當水泥與適量的水調和時，開始形成的是一種可塑性的漿體，具有可加工性。隨著時間的推移，漿體逐漸失去了可塑性，變成不能流動的緊密的狀態，此後漿體的強度逐漸增加，直到最後能變成具有相當強度的石狀固體。如果原先還摻有集合料如砂、石子等，水泥就會把它們膠結在一起，變成堅固的整體，即我們常說的混凝土。這整個過程我們把它叫做水泥的凝結和硬化。
基本介紹
- 中文名：水泥硬化
- 外文名：Cement hardening
概述,化學過程,原理,
概述
從物理、化學觀點來看，凝結和硬化是連續進行的、不可截然分開的一個過程，凝結是硬化的基礎，硬化是凝結的繼續。但是在施工中為了保證施工質量，要求在水泥漿體失去其可塑性以前必須結束施工，因此人們根據需要以及水泥漿體的這個特性，人為地將這整個過程劃分為凝結和硬化兩個過程。凝結是指水泥漿體從可塑性變成非可塑性，並有很低的強度的過程；硬化是指漿體強度逐漸提高能抵抗外來作用力的過程。此外，對凝結過程還人為地進一步劃分為初凝和終凝，用加水後開始計算的時間來表示。例如，國家標準規定：矽酸鹽水泥初凝不得早於45min，終凝不得遲於6.5h。使用時必須在初凝前完成澆築振搗等工序。終凝後，才能脫去模板開始下一個周期生產。
化學過程
水泥的凝結和硬化，是一個複雜的物理—化學過程，其根本原因在於構成水泥熟料的礦物成分本身的特性。水泥熟料礦物遇水後會發生水解或水化反應而變成水化物，由這些水化物按照一定的方式靠多種引力相互搭接和聯結形成水泥石的結構，導致產生強度。
普通矽酸鹽水泥熟料主要是由矽酸三鈣（3CaO·SiO2）、矽酸二鈣（β-2CaO·SiO2）、鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）和鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）四種礦物組成的，它們的相對含量大致為：矽酸三鈣37～60%，矽酸二鈣15～37%，鋁酸三鈣7～15%，鐵鋁酸四鈣10～18%。這四種礦物遇水後均能起水化反應，但由於它們本身礦物結構上的差異以及相應水化產物性質的不同，各礦物的水化速率和強度，也有很大的差異。按水化速率可排列成：鋁酸三鈣>鐵鋁酸四鈣>矽酸三鈣>矽酸二鈣。按最終強度可排列成：矽酸二鈣>矽酸三鈣>鐵鋁酸四鈣>鋁酸三鈣。而水泥的凝結時間，早期強度主要取決於鋁酸三鈣和矽酸三鈣。
水泥的凝結和硬化：
首先，介紹鋁酸三鈣。它的水化反應可用下式表達。
3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O（水化鋁酸鈣，不穩定）；
由於這個反應就不會引起快凝。當水泥中的石膏完全作用完後，還有多餘3CaO·Al2O3時將發生下列反應。
3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+2〔3CaO·Al2O3〕+4 H2O→3〔3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O〕（單硫型水化鋁酸鈣）
如果還有過量3CaO·Al2O3時，就會生成4CaO·Al2O3·13H2O。在正常緩凝的矽酸鹽水泥中，石膏摻入量能保證在漿體結硬以前，不會發生後兩個反應。
3CaO·SiO2+H2O→CaO·SiO2·YH2O（凝膠）+Ca（OH）2；
由於CaO0.8～1.5SiO2·H2O0.25與天然的托勃莫來石很相似，因而稱它為托勃莫來石，通常用CSH(B)來表示。
鐵鋁酸四鈣水化反應和鋁酸三鈣相似，反應可表示如下：
4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O 現分別簡述它們的水化反應。
而矽酸二鈣水化反應和矽酸三鈣相似，反應可表示如下：
2CaO·SiO2+H2O→CaO·SiO2·YH2O（凝膠）+Ca（OH）2；
矽酸鹽水泥礦物的水化
矽酸鹽水泥拌合水後，四種主要熟料礦物與水反應。分述如下： ①矽酸三鈣水化 矽酸三鈣在常溫下的水化反應生成水化矽酸鈣(C-S-H凝膠)和氫氧化鈣。 3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)2 ②矽酸二鈣的水化 β-C2S的水化與C3S相似，只不過水化速度慢而已。 2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2 所形成的水化矽酸鈣在C/S和形貌方面與C3S水化生成的都無大區別，故也稱為C-S-H凝膠。但CH生成量比C3S的少，結晶卻粗大些。 ③鋁酸三鈣的水化 鋁酸三鈣的水化迅速，放熱快，其水化產物組成和結構受液相CaO濃度和溫度的影響很大，先生成介穩狀態的水化鋁酸鈣，最終轉化為水石榴石（C3AH6）。 在有石膏的情況下，C3A水化的最終產物與起石膏摻入量有關。最初形成的三硫型水化硫鋁酸鈣，簡稱鈣礬石，常用AFt表示。若石膏在C3A完全水化前耗盡，則鈣礬石與C3A作用轉化為單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)。 ④鐵相固溶體的水化 水泥熟料中鐵相固溶體可用C4AF作為代表。它的水化速率比C3A略慢，水化熱較低，即使單獨水化也不會引起快凝。其水化反應及其產物與C3A很相似。
原理
這些水化產物怎樣會導致水泥漿結硬並產生強度呢？水泥凝結硬化的機理究竟是什麼？
按結晶理論認為水泥熟料礦物水化以後生成的晶體物質相互交錯，聚結在一起從而使整個物料凝結並硬化。按膠體理論認為水化後生成大量的膠體物質，這些膠體物質由於外部乾燥失水，或由於內部未水化顆粒的繼續水化，於是產生“內吸作用”而失水，從而使膠體硬化。隨著科學技術的發展，特別是X—射線和電子顯微技術的套用，將這兩種理論統一起來，過去認為水化矽酸鈣CSH(B)是膠體無定形的，實際上它是纖維狀晶體，只不過這些晶體非常細小，處在膠體大小範圍內，比面積很大罷了。所以比較統一的認識是：水泥水化初期生成了許多膠體大小範圍的晶體如CSH(B)和一些大的晶體如Ca(OH)2包裹在水泥顆粒表面，它們這些細小的固相質點靠極弱的物理引力使彼此在接觸點處粘結起來，而連成一空間網狀結構，叫做凝聚結構。由於這種結構是靠較弱的引力在接觸點進行無秩序的連結在一起而形成的，所以結構的強度很低而有明顯的可塑性。以後隨著水化的繼續進行，水泥顆粒表面不大穩定的包裹層開始破壞而水化反應加速，從飽和的溶液中就析出新的、更穩定的水化物晶體，這些晶體不斷長大，依靠多種引力使彼此粘結在一起形成緊密的結構，叫做結晶結構。這種結構比凝聚結構的強度大得多。水泥漿體就是這樣獲得強度而硬化的。隨後，水化繼續進行，從溶液中析出新的晶體和水化矽酸鈣凝膠不斷充滿在結構的空間中，水泥漿體的強度也不斷得到增長。
影響水泥硬化的原因
影響水泥凝結速率和硬化強度的因素很多，除了熟料礦物本身結構，它們相對含量及水泥磨粉細度等這些內因外，還與外界條件如溫度、加水量以及摻有不同量的不同種類的外加劑等外因密切相關
