水泥和混凝土是建筑中最基本的材料，以其多功能性、强度和耐久性而闻名。它们的化学成分相当复杂，涉及多个关键成分和过程。以下是水泥和混凝土背后的化学概述：
水泥化学
水泥是一种在混凝土中起粘结作用的细粉。最常见的水泥类型是波特兰水泥，主要由以下化合物组成：
1. 三钙硅酸盐 (C₃S)：
- 化学式：3CaO·SiO₂
- 与水迅速反应，导致混凝土早期强度的发展。
2. 二钙硅酸盐 (C₂S)：
- 化学式：2CaO·SiO₂
- 反应较慢，有助于混凝土的长期强度。
3. 三钙铝酸盐 (C₃A)：
- 化学式：3CaO·Al₂O₃
- 与水迅速反应，有助于水泥的初始凝固。
4. 四钙铝铁酸盐 (C₄AF)：
- 化学式：4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃
- 有助于颜色，并可与水反应，但对强度的影响比C₃S和C₂S小。
水化过程
当水泥与水混合时，会经历一系列称为水化的化学反应。这个过程是放热的（释放热量），并分几个阶段进行：
1. 初始混合：
- C₃A与水反应形成水合铝酸钙和热量。
- 石膏（添加以控制凝固时间）与C₃A反应形成钙矾石（硫酸铝酸钙水合物）。
2. 诱导期：
- 这是一个混凝土可操作的静止期，允许放置和成型。
3. 加速期：
- C₃S开始显著反应，形成水合硅酸钙 (C-S-H) 和氢氧化钙 (Ca(OH)₂)。这个阶段有助于初始凝固和强度增长。
4. 减速期：
- 随着水化产物在未反应的水泥颗粒周围形成保护层，反应速率减慢，控制进一步的水化。
5. 长期水化：
- C₂S反应较慢，随着时间的推移继续形成C-S-H，有助于混凝土的强度和耐久性。
混凝土化学
混凝土是一种由水泥、水、骨料（砂、砾石或碎石）和有时的外加剂（用于改变性质的化学品）组成的复合材料。混凝土中的关键反应和成分包括：
1. 骨料：
- 提供体积和稳定性。它们占混凝土体积的60-80%。
- 可以是细骨料（砂）或粗骨料（砾石或碎石）。
2. 水：
- 对水泥的水化至关重要。
- 水灰比对确定混凝土的强度和耐久性至关重要。较低的比率会导致更高的强度但降低可操作性。
3. 外加剂：
- 用于改变例如凝固时间、可操作性和耐久性等性质。
- 常见类型包括塑化剂（改善可操作性）、促凝剂（加速凝固）、缓凝剂（延缓凝固）和引气剂（改善抗冻融性能）。
性能与表现
混凝土的性能取决于几个因素：
- 强度：主要受水灰比和水泥成分的影响。
- 耐久性：受原材料质量、养护过程和环境条件的影响。
- 可操作性：对于混凝土的放置和压实很重要，受混合设计和使用的外加剂的影响。
总之，水泥和混凝土的化学成分涉及一系列复杂的反应，将水泥、水和骨料的混合物转变为一种强大而耐用的建筑材料。通过仔细控制混合设计和使用各种外加剂，可以调整混凝土的特定性质和性能。