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加气混凝土的结构及强度形成原理
加气混凝土是一种多孔硅酸盐混凝土，它的各种物理力学性能取决于蒸压养护后的混凝土结构，包括孔结构及孔壁的组成。
和一般硅酸盐混凝土一样，加气混凝土的孔壁的组成，是由钙质材料与硅质材料在水热处理过程中所生成的一系列水化产物的种类和数量决定的，也是使加气混凝土具有一定的物理力学性能的原因。
加气混凝土的孔结构，不仅有如同一般硅酸盐混凝土那样的微孔结构，还有铝粉所形成的气孔，这些对加气混凝土的物理力学性能有着极大的影响。
第一节 加气混凝土的结构
加气混凝土的结构系气孔与孔间壁组成。对于体积密度为500kg/m3的加气混凝土而言。其气孔含量约为整个混凝土体积的50%，其余50%即为孔间壁。
气孔由铝粉在料浆中发气形成，并在硬化过程固定在混凝土中，气孔孔径在2mm以内，一般大都为0.2~0.8mm。
孔间壁是加气混凝土的基本材料在水的作用下，经过蒸压养护后形成的人造石。它的组成为水化产物、末水化的材料颗粒和混合水清苦怕孔隙。
显然，加气混凝土的强度及其它物理力学性能决定于：孔间壁的构造和强度；气孔形状、孔径、气孔含量以及分布的均匀性。
一 加气混凝土孔间壁结构
1、 水化产物
加气混凝土的水化产物和一般硅酸盐混凝土相似。以粉煤灰加气混凝土为例，其水化产物主要是CSH（I），托勃莫来石和水石榴子石。
2、 末反应的材料颗粒
对于硅酸盐混凝土而言，不能说水热合成反应越完全，水沦产物越多，混凝土的强度就越高，以一定数量的末反应颗粒构成骨架，水沦产物作为胶结料，包裹在末反应颗粒表面并填充其空隙混凝土整体，其强度及其它物理力学性能最好。
3、 孔间壁内的孔隙
孔间壁内的孔隙结构主要与配料的水料比和水化反应程度有关。一般来说，按孔隙的大小可以概略地分为水化产物内的胶凝孔、毛细孔以及介于两者之间的过渡孔。水化产物内的孔径尺寸较小，其孔径一般小于5mm。毛细孔是原材料一水系中没有被水化产物填充的原来的充水空间，这类孔隙的尺寸比较大，其孔径一般大于0.2mm。在上述两类孔隙之间的，我们称之为过渡孔。
孔径的大小与孔隙率对混凝土强度的影响较大，但加气混凝土本身是一种多孔结构，相对来说，孔间壁内的孔隙对强度的影响不如气孔结构对强度的影响大。
二加气混凝土孔结构
加气混凝土的强度受气孔的结构及形状的影响较大。
加气混凝土的气孔率主要取决于铝粉的加往入量，从而也就决定了加气混凝土的体积密度，加气混凝土的强度同样服从于孔隙率理论，气孔率越大，体积密度越小，强也就越低。如果保持气孔率不变（体积密度也相应地不变），改变气孔的大小，也可以改变加气混凝土的强度。在工艺条件许可时，尽量减小气孔的尺寸，将可以提高加气混凝土的强度，如果将气孔与孔间壁中的毛细孔、胶凝孔一起计算孔隙率，加气混凝土的总孔隙率可达70%（当体积密度为500kg/m3时）。有的研究者认为，如果保持孔隙率不变，减少气孔含量，增大毛细孔含量，同样可以提高加气混凝土的强度。
气孔的开关因生产工艺条件不同而分为封闭的圆孔（更多的是椭圆孔）、没有完全封闭的孔和完全贯通的孔三类，其中，第一种孔对强度等物理力学性能的不利影响最小，而第三类影响最大。
第二节 硅酸盐混凝土水化产物及物理力学性能
