盐水泥加水拌和后，水泥颗粒表面开始与水发生化学反应，逐渐形成水化物膜层，此时的水泥浆既有可塑性又有流动性。随着水化反应的进行，水化物增多、膜层逐渐长大增厚，并互相接触连接，形成疏松的空间网络。水泥浆体逐渐变稠失去流动性，产生“初凝”。随着反应的继续进行，生成较多的凝胶体和晶体，使网络结构不断加强，水泥浆完全失去可塑性并开始产生强度，即为“终凝”。水化产物不断填充毛细孔，生成具有一定强度的水泥石，这一过程即为“硬化”。水泥的凝结、硬化是人为划分的，实际上是一个连续、复杂的物理、化学变化过程。硅酸盐水泥与水拌和后的水化凝结硬化过程，如图5.3所示。

图5.3　水泥凝结硬化过程示意图

（a）水泥颗粒分散在水中；（b）水泥颗粒表面形成水化物膜层；

（c）膜层长大并相互连接（凝结）；（d）水化继续，水化物填充毛细孔（硬化）

1-未水化水泥颗粒；2-水分；3-水泥凝胶体；4-氢氧化钙等晶体；5-水泥颗粒未水化内核；6-毛细管孔隙

硬化后水泥石由未水化的水泥颗粒、凝胶体、晶体、水（自由水和吸附水）和孔隙（毛细孔和凝胶孔）所组成。

（3）影响硅酸盐系列水泥凝结硬化的因素

1）水泥的熟料矿物组成。水泥熟料中各种矿物组成的凝结硬化速度不同，当各矿物的相对含量不同时，水泥的凝结硬化速度就不同。当水泥熟料中硅酸三钙、铝酸三钙相对含量较高时，水泥的水化反应速率快，凝结硬化速度也快。

2）水泥细度。水泥颗粒越细，水化时与水接触的表面积越大，水化反应速度越快、水化产物越多、凝结硬化也快，早期强度也越高。但水泥颗粒过细，会增加磨细的能耗和成本，且不宜久存，过细水泥硬化时还会产生裂缝。

3）拌和用水量。水泥用量不变的情况下，增加拌和水用量，会增加硬化水泥石中的毛细孔，使其强度降低。另外，增加拌和用水量，会增加水泥的凝结时间。

4）环境的温度和湿度。温度对水泥的凝结硬化有明显影响。温度越高，水泥凝结硬化速度越快；温度降低，凝结硬化速度减慢。当温度低于0℃时，水泥水化停止，并有可能在冻融的作用下，造成已硬化的水泥石破坏。因此，混凝土工程冬季施工要采取一定的保温措施。

周围环境的湿度越大，水分越不易蒸发，水泥水化越充分，水泥硬化后强度也越高；若水泥处于干燥环境，水分蒸发快，水泥浆体缺水使水化不能正常进行，甚至水化停止，强度不再增长。因此，混凝土工程在浇注后2～3周内要洒水养护，以保证水化时所必需的水分。

5）龄期。水泥水化是由表及里逐步深入进行的。随着时间的延续，水泥的水化程度不断增加。因此，龄期越长，水泥的强度越高。一般情况下，水泥加水拌和后的前28d水化速度较快，强度发展也快；28d之后，强度发展显著变慢。但是，只要维持适当的温度与湿度，水泥的强度在几个月、几年，甚至几十年后还会继续增长。工程中常以水泥28d的强度作为设计强度。