混凝土原料-水泥

混凝土原料-水泥

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混凝土的誕生可以追溯到2000年前古羅馬人修建的萬神殿。萬神殿的基礎、牆和穹頂都是用火山灰製成的混凝土澆築而成。不過以當時的科技水平，人們還不能理解為什麼火山灰可以提供石頭般的強度。算是上帝為古羅馬人準備的專屬技能點。中國古代很少能遇到火山灰。只可惜古羅馬人並沒有持續研究此技能。在後來的很長日子裡，水泥的科技樹一直沒有被重新點亮。直到1756年，英國工程師J.斯米頓在研究某些石灰在水中硬化的特性時發現：要獲得水硬性石灰，必須採用含有粘土的石灰石（現在的水泥主要原料也是黏土和石灰石）來燒制，這個重要的發現為近代水泥的研製和發展奠定了理論基礎。1824年，英國建築工人約瑟夫·阿斯譜丁（Joseph Aspdin）發明了水泥並取得了波特蘭水泥的專利權。他用石灰石和粘土為原料，按一定比例配合後，在類似於燒石灰的立窯內煅燒成熟料，再經磨細製成水泥。因水泥硬化後的顏色與英格蘭島上波特蘭地方用於建築的石頭相似，被命名為波特蘭水泥。它具有優良的建築性能，在水泥史上具有劃時代意義。20世紀，人們在不斷改進波特蘭水泥性能的同時，研製成功了一批適用於特殊建築工程的水泥，如高鋁水泥，特種水泥等。全世界的水泥品種已發展到100多種，2007年水泥年產量約20億噸。中國在1952年制訂了第一個全國統一標準，確定水泥生產以多品種多標號為原則，並將波特蘭水泥按其所含的主要礦物組成改稱為矽酸鹽水泥，後又改稱為硅酸鹽水泥至今。

經過石灰石和黏土按比例混合煅燒磨細後得到的產物為硅酸鹽水泥。不過隨著對水泥的深入研究。通過在硅酸鹽水泥中摻入一定數量的混合材料（礦粉、粉煤灰）和適量的石膏可以改善水泥的某種特性。石膏的摻入可防止水泥的瞬凝現象。因此，純硅酸鹽水泥一般被稱作熟料。筆者估計只要不是水泥從業者，絕大多數是接觸不到純熟料的。

熟料+摻合料（6%-15%）+石膏（1.8％～2.5％）=普通硅酸鹽水泥。

商品混凝土公司應用最多的是P?O 42.5水泥即抗壓強度在28天時達到42.5MPa的普通硅酸鹽水泥。

由於混合材料的摻量較少，所以普通硅酸鹽水泥的性質與硅酸鹽水泥基本相同，略有差異主要表現在：早期強度略低；耐腐蝕、耐熱性提高；水化熱略低；抗凍性、耐磨性、抗碳化性略有降低。

水泥和水的化學反應稱之為水泥的水化。我用圖示的方法將水泥的生產與水化過程進行展示。

硅酸三鈣、硅酸二鈣和水反應生成水合硅酸鈣。理解起來比較容易。鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣在石膏的作用下反應過程比較複雜。我用圖示來介紹一下。總之就是生成了各種各樣的水合物。水泥水化反應是不斷進行的過程，可以分為五個階段：1.誘導期；2.加速期；3.衰減期；4穩定期。

誘導前期水泥急劇反應，硅酸三鈣（C3S）溶於水中迅速發生水化發硬，故出現第一個放熱峰，時間很短，在15min以內結束。之後誘導期反應極其緩慢，又稱靜止期。一般持續1-4小時。是硅酸鹽水泥漿體能在幾個小時內保持塑性的原因。出現靜止期的原因有保護層理論和延遲成核理論，誘導前期迅速生產的水合硅酸三鈣覆蓋在水泥顆粒表面阻止了水和水泥的進一步接觸。初凝時間基本上相當於誘導期的結束。

加速期反應重新加快，處在靜止期的水泥顆粒因保護膜（水合硅酸鈣）破裂而重新裸露與水分子接觸。出現了第二個放熱峰，到達峰頂時本階段即告結束一般在4-8小時。此時終凝已過，開始硬化。延遲成核理論是當硅酸三鈣與水接觸後迅速水解，鈣離子和氫氧根離子進入溶液，這樣就使原來的硅酸三鈣表面變成了「缺鈣」或「富硅」的表面層，液相中的鈣離子就會因為化學吸附作用吸附在富硅表面，並使表面帶正電荷。硅酸三鈣表面的高濃度鈣離子降低了水泥進一步水解，這樣就形成了誘導期的靜止階段。鈣離子和氫氧根離子相繼以低速率溶解，當液相相對於氫氧化鈣形成過飽和時，氫氧化鈣晶核迅速形成。氫氧化鈣晶體成長時會降低溶液中的鈣離子和氫氧根離子，這樣水化即恢復加速期。保護層理論和延遲成核理論暫時還處於爭議階段。

衰減期反應速率隨時間下降的階段，是因為隨著水化物在水泥顆粒周圍聚集，硅酸三鈣（C3S）的水化作用受到阻礙，因此水化又從加速過程進入減速過程。約持續12-24小時，水化作用逐漸受擴散速率的控制。

穩定期反應速率很低，最初的產物水合硅酸鈣是生長在水泥顆粒表面的，之後水分子需要透過這層水合硅酸鈣進入顆粒內部與未水化的硅酸三鈣繼續反應。水化反應完全受擴散速率控制。

最後硬化的水泥漿體是一個非勻質的多相體系，由各種水化產物和未水化的熟料所構成的固相、空隙、存在於空隙中的水和空氣所組成。即硬化的水泥漿體是由固、液、氣三相共存的多孔體。各種水化產物的相對含量為：C-S-H凝膠（水合硅酸鈣）佔70%，Ca（OH）2佔20%，鈣礬石和單硫型水化硫鋁酸鈣約7%，未完全水化的殘留熟料和其他微量組分約3%。

相對於硅酸鈣的水化過程，加入石膏後的鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣反應的過程更為複雜。水泥的反應機理可以幫助我們深刻理解混凝土的可塑性能、坍落度損失原理、初凝時間、混凝土開裂等。混凝土外加劑的原理也是圍繞水泥水化過程展開的。比如外加劑的減水機理是聚羧酸分子吸附在水泥顆粒表面，利用電荷排斥和空間位阻作用阻止水泥顆粒相互接觸，並釋放出水泥顆粒之間絮凝的水分子。緩凝劑的理論是吸附在水泥顆粒表面的緩凝劑分子與鈣離子發生絡合作用阻礙了氫氧化鈣的形成。

歡迎關注作者的公眾號，我會不定時提供一些混凝土、混凝土外加劑的相關知識。

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