水泥水化科学：从理论到实践的全面解析

该视频解释了水泥的典型氧化物组成和相组成。提供了熟料的外观和每种 Bogues 化合物的简要说明。提供了基于 ASTM、BIS、EN 等不同标准的水泥分类。解释了水泥的水化和所涉及的反应、水化热和热峰。还解释了水化的重要产物（CSH、CH、AFm、AFt）的微观结构。还解释了混凝土的可加工性和固化。

水泥化学概述：水泥的水化

https://www.youtube.com/watch?v=x6KFA9dQ--Y

以下是演讲的中文翻译：

简介

重要的是要理解水泥与水反应的过程，这个过程称为水化反应。水化反应是放热的，它释放热量，水化热取决于每个单独的化合物以及它们的形态。

为什么形态很重要？

因为形态的不规则程度可能会因窑内的加工类型而有所不同。这些都是我们在水泥化学中详细学习的内容，但现在我们不会深入探讨。

每种化合物的热量释放速率不同，C3S和C3A释放的热量最大。这些热量以每克焦耳表示，这是1克材料反应时的总热量。

热量释放速率

需要从不同的角度来看待热量释放速率。1克材料可以释放500焦耳的热量，但速率是多少？C3A和C3S在早期阶段释放大量热量，因此我们需要了解热量释放模式，不仅是总热量，还有热量释放速率。

热量释放峰值

在早期阶段，如果水泥释放大量热量，混凝土温度会不断上升。即使热量释放速率较低，总热量仍在增加。热量释放与反应量直接相关，反应越多，热量越多。

实际意义

这对于理解混凝土和大型结构元素的行为具有实际意义。何时拆除模板？特别是在大体积混凝土中，这可能是一个相当具有挑战性的决定。拆除多余的模板时，如果热量释放速率仍然很高，内部混凝土继续释放热量，而表面混凝土向外界散热，可能会导致裂缝，因为核心与表面的温差。

施工规范

许多施工项目的规范是基于过去的施工经验编写的，例如在24小时后拆除模板并开始养护。但对于许多大体积混凝土结构，这一方法并不适用。24小时可能是混凝土核心温度最高的时候。因此，在设计大截面混凝土时，需要进行温度测量。

热量释放曲线的峰值

混合水泥和水后，会有一些初始的CSH形成，这是湿润热。任何粉末在湿润时都会释放初始热量，即使是将水混入面粉中。虽然我们无法测量这种热量释放，但仍然存在，因为任何颗粒的表面原子处于高能量状态。当水接触表面时，水和表面原子之间的界面能量降低，多余的能量以热量形式释放。

休眠期

然后是休眠期，此期间热量释放速率较低，但热量仍在不断释放。休眠期的意义在于保持混凝土的可操作性。如果水泥开始凝固和硬化，混凝土将失去可操作性。休眠期决定了混凝土的可操作时间。

主要峰值

在休眠期结束时，热量释放速率突然增加，达到主要峰值，C3S形成CSH，C3A与石膏结合形成钙矾石。反应速度减慢，但热量仍在不断释放，热量继续积累。

水化反应

硅酸盐（C3S和C2S）与水反应生成CSH和氢氧化钙。我们称CSH为凝胶，因为它没有明确的晶体结构，也不是完全无定形的。CSH的钙硅比在1.5到2之间。

铝酸盐反应

在没有石膏的情况下，铝酸盐迅速水化形成铝酸钙水合物，这种现象称为闪速凝结。在有石膏的情况下，铝酸盐与硫酸盐反应形成钙矾石和单硫酸钙，根据系统的总体成分不同而有所变化。钙矾石的形成会导致膨胀，但在混凝土仍然可塑和可模塑的早期阶段，这种膨胀不会有任何问题。

但是想象一下，如果这种反应在长期内发生会怎样。如果你的混凝土处于富含硫酸盐的土壤中，这些硫酸盐进入混凝土并与铝酸盐反应形成钙矾石，会发生什么？膨胀，然后开裂。膨胀会导致开裂。因此，如果存在富含硫酸盐的土壤和水源，就需要避免长期形成钙矾石。这就是为什么抗硫酸盐水泥的C3A含量低。较低的铝酸盐意味着钙矾石形成的可能性较小。我不会深入探讨这一系列反应的细节。

反应细节

你不需要记住化学公式等。这只是为了让你理解有各种可能的反应。这些反应是近似的，并不精确。为了平衡方程式，写出了非常完整的反应，但实际情况并非总是如此。

钙矾石有一个非常有趣的结构。你可以看到它含有大量的水合水。H是H2O，不是氢。H32意味着钙矾石结构中有32个水分子。同样，CSH也有水合水。那么，当你加热水泥浆或混凝土时会发生什么？这些水会被去除。当你将水泥与水混合并水化时，会形成这些产物。如果你加热相同的水泥浆，它会慢慢释放出存在的水。这些产物释放水的温度不同。CSH在低于300摄氏度时失水。钙矾石在100到120摄氏度时失水。氢氧化钙在450到500摄氏度时失水。

