水泥水化研究综述

水泥水化研究综述　邓绍云　（新疆应用职业技术学院，新疆奎屯８３３２００）　：ｌ＝　摘要：就现代建筑发展的趋势，建筑材料的研制、开发和利用的发展方向，指出了水泥将是现在及今后一段时间　内非常重要的建筑材料之一，并指出了研究其水化特性的重要性、必要性和关键性。阐述了水泥水化的普遍特性；　回顾了国内外对水泥水化特性的研究历程，并总结了水泥水化特性研究现状与成果；预见了水泥研究的发展趋势　与方向，并对高性能水泥的研发指明方向。　关键词：水泥；水化反应；特性；研究现状　Ｏ引言　混凝土是目前应用较为广泛的建筑材料，而作为　配制混凝土的重要胶凝材料构成的水泥，对于混凝土　的性能和应用起着很大的决定性作用。一方面。它是　混凝土集料之一；另一方面，它是混凝土其他集料的　联结者和包裹者。水泥的性能决定了混凝土的性能，　故其研究非常重要。虽其发明历史不久，但因其重要　性，人们对其高度重视，并大力加以研制和应用，且随　开发水泥和推广应用。　１．１反应性质研究　水泥的水化是指其各组分物质与水所起的化合　作用，及各物质从无水状态转变为含结合水状态的反　应过程，包含水解和水合两个阶段。其反应过程是非　常复杂的．反应数目众多，各个反应从性质上可归类　为：化学反应和物理化学反应两种…。先是物理反应，　水泥加水后，水泥的组分进一步细化、分散、乳化和融　化等等，水泥的颗粒尺寸逐渐减小，由肉眼可见到微　粒化，甚至微纳米化。接下来，因其组分的细化、微观　化、被水包裹化，与水充分接触，进而发生水化反应，　先后生成有各种产物，这些产物，由无到有。有少到　多，由单一到复杂多种，逐渐增大、繁多并扩展开来，　时代和科技的发展而发展，推陈出新，永无止境。　１研究现状　传统意义上的水泥是指粉状水硬性无机胶凝材　料，加水拌合后将成为浆体，能在空气中硬化或者在　水中更好地硬化，并能将散状的砂、石等集料牢固地　胶粘结合在一起。Ｃｅｍｅｎｔ一词是由拉丁文ｃａｅｍｅｎｔｕｍ　且互相交织，组成复杂的结构体。然后，从一定程度整　体进入物理变化过程，多余的水分逐步挥发散去，各　生成物晶体生长并变化结构，交织成网状复杂的空间　结构体系，由流塑状态逐渐过渡并进入塑性状态，最　终硬化成固态的水泥石。这是一个极为复杂的过程，　发展而来，是碎石和片石的意思，即引申为将碎石和　片石结合在一起的物质。早期石灰与火山灰的混合物　与现代的石灰火山灰水泥很相似，用它胶结碎石制作　混凝土，其硬化后的强度较高，且能较好地抵制淡水　或盐水的侵蚀。水泥作为目前最为常见和重要的胶凝　材料，广泛应用于土建和水利甚至国防等建设工程　中。然而，人们应用水泥看重的是水泥和水拌合后发　生一系列反应后所产生的水泥石，故必须对水泥的水　物理化学反应，交织进行，互相穿插在一起，相互影　响，互为条件与前提。水泥浆体和最终的水泥石，是一　种极为复杂的、多相、多孔各向异性的物体。对其的微　观结构的研究是探究其宏观性能和物理力学特性的　前提和条件，也只有在对其微观结构清楚准确认识后　才能对其宏观性能、物理力学性能很好地把握。　化进行科学研究以便更进一步了解水泥、改进水泥、　基金项目：新疆高职教改课题“建筑材料课程教学改革”（２０１３１１）；新疆应用职院精品课程《建筑材料》建设项目　（ｘＹｚＪＸ２Ｏｌ４ＪＫ０８）　广东科技２０１５　３第６期６１　ＩＩ应用技术研究园地　１．２水化产物研究　水泥水化产物，因水泥种类的不同而应有所不　同。人们常用的普通硅酸盐水泥的水化产物一般指其　四种主要的熟料矿物与水反应后所生成的物质。①硅　酸三钙水化，在常温下其水化反应生成水化硅酸钙　（ｃ—ｓ—Ｈ凝胶）和氢氧化钙。②硅酸二钙的水化，其水　化与硅酸三钙相似，只不过其水化速度较慢而已，所　形成的水化硅酸钙在Ｃ／Ｓ和形貌方面与Ｃ３Ｓ水化生　成的都无大区别，故也称为ｃ—ｓ—Ｈ凝胶。但ＣＨ生　成量比Ｃ３Ｓ的少，结晶却粗大些。③铝酸三钙的水化，　其水化迅速，放热快，其水化产物组成和结构受液和　温度的影响很大，先生成介稳状态的水化铝酸钙，最　终转化为水石榴石（Ｃ３ＡＨ６）。在有石膏的情况下，　Ｃ３Ａ水化的最终产物与起石膏掺人量有关。