C3S水化特性

C3S：硅酸三钙(50~70%)C2S：硅酸二钙(18~30%)C3A：铝酸三钙(5~12%)C4AF：铁铝酸四钙(5~8%)其中：硅酸钙占70%以上另外还有石膏相（CaSO4）和游离氧化钙（f-CaO）和碱相（K2O＋Na2O）等。硅酸盐水泥熟料的矿物组成1、C3S和C2SQCHHSCHSCSC)(23一、C3S、C2S和C3A的水化产物及特性222223)(a23OHCCHOHHSiOCaOSCSiOCaOSC(1)化学反应C-S-H凝胶属无定形体，不能用固定式表示。(2)C3S和C2S的水化产物占水泥水化产物的70%；结晶度很差，是各维度上都非常细小的，属于胶体尺寸范围(小于1微米)的粒子组成。其是水泥基材料强度的来源和耐久性的保障。C-S-H凝胶C-S-H凝胶的分类：无确定组成，无定形的材料，产物的生成形态多变(4种)。微观结构名称形貌名称形成时间未名物开始几天Ⅰ型C-S-H(针状)扩散控制阶段外部(产物)基体质早期产物Ⅱ型C-S-H(网状)诱导期期间内部(产物)显粒子Ⅲ型C-S-H(等大或扁平)中间阶段，开始2-3周后期产物Ⅳ型C-S-H(球状)后阶段，几周-几个月Ca(OH)2/CH钙氧占浆体固体体积的20%~25%。层状结构、结构层内为离子键，结构层之间为氢键，片状晶体。由于CH的结构和形状，决定了它对水泥石的强度贡献很少。其层间较弱的联结，可能是水泥石受力时裂缝的发源地和侵蚀离子的快速通道。水泥水化产物稳定存在的pH临界值C-S-HC-A-HAFt、AFmCH钢筋钝化膜10.411.410.712.2311.5A、CH的作用是水泥石的主要组成，是维持水泥石碱度的重要组成，是其他水泥水化产物稳定存在的重要前提。属于层状结构，易于产生层状解理，大量存在于集料与水泥石的界面，影响混凝土的强度和耐侵蚀性能(抗钢筋锈蚀性能、抗碳化性能、抗溶蚀性能、体积变形性能等密切相关)，被视为混凝土中的“薄弱环节”。B、CH的不利影响石膏存在：C3A＋3CSH2(石膏)＋26H＝C6AS3H32钙矾石(AFt)石膏不足：C6AS3H32＋2C3A＋4H＝3C4ASH12单硫型硫铝酸盐(AFm)OHCaSOHSCOAlCaOAC242323232、C3A(1)化学反应AFtAFt：针棒状晶体(2)C3A的水化产物AFt的形成常常伴随着明显的体积膨胀，水化期间，控制AFt的形成，由此产生的膨胀是补偿收缩水泥的基本原理C-S-HAFtCH需要掌握的知识1、C3S、C2S与C3A的水化产物及特性；2、C3S、C2S与C3A水化特性的区别；3、C3S的水化过程。AFm：六方薄板状或不规则花瓣状AFm√AFmAFm1、水化速度C3A＞C4AF＞C3S＞C2S(24h：大约有65%的C3A水化，C3S水化50%左右)二、C3S、C2S与C3A水化的比较2、放热量C3A＞C3S＞C4AF＞C2S(特别是早期)思考题：如何设计低水化热硅酸盐水泥？？？？？大体积混凝土冰3、抗压强度C3S＞C2S＞C3A＞C4AF在水泥混凝土中作用：C3S早期强度来源；C2S后期强度来源。4、耐化学侵蚀性C4AF＞C2S＞C3S＞C3A5、体积收缩C3A＞C3S＞C4AF＞C2S需要掌握的知识1、C3S、C2S与C3A的水化产物及特性；2、C3S、C2S与C3A水化特性的区别；3、C3S的水化过程。√硅酸盐水泥的矿物组成中，C3S的质量分数占50-70%，是水泥的主要矿物，研究C3S的水化，可以模拟或指导水泥的水化。这也是科学研究中常用的研究方法（层析法）。水泥化学家把C3S水化模型作为水泥水化的模型。利用量热计来测量C3S加水后的水化放热反应用分析化学方法测定C3S浆体中液相内的[Ca2+]的浓度和pH值用电子显微镜观察水化产物的生成形态三、C3S的水化过程1、研究方法2、C3S的水化过程诱导前期：加水后立即发生急剧化学反应，但持续时间较短，在15min.内结束。诱导期：反应速率极其缓慢，持续2~4h（水泥浆体保持塑性）。初凝时间基本相当于诱导期的结束。加速期：反应重新加快，反应速率随时间而增大，出现第二个放热峰。在达到峰顶时本阶段即告结束（4~8h），此时终凝时间已过，水泥石开始硬化。减速期：水化衰减期，反应速率随时间下降的阶段（12~24h），水化作用逐渐受扩散速率控制。稳定期：反应速率很低，反应过程基本趋于稳定，水化完全受扩散速率控制。硬化浆体的性能与水化早期浆体结构形成密切相关，诱导期的终止时间与浆体的初凝时间相关，而终凝大致发生在加速期的终止阶段。人们对于C3S早期水化进行的大量研究，主要是围绕着形成诱导期的本质这个关键问题进行的。3、C3S的水化诱导期产生机理C3S在水化初期形成的水化物的Ca/Si高，逐渐在未水化的C3S周围形成一个致密的保护膜层，从而阻碍了C3S的进一步水化，使放热速率变慢，Ca2+向液相中溶出的速率降低，并导致诱导期开始。当初始水化物由于相变等原因转化为渗透性较好的二次水化物时，致使保护层区的渗透率提高，因而水及溶出离子又逐渐通过膜层而使水化速率加快，导致诱导期结束而进入加速期。（1）保护膜假说（H.N.Stein等）但20世纪80年代，人们用电子光学能谱仪观察，发现C3S整个表面受水侵蚀的情况并不是均匀的，需要经过一段时间才发育出可以观察到的水化产物，致使保护膜理论受到怀疑。（2）富硅双电层和Zeta电位理论(Skalny&Young)当C3S与水接触后在C3S表面有晶格缺陷的部位即发生水解，使Ca2+和OH-进入溶液，溶液中的Ca2+被该表面吸附而形成双电层，它导致C3S溶解受阻而出现诱导期。在C3S粒子表面形成一个缺钙的富硅层但由于C3S仍在缓慢水化而使溶液中CH浓度继续增高，当达到一定的过饱和度时，CH析晶，双电层作用减弱和消失，因而促进了C3S的溶解，这时诱导期结束，加速期开始。C3S的中期水化主要是减速期，后期水化主要是稳定期。这两个阶段对水泥的性能，如强度、体积稳定性、耐久性等的影响十分重要。主要集中讨论一个问题：浆体硬化后，C3S又将如何继续水化？4、C3S的中后期水化机理H.F.W.Taylor教授认为：后期水化不是通过离子在溶液中扩散，而是通过离子在固体中的移动和重排来实现。H+由液相进入内C-S-H，迁移至界面区，直至未水化的C3S表面，使硅酸盐离子质子化；界面区的Ca2+和Si4+向外迁移进入液相，参与沉淀反应，外产物继续形成。界面区获得H+，失去Ca2+和Si4＋，原子重新排列后形成C-S-H凝胶，界面不断内移。