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摘要：水泥混凝土各项性能的发展都是基于水泥水化这一过程开始的，水泥水化机制直接影响其水化放热量和放热速率，并影响混凝土的各种物理力学性能的发展。
关键词：水泥水化；过程；方法；控制
1.前言
提高混凝土的性能，必须从水泥水化入手，弄清楚水泥水化的本质、水泥水化的机理及水泥水化动力学等，才能不断改进水泥的品质，进而提高混凝土的性能。本文将对水泥水化的相关内容进行分析。
2.水泥水化过程
水泥的凝结和硬化，是一个复杂的物理化学过程，其根本原因在于构成水泥熟料的矿物成分本身的特性.水泥熟料矿物遇水后会发生水解或水化反应而成水化产物，这些水化产物按照一定的方式靠多种引力相互搭接和联结形成水泥石的结构从而产生强度.普通硅酸盐水泥熟料主要是由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙四种矿物组成，其相对含量大致为：硅酸三钙37～60%，硅酸二钙15～37%，铝酸三钙7～15%，铁铝酸四钙10～18%.这四种矿物质遇水后均能发生水化反应，但由于矿物本身结构差异以及相应水化产物性质的不同，各矿物的水化速率和强度也不尽相同。
C3S水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体.该水化反应的速度快，形成早期强度并产生早期水化热.C2S水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体。该水化反应的速度慢，对后龄期混凝土强度的发展起关键作用.其水化热释放缓慢，产物中氢氧化钙的含量减少时，可以生成更多的水化产物.C3A水化生成水化铝酸钙晶体.该水化反应速度极快，并且释放出大量的热量.石膏与水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙针状晶体（钙矾石）.钙钒石难溶于水，包裹在水泥熟料的表面上，形成保护膜，阻碍水分进入水泥内部，使水化反应延缓，从而避免了纯水泥熟料水化产生闪凝现象。
3.水泥水化程度研究之传统方法
3.1水化热法
水泥拌水后，发生一系列物理变化和化学变化，并释放出大量热量.由于水泥水化放热量的多少与水泥的水化程度有着必然联系，因此基于某时刻水泥试样放热量的确定，可以得出该时刻（t）的水泥水化程度t为t=Qt/Qmax
式中：Qt为t时刻水泥水化放热总量；Qmax为水泥完全水化放热总量.水泥浆体水化热的测量主要有直接测定法与溶解热法.直接测定法（GB202280）是一种操作简单、不需其它化学试剂和无污染的标准试验方法.其原理是：水泥胶砂在特定的环境中水化，然后根据水泥水化热量积蓄和散失的多少求得水泥各龄期的水化热.溶解热法（GB/T1295991）是依据热化学中的盖斯定律，即化学反应的热效应只与体系的初态和终态有关，而与反应的途径无关而提出的.它是在热量计周围温度一定的条件下，分别将未水化的水泥与已水化至一定龄期的水泥放在一定浓度的标准酸中溶解，然后测定溶解热之差，即为该水泥在规定龄期内所放出的水化热.该方法适用于硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、中热水泥及低热矿渣水泥等水泥水化热的测定.我国目前大多数厂家及试验单位一直沿用直接测定法测定水泥水化热，而溶解热法测定水泥水化热则为美国、英国、日本等国所采用。
3.2化学结合水法
硬化水泥浆体中的水可分为化学结合水和非化学结合水两大类.化学结合水以OH-或中性水分子形式存在，通过化学键或氢键与其它元素连接.在相同温度、湿度养护条件下，硬化水泥浆体中的化学结合水量随水化物增多而增多，随水化程度提高而增大，因此将所测t时刻硬化水泥浆体与完全水化水泥浆体的化学结合水量相比，即可计算出硬化水泥浆体于t时刻的水化程度。