最初形成　的三硫型水化硫铝酸钙，简称钙矾石，常用ＡＦｔ表示。　若石膏在Ｃ３Ａ完全水化前耗尽，则钙矾石与Ｃ３Ａ作　用转化为单硫型水化硫铝酸钙（ＡＦｍ）。④铁相固溶体　的水化，水泥熟料中铁相固溶体可用Ｃ４ＡＦ作为代　表。它的水化速率比Ｃ３Ａ略慢，水化热较低，即使单　独水化也不会引起快凝。其水化反应及其产物与Ｃ３Ａ　很相似。这些研究应该是较为成熟，但因为水泥的组　分极为复杂，其中的物质种类和量的比例等均难以明　确界定，也因水泥的不同而不同，且水泥的品种众多，　随着科研的发展，社会的进步，水泥内涵和外延的扩　宽．水泥水化产物不能明确界定。　１．３结构特性研究　水泥浆体由流塑态到塑态到固态，其结构逐渐地　发生变化，在宏观上耗时数日。肉眼可察：但其微观结　构的变化更是复杂难察，必须借助高倍清晰显微镜，　甚至只有通过电子显微镜方能观察细致。水泥浆体的　微观结构受多种因素的影响．主要有水泥的品种与性　能、水泥的水化反应进行过程及其环境、水泥的纯度、　水灰比、水泥的矿物掺合料及其含量与性质等等。对　于水泥浆体微观结构的研究方法，历史以来众多学者　努力提出各种学说，如孑Ｌ隙学。孔隙学是专门研究孔　隙结构与特性的一门理论学科，孑Ｌ隙结构包括孔隙　率、粒径分布、孔的空间结构。　水泥浆体微观结构的研究方法中试验测试方法　被应用较多，是主要通道。科研工作者　在测试试验　中采用的测孔方法主要有压汞法、等温吸附法、和小　角度ｘ射线衍射法，其中压汞法虽然有学者指出其存　在许多不足，但其依然是较受欢迎和应用较多的方　６２　广东科技２０１５　３．第６期　法。因水泥浆体的微观纳米尺寸化，故现代摄像技术　必须用上。从而使图像分析技术逐渐应用到对水泥石　的孑Ｌ洞范围的定量分析研究中，可利用扫描电子显微　镜技术进行研究，实施可靠预测，分析经过充分水化　反应的水泥浆体或混凝土所应具有的恰当水灰比。　水泥浆体与水泥石中的空隙和孔洞分为多害孔、　有害孔、少害孔、无害孔四种∞】，孔洞的性质不同对于　水泥石的强度有不同的影响。故水泥石的微观孑Ｌ洞的　研究非常重要，需要某些成熟的理论。而水泥石的微　观孑Ｌ洞的形成贯穿于整个水泥水化反应过程，各种影　响水泥水化反应的因素就必然对水泥石微观结构具　有一定程度的影响。　１．４动力特性研究　水泥水化是非常复杂的一个过程，其水化动力学　的研究始于上个世纪六、七十年代，其研究方法主要　有物理试验观测和数值模拟研究两种。其中的物理试　验观测研究耗时非常长。且观察不便，要求对每个主　要过程进行摄像对比。但这些过程极难把控，且物理　试验研究中，每次试验研究的条件和结果极难重现，　结果都有一定程度的差异，且耗资甚巨。数值模拟方　法省时省钱且重现率极高，但由于模拟过程中因各种　因素无法考虑俱全，只能是考虑一些影响较大的因素　和关键因素，且影响关系和程度难以摸透．因此数值　模拟方面也只能得出较为浅显的研究成果。数值模拟　研究中。有为利用计算机技术对硅酸三钙水化过程进　行数值模拟的假设Ｅ　和二十世纪八十年代的硅酸三钙　水化动力学数值模型。和单矿物相铝酸三钙和氟铝酸　四钙的水化模型［５　和美国学者模拟水泥水化的ＨＹ—　Ｄ￣ＳＩＭ模型　以及后来的Ｇ．Ｙｅ　Ｅ７２对ＨＹＤ￣ＳＩＭ　模型的改进模型和Ｆａｕｃｏｎ　ｐ　Ｃ　］提出了集成粒子动力学　的连续基硅酸三钙水化模型。　２展望　随着社会的发展、经济实力增强和科技的进步，　人们在生活上向往欲望的提升、质量要求的提高，基　础建设的步伐将不断加大，建筑材料的开发利用将达　到空前盛世的状态。混凝土将在不久的将来，依旧占　据建材市场的主导地位．对高性能、轻质高强混凝土　的研发将加大力度，高性能水泥、复合水泥、环保水泥　等特性水泥将层出不穷。对于水泥水化反应将进一步　深入和拓宽地研究。　（下转第６８页）　应用技术研究园地　常生活中。细化到学生培养、员工发展、管理提升的各　个领域＿Ｉ７］，这样才能使民办教育真正成为学生满意、　［１Ｏ］李金初．学校文化建设：学校发展的精神动力［Ｊ］．教育研究，　２Ｏｏ４．２９９（１２）：８０－８５．　政府满意、社会满意的教育。　