这是一种非常重要的技术，称为热分析，用于了解水泥或水泥浆的整体成分。你只需将材料加热到不同的温度范围。那么，在火灾情况下混凝土会发生什么？随着温度升高，不同的相会脱水。

火灾中的剥落

为什么火灾中会发生剥落？为什么脱水会导致剥落？水分试图通过细孔出来。当水分转化为蒸汽时，体积膨胀，迅速通过孔隙出来，导致剥落。因此，混凝土的整体劣化会在较大的温度范围内发生，但剥落可能会很早开始。

水化产物的演变

随着水化的进行，CSH和氢氧化钙的含量最多，这是预期的，因为大部分水泥是硅酸盐。硅酸盐反应生成CSH和氢氧化钙。钙矾石逐渐转化为单硫酸钙，随着显著水化的发生，大部分钙矾石已经转化，你还可能形成其他铝酸盐水合物。

水化产物的形成

在早期阶段，水泥颗粒分散在水中。只有在水泥颗粒的边缘发生水化。随着水化的进行，越来越多的颗粒开始向外溶解，形成更多的水化产物。结果，间隙空间不断减少，水填充的空间不断减少。换句话说，随着水化的进行，孔隙率会不断降低。

低水灰比的影响

如果系统中有更多的水泥，意味着选择了低水灰比。低水灰比意味着水泥占据的空间比高水灰比混合物更多。那么会发生什么？更多的水泥意味着更多的热量释放。现在可用于形成水化产物的空间更少。换句话说，孔隙率的降低会很早开始。长期来看，可能没有足够的空间进行水化。这意味着水化不完全。降低水灰比会减少水化。

强度与孔隙率的关系

强度取决于水化，但降低水灰比会减少水化。为什么强度会增加？颗粒堆积增加，但更重要的是孔隙率的降低更快。强度取决于孔隙率，孔隙率越高，强度越低。

补充水泥材料的利用

在低水灰比系统中，孔隙率较低，强度较高，但水化较少。这意味着有大量水泥作为填料存在。为什么要浪费水泥作为填料？可以用补充材料替代。因此，理解整体情况很重要。

养护的重要性

这并不意味着低水灰比的混凝土不需要养护。养护是为了减少孔隙率和渗透性。随着水化的进行，孔隙率和孔隙的连通性都会减少，因此渗透性降低。这就是我们进行养护的原因。

我们希望通过养护来确保系统中的孔隙率和渗透性降低。显然，当孔隙率下降时，强度会增加。当然，在混凝土尚未凝固时，强度没有实际意义。只有在凝固完成后，强度的发展才真正被考虑。

快速展示一下水化产物的结构。你的CSH基本上是这些松散定义的结构。定义明确的晶体结构可能是钙矾石。大的晶体成分可能是氢氧化钙。大的晶体成分是氢氧化钙。另一张显示CSH纤维状松散凝胶状结构的图片。更多关于CSH的图片。正如我所说，氢氧化钙是定义明确的晶相。

氢氧化钙

它具有六方晶形，由于其定义明确的笨重形状，表面积较低。另一方面，CSH由于其纤维状形状，表面积非常高。因此，当你将氢氧化钙转化为CSH时，你占据孔隙的能力增加。这意味着什么？如果我有火山灰反应，将氢氧化钙转化为CSH，这意味着越来越多的孔隙可以被CSH堵塞。这就是为什么使用火山灰材料时耐久性提高的原因，因为你的孔隙变得越来越细。随着孔隙变细，水和其他化学物质不能轻易进入孔隙。渗透性降低。我们稍后会回到这个话题。

钙矾石、单硫酸钙都是高度晶体成分。你可以在整个微观结构中找到这些成分的分布。更多关于钙矾石和单硫酸钙的图片。这些都是通过扫描电子显微镜拍摄的，因为你需要SEM的分辨率才能达到这个水平。光学显微镜无法达到这种成像程度。

孔隙和气泡

这非常重要。混凝土中的孔隙和气泡的性质是什么？如果你从10毫米到0.001微米或1纳米的尺度来看，混凝土中的各种混合物都在这个范围内。显然，在这个范围内你有骨料。细骨料的粒径可达约150微米，粗骨料为5毫米及以上。

