水泥和混凝土是建築中的基本材料，以其多功能性、強度和耐用性而著稱。它們的化學性質非常複雜，涉及幾個關鍵組分和過程。以下是水泥和混凝土背後化學的概述：
水泥化學
水泥是一種細粉末，在混凝土中起著粘合劑的作用。最常見的水泥類型是波特蘭水泥，其主要由以下化合物組成：
1. 三鈣矽酸鹽（C₃S）：
- 化學式：3CaO·SiO₂
- 與水迅速反應，在混凝土中提早發展強度。
2. 二鈣矽酸鹽（C₂S）：
- 化學式：2CaO·SiO₂
- 反應較慢，有助於混凝土的長期強度。
3. 三鈣鋁酸鹽（C₃A）：
- 化學式：3CaO·Al₂O₃
- 與水迅速反應，並促使水泥的初始凝固。
4. 四鈣鋁鐵酸鹽（C₄AF）：
- 化學式：4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃
- 有助於顏色並且可以與水反應，雖然與C₃S和C₂S相比對強度影響較小。
水化過程
當水泥與水混合時，會發生一系列化學反應，稱為水化。這個過程是放熱的（釋放熱量），並分幾個階段進行：
1. 初始混合：
- C₃A與水反應形成鋁酸鈣水合物和熱量。
- 石膏（用於控制凝固時間）與C₃A反應形成石膏石膏（鋁酸鈣硫酸鹽水合物）。
2. 引導期：
- 一個靜止期，混凝土可操作，可進行放置和成型。
3. 加速階段：
- C₃S開始顯著反應，形成矽酸鈣水合物（C-S-H）和氫氧化鈣（Ca(OH)₂）。此階段有助於初次凝固和強度增加。
4. 減速階段：
- 反應速率減慢，因為水化產物在未反應的水泥顆粒周圍形成保護層，控制進一步的水化。
5. 長期水化：
- C₂S反應較慢，隨著時間的推移繼續形成C-S-H，有助於混凝土的強度和耐久性。
混凝土化學
混凝土是一種由水泥、水、骨料（沙、礫石或碎石）和有時添加劑（用於修改性質的化學品）組成的複合材料。混凝土中的關鍵反應和組分包括：
1. 骨料：
- 提供體積和穩定性。它們佔混凝土體積的約60-80％。
- 可以是細骨料（沙）或粗骨料（礫石或碎石）。
2. 水：
- 對水泥的水化至關重要。
- 水泥水比是確定混凝土強度和耐久性的關鍵。較低的比例會導致較高的強度但降低了可操作性。
3. 添加劑：
- 用於改變性質，如凝固時間、可操作性和耐久性。
- 常見類型包括塑化劑（改善可操作性）、加速劑（加速凝固）、減速劑（延緩凝固）和抗凍劑（改善抗凍性）。
性質與表現
混凝土的表現取決於幾個因素：
- 強度：主要受水泥水比和水泥組成的影響。
- 耐久性：受原材料質量、养护工艺和环境条件影响。
- 可操作性：對於混凝土的擺放和壓實至關重要，受到混合設計和使用的添加劑的影響。
總之，水泥和混凝土的化學涉及一系列複雜的反應，將水泥、水和骨料的混合物轉化為堅固耐用的建築材料。通過精心控制混合設計和使用各種添加劑，可以定制混凝土的具體性能和表現。