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但该方法仍存在着一定的缺点，在75的低温或真空状态下部分水泥水化产物如CSH凝胶，AFm，AFt中的部分弱结合水就开始分解，导致所测化学结合水含量较实际偏小，影响了测试的精确性.化学结合水法与水化热法一样，目前只适用于纯水泥体系中水泥水化程度的研究.对于水泥基复合体系而言，化学结合水法只能定性比较水化产物生成量的多少，而其中的水泥及各活性组分的水化程度则无法直接测试得出。
4.研究水泥水化的先进方法和技术
4.1图像分析法
近年来，背散射电子图像（BEI）大量应用于水泥基复合体系中水泥和其他活性组分的水化程度研究。根据扫描电镜中背散射电子成像的原理，背散射电子是被固体样品中的原子反射
回来的一部分入射电子，它的成像衬度与样品表面原子序数的分布有关。样品表面上平均原子序数较高的区域，产生较强的信号，在背散射电子图像上呈现较亮的衬度，因此可以根据背散射电子图像衬度来判断相应区域原子序数的相应高低。对于纯水泥样品，BEI图像中原子序数最高的未水化水泥颗粒呈亮白区域，其中C4AF因含有原子序数较大的Fe而较C3S和C2S更亮。而C3A因含大量原子序数较Ca低的Al，在未水化水泥颗粒成像区域中稍显暗淡；其次为水化产物，最暗的是孔隙。对于水泥基复合材料，CaO含量高的未水化水泥颗粒平均原子序数最高，在BEI中呈亮白区域。
4.2计算机模拟
用计算机来模拟水泥的水化过程，20世纪80年代便开始了具体研究。利用计算机模拟与构筑技术，可以产生一系列不同形式的、生动的水泥基复合材料细观组织结构模型。可以在计算机上进行细观组织结构设计与推演，对原材料种类、施工配合比、养护方式等进行优选，通过对一定配合比水泥基复合材料的细观组织结构的计算机模拟，从而可以分析其组成物中各水化产物的体积份额、形成结构、桥接情况，水泥熟料各组成物的水化程度，硬化水泥石的孔隙率以及孔的分布情况、界面过渡区情况等，并可以据此预测水泥基复合材料在水化硬化后的各种性能。在NIST实验室中，Bentz等根据水泥颗粒粒径分布（PSD）、水灰比以及矿物组成等参数，研究出了以纯水泥水化三维模型CEMHYD3D来模拟纯水泥体系水化的全过程。此模型模拟了水泥矿物与水之间的反应，在此模型中，1μm3为1个像素点，标明所代表的成分———水、石膏或者水泥熟料中的某一矿物组分。在此基础上，对体系中的溶解、化学反应以及扩散等过程进行循环模拟。每一轮模拟完毕，皆可得出此刻水泥熟料微结构中的水化程度、孔隙率、相组成等一些性能。
5.从水泥生产谈降低水泥水化热的技术措施
5.1调整水泥熟料配料方案
水泥水化热的大小，对混凝土的温升影响很大，因此水泥厂应该根据混凝土工程的需要，确定配料方案，配料时适当降低石灰饱和系数值及铝氧率，生产低C3A和C3S含量的中、低热水泥，以满足市场需求，为有效降低混凝土温升提供技术保障。
5.2合理掺加混合材
众所周知，粉煤灰、矿渣的水化热均小于水泥熟料的水化热，粉煤灰的7d水化热约为水泥熟料水化热的1／3，28d水化热约为水泥熟料水化热的1／2。掺加粉煤灰、硅灰、矿渣等作为水泥混合材，既可以降低水泥的水化热，同时还可以增加水泥产量，提高水泥厂的经济效益。而且，掺加粉煤灰、硅灰、矿渣等作为水泥混合材，还可以改善混凝土的施工性能、力学性能和耐久性，提高建筑工程的质量。
6.结束语
总之，对于水泥水化的特性和机理仅在某些观点上达成共识，许多深层次的机理还未系统化，我们应加强计算机对水泥水化过程的模拟，在计算机上进行微观组织的设计与推演，并预测所得出的水泥基材料的性能是否符合要求。
参考文献
[1]王培铭，丰曙霞，刘贤萍.水泥水化程度研究方法及其进展[J].建筑材料学报，2017，8（6）：646-652.
[2]王岩，李旭东，何忠茂.水泥水化过程的计算机模拟[J].兰州理工大学学报，2017，30（4）：112-115.
论文作者:王菲菲
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/15
标签：水化论文; 水泥论文; 熟料论文; 原子序数论文; 水泥浆论文; 程度论文; 矿物论文; 《建筑学研究前沿》2017年第34期论文;