硅酸盐水泥水化动力学模型与试验方法研究进展

王硕

摘要:随着社会的不断进步,经济快速发展,建筑行业也随之不断地在提高,因此对建筑材料要求越来越高，混凝土作为一种重要材料之一,已经被广泛应用于各种工程中，但是由于其自身存在脆性、易碎等缺点严重限制了它在各个领域的应用和推广，本文就硅酸盐水泥水化过程及制备方法作简单论述并举例说明水化法制得掺入到其中的含铝元素粉煤灰,从而研究不同掺量对产物性能影响规律以及相应措施来提高产品质量,在水泥混凝土中含有大量的硅酸盐,其本身有一定的强度,因此,它是一种性能优良、应用广泛和经济效益显著等优点。

关键词：硅酸盐水泥；水化动力学模型；试验方法研究

1、引言

水泥水化反应的研究是一个非常重要且具有重大意义,同时也是目前混凝土应用领域中最为热门、最基础性和最受关注的化学实验之一，在众多用于制备高活性钙剂以及掺入硅酸盐矿物时,其中对其进行有效控制并达到预期效果则成为了重难点，水泥水化过程中,碱-钙、氢氧化钠与其他组分的反应会生成化学胶凝,形成强度较高且稳定和有良好耐水性的硅酸盐材料，在实际生产实践过程中由于各种因素影响下无法达到预期要求。

2、水化动力学模型研究的国内外现状

水化的动力学研究始于上世纪60年代,主要是在理论分析基础之上,建立和进行复杂反应机理的数学模型。目前国内对这一领域已有一定进展。从技术角度来看,国外许多研究者针对不同类型水泥颗粒掺水潜质、氢氧化钙晶体结构及微观形貌特征采用有限元法计算得出结果,提出了一种新型高效减阻体系理论—双相型絮凝灌浆系统模型。

水化反应的动力学研究是一个非常重要且具有挑战性和实用价值的领域,其理论和实验方法得到了广泛关注。在过去,人们主要对化学方程式、热力学过程以及微观结构进行分析，但随着科学技术不断进步发展及工业生产技术水平提高，许多新模型也应运而生并被提出，同时由于各种材料性能差异很大而引起了应用范围越来越广的趋势，如:微纳米颗粒等[1]。

水化过程中,由于反应温度的不断上升,导致体系开始剧烈振动。当水中悬浮颗粒被释放出来时就会产生强烈地反作用力。在研究水泥凝结硬化机理之前我们必须要对其进行分析和表征才能准确描述该系统的性质并给出相应结论或解释出它是由什么原因组成而成;不同粒径、不同掺量下形成凝胶粒子以及各种水化热现象等,这些都与材料内部微观结构之间相互作用有关联关系。

3、硅酸盐水泥水化动力学研究进展

3.1水化动力学理论

水化过程在一定的温度和压力下,以固态形式从溶液状态进入到水溶液并形成化学键、离子型化合物。

水化反应的机理主要是水化物本身,与化学键、离子或分子间作用力,以及其自身携带了大量游离气体和自由电子等具有非线性性质。而动力学理论则认为，任何物质都会因为在运动过程中受到各种物理因素影响发生动态变化。当一个复杂系统处于平衡状态时它就不会产生剧烈的波动现象或者只出现一种单一性的波动;相反地如果是相对稳定且能保持一定能量或反应速率不变,那么我们所看到到的界面上就是相对稳态下为最佳状态。

3.2硅酸盐水泥水化过程

水化过程是指水泥在高温、高湿化学条件下,以一定的速度向溶液中加入助剂,使水溶液形成凝胶而生成粉体颗粒，凝结后的硅酸盐晶体可由外加空气排出，由于这种机理被称为“分散”现象或堆放性溶出物(即絮凝)，当温度低于凝固点时就会产生明显变化。水化反应的发生需要一定条件,在发生化学反应时,由于分子间作用力引起溶质分解或者链式吸附而使体系内组分溶解度降低。

水化反应分为两个阶段:第一个过程是氢氧化钙的氧化作用,第二个转化为硅质晶体。在这个整个反应中,由于外加电子不能从其中起传递能量使得整个体系处于一个不稳定状态，而这种情况导致了溶液或溶剂无法通过反应物和添加剂与固化剂发生物质交换以及化学反应等现象产生，这样会使溶液或者混合料中有活性组分生成不易挥发、易溶于水甚至直接分解的产物(如亚硫酸盐)存在于体系环境当中形成不可逆反应。

3.3硅酸盐水泥水化动力学模型存在问题

在试验过程中,发现了一些问题。主要有以下几个方面:第一由于氢氧化钙配比的不合理使得水化反应不能进行完全;第二实验用循环冷却法制备混凝土时未考虑外加碳纤维布和细砂对试件表面活性剂的破坏作用等原因导致材料内部形成大量小孔洞、降低水泥-骨料界面结合力,从而使其与氢氧化钙发生强烈吸附而影响其强度。

而实验中所出现的问题主要是由于试验过程中会产生大量细小颗粒,且搅拌时间过长,致使在凝结硬化反应后会产生较大离析现象，所以要想得到一个准确合理的冷却曲线，必须将水化热和氢氧化钠溶液同时作用下。但是实际操作时可通过控制加热温度来减少热量消耗或者降低反应速度达到提高结果要求即可实现上述目标需求，还可以适当增加水浴锅中加入一定量钙离子使之充满铝酸,从而获得较低凝结硬化速率以及较高强度指标等。

3.4水化动力学的研究意义及未来发展方向

水化反应过程是一个复杂的化学变化过程,在制备硅酸盐水泥熟料时,要考虑诸多影响因素，原料配比、搅拌速度等。实验条件的改变而导致最终产品性能差异较大的是水化反应动力学参数变化较小,这也是水化过程控制稳定效果良好的原因之一。在水泥熟料中加入适量的硅酸盐,能有效降低矿化度,提高强度,并可改善水化物形成过程，我国经济社会发展和工业技术进步的需要，高效减材方面应向着更快更好地速度前进，建筑装饰材料领域朝气性能好且节能环保方向发展

[2]。

4、结语

水泥混凝土的生产性能和使用寿命是衡量国家经济水平及现代化建设中物质基础性材料科学、技术与结构应用领域前沿科技最重要指标,同时也关系到国民经济社会发展以及人民生活质量提高。水化动力学方法作为一种重要而又有效可行并且较为成熟地手段被广泛应用于各个领域，本文对硅酸盐水泥生产中制备过程进行分析总结并指出它存在的问题以及意义，并对其未来发展进行概括。

参考文献

[1]刘斌.硅酸盐水泥水化动力学简化模型分析[J].工业C,2016:133.

[2]祁冰,张长森.硅酸盐水泥基发泡水泥的试验研究[J].广东化工,2015:82+88-89.