夹杂气泡

混合混凝土时，你会振动它，但不可能完全消除混合物中的所有空气。所以会有一些空气被夹杂。一些空气也可能因为泌水而被夹杂。什么是泌水？水上升到表面，因为它是最轻的。有时它可能会被夹在骨料下，形成我们称之为泌水镜片的东西，这正是后来会变成空隙的原因。但这不是气泡，而是泌水镜片，但它的大小与典型的夹杂气泡相同，几毫米大小。

引入气泡

然后你有引入的气泡。什么是引入气泡？是为了在特定环境下（如冻融）提高性能而故意引入系统的空气。你加入这些化学外加剂，它们会引入空气，我们稍后会讨论。引入气泡的大小从几十微米到约1毫米不等。

在水泥浆中，水化产物可能在不同的尺度上。氢氧化钙晶体的粒径为几微米。CSH颗粒的聚集体也是几微米。毛细孔的粒径从1微米到约10纳米不等。毛细孔的范围很大。什么是毛细孔？毛细孔不同于引入或夹杂的气泡。毛细孔或毛细管孔隙，这些是孔隙。孔隙基本上是存在于浆体中的长连续空隙。而夹杂和引入的气泡是存在的离散空隙。毛细孔更像是毛细管孔隙。如果进一步看，CSH片之间的粒间间距为几纳米。这一范围称为凝胶孔。存在于CSH凝胶中的孔隙。这些是毛细孔，然后是凝胶孔。因此，系统中气泡和孔隙的大小变化很大，从1纳米到几毫米不等。这种异质性使混凝土非常复杂。这种异质性是问题所在，因此我们无法完美预测其性能。

混凝土的工作性

现在这是一个关于混凝土性能的简单回顾。你知道，工作性定义为混合、放置、压实和抹平的容易程度。没有单一的测试可以测量所有这些方面。我们使用坍落度测试，但这并不能给你一个完整的图景。具有良好坍落度的混凝土不一定是易于泵送的混凝土。通常你可以设计这样的混合物，但不一定总是相关的。有不同的方法来测试工作性，但当然没有人再关心压实因子了。但对于较硬的混合物，你可以使用流动台测试或VB测试，因为坍落度为0，所以你可以使用流动台或VB测试。

一致性测量的比较

你的IS指南给出了不同类型混合物在这些测试之间的一些相关性。但这些天来，所有这些实际上几乎都被淘汰了，因为越来越多的工作应用正在转向流动性混凝土。当然，有些应用需要零坍落度混凝土，例如碾压混凝土，但大多数涉及常规结构的混凝土应用正在转向自密实混凝土，因为它显著简化了应用。

浇筑注意事项

现在混凝土的浇筑必须直接到位，而不是放在一个位置并尝试耙平，因为你不想引起分离。因此，你需要确保混凝土几乎垂直倒入，而不是倾斜倒入，以避免骨料与混凝土分离。因此，需要注意分离和泌水。分离只是浆体和骨料的分离，泌水是水从混合物中分离出来。当你没有设计好混合物时，或者有时当你过度振动混凝土时，都会发生这些情况。当你过度振动时，会导致分离和泌水。当然，从获得正确的压实水平的角度来看，振动是绝对重要的，因为如果你没有很好地压实，你就不会得到你所期望的性能。你有不同类型的振动器，外部的、内部的、表面的、模板振动器等等。

抹平操作

抹平紧随压实之后，有各种抹平的方法。这些天来，抹平正在引领混凝土技术的全新科学。

抹平操作

抹平紧随压实之后，有各种抹平的方法。这些天来，抹平正在引领混凝土技术的全新科学，即纹理混凝土。实际上，现在的纹理处理已经达到了在混凝土表面上放置照片的水平，就像在蛋糕上做装饰一样。就像蛋糕上的糖霜一样，他们在混凝土上也可以放置人们的照片。这些都是当今混凝土的非常专业的应用。

有各种不同的工具可用。当我们实际处理含矿物添加剂的混凝土时，我们会讨论一些这些工具及其重要性，特别是在抹平操作方面需要非常仔细地考虑。

只是给你们展示一些图片，我相信你们大多数人都有使用这些设备的经验。

混凝土的养护

当然，混凝土的养护对于获得所需的水化水平非常重要，但从养护的角度来看，养护更多是为了耐久性，而不是强度。始终记住，养护对耐久性很重要。

现在很多人似乎认为在现场养护混凝土是为了保持混凝土温度低。这是不正确的。你不想在热混凝土上倒冷水。这是一个坏主意。这是现场人员头脑中的一个错误观念，他们认为通过倒水来降低温度。这不是目的。目的是确保有水源，以确保混凝土在水化过程中不会干燥。

有各种养护方法，显然稍后会讨论一个重要的话题，即使用成膜化合物或养护化合物，这些化合物现在在许多工地上应用，因为养护用水并不容易获得。

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