水泥水化研究综述

作者：邓绍云

来源：《广东科技》 2015年第6期

邓绍云

（新疆应用职业技术学院，新疆奎屯 833200）

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

*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（XYZJX2014JK08）

0 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，故必须对水泥的水化进行科学研究以便更进一步了解水泥、改进水泥、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［1］。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，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，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。

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入量有关。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，如孔隙学。孔隙学是专门研究孔隙结构与特性的一门理论学科，孔隙结构包括孔隙率、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［2-6］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孔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［3］，孔洞的性质不同对于水泥石的强度有不同的影响。故水泥石的微观孔洞的研究非常重要，需要某些成熟的理论。而水泥石的微观孔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［4］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HYDRASIM模型［6］以及后来的 G.Ye［7］对HYDRASIM模型的改进模型和Faucon P［8］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。

对该方面的研究将由单一的物理、化学或力学性能方面扩宽到物理-化学-力学耦合作用性能方面，渐渐抛弃前面研究的片面性和局限性，逐步向全面性和整体性的研究深入和发展；由宏观逐步转向微观，且不断微观化、细微化、纳米化、微纳米化，也就说研究的尺寸会越来越细，越来越微观。数值模拟和物理实验将进一步密切结合，模型将越来越复杂化，考虑越来越多因素化；研究的环境影响因素会越来越多，考虑的将越来越细致和全面及非孤立而耦合化，

并将随着科技的发展，以及成像技术、计算技术、实验技术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，2013.

［4］ 张文. 混凝土水泥水化过程的电化学阻抗谱研究［D］. 大连：大连理工大学，2013.

［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.

［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研究［J］. 武汉理工大学报，2004（7）：17-19.

［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，2009（12）：4-7.

［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］. 石家庄铁道学院学报，2008（1）：47-49.

作者简介：邓绍云（1971-），男，副教授，高级工程师，博士（后），从事水利土木建筑与环境等方面的研究。