1.3 硅酸盐混凝土的强度形成

生产硅酸盐混凝土的原材料要求能提供CaO和SiO₂，提供CaO的材料有石灰、水泥和粒状高炉矿渣，水泥和矿渣同时也提供了部分SiO₂；提供SiO₂的材料有石英砂、粉煤灰及其它工业废渣。不论用什么原材料生产硅酸盐混凝土，其实质都是CaO与SiO₂在水热条件下合成水化硅酸钙，以此作为硅酸盐混凝土的胶凝物质，与尚未反应的材料颗粒结合在一起，构成混凝土的整体强度。当掺有石膏时，还有CaSO₄及粉煤灰、水泥中含有的Al₂O₃等参与反应。因此，水化产物还包括水化铝酸钙、水化硫铝酸钙等。

原材料的溶解度

水化反应一般要经过原材料在液相中的溶解、过饱和析晶、晶体长大形成结晶结构等过程。原材料的溶解，即石灰水化后的Ca(OH)₂和砂、粉煤灰中SiO₂溶解到液相中，然后结合为各种组成的水化硅酸钙。因此，原材料在各种条件下的溶解度，直接影响到水化产物的生成及组成。

各种物质的溶解度均与温度相关。Ca(OH)₂的溶解度随温度的升高而下降，如在25℃时，溶解度为1.13～1.3g/l，99℃时为0.52～0.60g/l，174.5℃时为0.1～0.15g/l。相反，砂及无定型硅胶的溶解度随温度的升高而增加。当温度为25℃时，砂的无定型SiO₂溶解度仅0.04～0.1g/l，在99℃时增至0.2～0.3g/l,溶解度极小，但当温度超过150℃以上后，溶解度迅速增加，在174.5℃时，达到0.6～0.7g/l。无定型硅胶的溶解度稍大，在25℃时就达到0.1～0.14g/l，100℃时达0.36～0.42g/l，174.5℃时为0.7～0.8g/l。

由此可见，在室温条件下及至1000℃的蒸养条件下，由于砂的溶解度很小，石灰与砂很难反应。因此，室温养护及蒸养的灰砂制品强度很低，只有将温度提高到1500℃以上（如0.8MPa，174.5℃；1.0MPa，183℃和1.2MPa，191℃），石灰与砂的反应激烈进行。因此，蒸压灰砂制品具有较高的强度。粉煤灰中硅铝玻璃体内的SiO₂一般称之为活性硅，可以把这种SiO₂看成无定型硅胶，由于它在100℃时就具有较大的溶解度，因此，蒸养粉煤灰硅酸盐制品可获得一定强度（但在这种温度下生成的水化产物主要是CSH(I)，制品的收缩性能等较差。在174.5℃，开始大量生成托勃莫来石时，制品性能才能得以提高）。

蒸压过程中，石灰与砂反应的历程

水泥－石灰－砂加气混凝土的强度主要来源于石灰与砂的水化反应生成物。如前所述，石灰与砂的反应应在蒸压条件下进行。在蒸压的初期，SiO₂溶解速度甚慢，溶解物还未来得及迁移到砂粒之间的空间就被结合成C₂SH(A)，并形成砂粒的镶边。随着液相中Si02增多和Ca(OH)，溶解度的降低，溶解的SiO₂迁移距离增加，在离砂粒表面较近的地方形成单碱水化物CSH(I)，而在稍远的地方生成C2SH(A)，在更远的地方仍然存在尚未结合的游离CaO。

当蒸压继续进行，靠近砂粒处生成CSH(B)和C－S－H凝胶。而原来的CSH(I)处再结晶为托勃莫来石，托勃莫来石并不首先出现在砂粒表面上(参见图1—3)。

随着蒸压处理时间的延长，砂粒表面的包镶层逐渐增厚，越来越密实，水份向砂粒表面渗透受到阻碍，而砂粒溶解后的产物向外迁移也越来越困难，最后甚至被迫停止，这样，水化产物的析出必然越来越少，因而强度增长率也就逐渐衰减了。

灰砂硅酸盐混凝土的强度

以石灰和砂子为主要原料的硅酸盐混凝土制品是靠CaO与SiO₂生成的水化产物将未参加反应的砂粒胶结在一起而获得强度的。在砂子质量较好，配合比合适时，获得高强度的关键在于控制适当的水化产物的数量，水化生成物的碱度和结晶度。

当水化物数量较少，水化层厚度较薄时，水化产物不能充分地把砂粒粘结在一起形成坚硬的整体。水化层如果太厚，则可能因缺少坚强的骨架，强度反而下降，同时使制品产生较大的干缩。

水化物的碱度决定了水化物的晶型。碱度太高，制品强度必然降低，而碱度不足则对生成水化物不利。

水化物的结晶度决定了水化物的胶凝性能和强度。结晶度较低者，晶粒细小而量多，具有较好的胶凝性；结晶度良好的，晶粒粗大而量少。比较理想的情况是在大量细小结晶水化物中穿插着适当数量的粗大晶体、连生体，结晶度较低的CSH(I)中伸入一些结晶好的托勃莫来石，能够显著提高制品的强度。而过多的托勃莫来石甚至单一结晶良好的托勃莫来石连生体，其强度反而较低。若水化物为结晶硬硅钙石则强度将更低。

粉煤灰制品的水化产物

水泥－石灰－粉煤灰加气混凝土和水泥－石灰－砂加气混凝土一样，其强度的基本来源也是水化生成物。

粉煤灰的主要组成是硅、铝玻璃体，其数量一般达70％左右，主要成分SiO₂和Al₂O₃，是粉煤灰活性的主要来源，（粉煤灰的活性是指粉煤灰与石灰等碱性物质进行反应的能力，这是与砂子最大的不同之处)。此外，尚有莫来石、石英等结晶矿物以及未燃尽的碳粒。

粉煤灰制品能够在蒸养条件下合成胶凝物质，有赖于粉煤灰中的玻璃体参与反应，莫来石及石英都是晶体矿物，在蒸养条件下，一般不参与水化反应，而只起到微集料作用。粉煤灰中玻璃体具有活性，是因为粉煤灰在熔融状态下，经过淬冷，使自由的分子没有来得及进行排列而固化，使其积聚了相当的内能，一但在碱性条件下，自由的分子就很容易析出与石灰水化以后的Ca(OH)₂进行反应。在蒸压养护条件下，粉煤灰中的石英和莫来石参加到生成水化产物的反应中来，成为提供SiO₂的来源之一，而水化反应的最终产物也与蒸养的有所不同。

蒸养粉煤灰制品的水化产物主要是：1）水化硅酸钙，主要是CSH(I)。基本上没有托勃莫来石；2）水化硫铝酸钙，包括单硫型三硫型；3）水石榴子石。

在蒸压养护条件下，粉煤灰制品进行水化反应时的温度通常要求在174.5℃或更高，CSH(I)在较高温度下转变为托勃莫来石，同时，粉煤灰中的莫来石和石英晶体，开始溶解参与反应，因而粉煤灰制品中的水化生成物，不仅有CSH(I)和水石榴子石，而且还有较多的托勃莫来石，水化产物的数量也增多了，晶胶比得到合理匹配。从而提高了制品强度，降低了制品的干燥收缩和碳化收缩，这是蒸压制品与蒸养制品的重要差别。