参考文献：　［１１］戴涵，袁通路．优化育人环境，以文化建设促学校发展［Ｊ］．改革与　开放，２０１０（１１）：１６２—１６３．　［１２］徐孟龙．学校文化建设要充满人文关怀［Ｊ］．丽水学院学报，　２ｏｏ６，２８（３）：５６－５８．　［１］吴群．营造校园文化环境构建新型思想道德教育模式［Ｊ］．宁夏党　校学报，２０１２，１４（６）：５７—５９．　［１３］曾旅天．校园文化景观设计研究［Ｊ］．教育研究，２０ｏ０（１０）：４３－４７．　［１４］罗述龙．现代学校校区景观规划设计的探讨［Ｊ］．广东科技，２ｏ０８　（２）：１１－１３．　［２］吕建国．以智慧为内核的学校文化建设研究［Ｊ］．现代中小学教育，　２０１１（１２）：６３－６６．　［１５］鞠瑞利．普通高中特色办学与学校文化特色的创建——以上海市　七宝中学为例［Ｊ］．上海教育科研，２０１４（９）：６５—６７，７０．　［１６］刘德全，张兰卫．学校文化的建设与思考［Ｊ］．中国教育学刊，２ｏｏ９　［３］崔玉婷．普通高中学校文化特色的类型与建设路径——以北京市　三所普通高中学校为例［Ｊ］．教育科学研究，２０１１（１１）：１５—１９．　［４］朱吉顶，卢扬．校区景观的生态与文化［Ｊ］．工业建筑，２００９，３９　（ｚ）：５０－５３，５７．　（１１）：４９—５１．　［１７］黄桂众．文化引领下的学校新发展［Ｊ］．中国职业技术教育，２０１２　［５］栗山．校园文化一特色学校之魂［Ｊ］．当代教育论坛，２００５（１８）：３７．　（１Ｏ）：５６－６２．　［６］杨江丁．注重文化熬合促进文化创新［Ｊ］．思想理论教育，２０１２（２）：　９－１２．　作者简介：陈祺（１９６４一），男，工程师，本科，从事风景园林规划　［７］校园文化景观布局结构设计的研究与实践课题组．校园历史文化　景观建设的研究与实践［Ｊ］．成都电子机械高等专科学校学报，　设计教学实训与研究工作；刘粉莲（１９６２一），女，教授，研究生，　２０ｏ７（２）：８４－８５，５０．　从事教学管理与研究工作；龙宝新（１９７３一），男，副教授，博士，　［８］刘用智．重视校园文化建设突出爱国主义主旋律［Ｊ］．广州医学院　从事教育基本原理与教师教育研究。　学报，１９９４，２２（６）：２４—２７．　［９］刘希娅．主题型学校文化建设的实践探索［Ｊ］．中国教育学刊，２０１１　（７）：８０—８２．　（上接第６２页）　［４］张文．混凝土水泥水化过程的电化学阻抗谱研究［Ｄ］．大连：大连　对该方面的研究将由单一的物理、化学或力学性　理工大学．２０１３．　能方面扩宽到物理一化学一力学耦合作用性能方面，　［５］康宇．硅酸盐类水泥早期水化特性及其关系的探索［Ｄ］．南宁：广　西大学，２００６．　渐渐抛弃前面研究的片面性和局限性，逐步向全面性　［６］马保国，董荣珍，张莉等．硅酸盐水泥水化历程与初始结构形成的　和整体性的研究深入和发展；由宏观逐步转向微观，　研究［Ｊ］．武汉理工大学报，２０ｏ４（７）：１７—１９．　且不断微观化、细微化、纳米化、微纳米化，也就说研　［７］施惠生，黄小亚．硅酸盐水泥水化热的研究及其进展［Ｊ］．水泥，　究的尺寸会越来越细，越来越微观。数值模拟和物理　２００９（１２）：４－７．　实验将进一步密切结合，模型将越来越复杂化，考虑　［８］任书霞，田秀淑，李仕群．改性硅酸盐水泥的水化历程研究［Ｊ］．石　越来越多因素化：研究的环境影响因素会越来越多，　家庄铁道学院学报，２０ｏ８（１）：４７—４９．　考虑的将越来越细致和全面及非孤立而耦合化，并将　作者简介：邓绍云（１９７１一），男，副教授，高级工程师，博士（后），　随着科技的发展，以及成像技术、计算技术、实验技术　从事水利土木建筑与环境等方面的研究。　和实验设备仪器的进步而突飞猛进。　参考文献：　［１］柯国军．土木工程材料［Ｍ］．北京：北大出版社，２００７．　［２］姚武，王伟，魏永起．硅酸盐水泥水化动力学简化模型［Ｊ］．哈尔滨　工业大学学报，２０１３，４５（１０）：８１—８４．　［３］任晓．水泥基材料的水化动力学及孔洞分析［Ｄ］．南昌：南昌大学，　２Ｏ１３　６８　广东科技２０１５３第６期