加气混凝土的结构是由气孔和孔间壁组成，而孔间壁又是由水化产物，末水化的材料颗粒及孔隙组成。因此，讨论加气混凝土的强度及其它物理力学性能，就必须认识水化产物。如作深入的探讨必须具备专业知识和专门的手段，这对于工厂生产来说尚无必要，因此，我们在此只作一般性的讨论。
一 水热处理过程中的水化产物与物理力学性能
硅酸盐混凝土在高压釜中所进行的一系列物理化学反应（即水热反应）使硅酸盐凝土中各组成材料之间在较高温度下互相反应，产生一系列水化产物，如水化硅酸钙，水化铝酸钙，水化铝硅酸钙和水化硫铝酸钙等。这些产物将混凝土中各固体颗粒胶结在一起，形成牢固的整体结构，赋予混凝土全新的物理化学性质。人们把这一在水热条件下合成新的水化产物的过程称为水热合成。
硅酸盐混凝土的水热合成反应，本质上是石灰的水化产物—Ga(OH）2或水泥中的硅酸三钙，硅酸二钙水化时析出的C—S—H凝胶和Ga(OH)2与硅质材料中的SiO2、Al2O3以及水之间的化合反应。当原料中有石膏时（主要成份CaSO4)，石膏中的CaSO4也参与反应。因此，我们先来认识CaO、SiO2、Al2O3与水反应的情况及产物。
1 CaO—SiO2—H2O系统
用蒸压合成方法制得的水化硅酸钙矿物至少有17种，硅酸盐混凝土中常见的矿物有以下几种：表1—1几中主要的水化硅酸钙
矿物组成
鲍格命名
泰勒命名
矿物组成
鲍格命名
泰勒命名
C2SH0.9~1.25
C2SH（A）
a--C2SH
C2SH2~4
C2SH2
C2SH(II)
C2SH1.4~1.5
C2SH(B)
β—C2SH
C2SH1.1
CSH(A)
燧石CSH
C2SH0.3~1.0
C2SH（C）
У—C2SH
C1.0~1.5C2SH1.0~2.5
CSH（B）
CSH（I）
注：C—CaO; S—SiO2; H——H2O， 下文中A——AI2O3
可以看出：以上水化产物主要可以分为双碱（2个C）型和单碱（1个C）型水化产物。
（1） CSH（I）
CSH（I）是硅酸盐混凝土中最主要的水化生成物之一，是一种结晶度较低的单碱水化硅酸钙，其晶体呈纤维状，结构为层状，与膨胀粘土矿物相似。
CSH（I）单矿物有较高的抗压强度；当周围介质相对湿度降低时引起的干燥脱水使其产生较大的收缩；在CO2作用下，分解生成高度分散的方解石，强度有较大降低。
（2） 托勃莫来石（C5S6H5~9）
托勃莫来石也是硅酸盐混凝土中最主要的水化生成物，是一种结晶完好的单碱水化硅酸钙，在蒸压养护时间较长的情况下，半结晶的CSH（I）可以逐渐变成结晶良好的托勃莫来石。托勃莫来石的结晶呈薄片状。
托勃莫来石的强度比CSH（I）低，但是，在细小晶体的CSH（I）中穿插一些托勃莫来石，其强度比单一CSH（I）试件高出约一倍，在CO2作用下，也被分解成方解石。但碳化后强度降低减小；托勃莫来石的干燥收缩值比CSH（I）要小得多。
（3） C2SH2
C2SH2是碱度的水化硅酸钙，一般仅存在于蒸压条件的开始阶段，以后就分解成CSH（I）和Ca(OH)2。它和CSH（I）一样是纤维状结构。
（4） 硬硅钙石
硬硅钙石是纯纤维状结构的致密矿物，是一种含水量低的单碱水化硅酸钙，其强度低于CSH（I）及托勃莫来石，但干燥收缩值很小。
（5） 双碱水化硅酸钙C2SH（A）、C2SH（B）、C2SH（C）
往往存在于蒸压开始阶段的双碱水化硅酸钙，当蒸压时间延长，转变为低碱水化物，但当石灰量较多或水泥较多时，可能稳定存在双碱水化物。
双碱水化硅酸钙的强度普遍低于单碱水化物，但其结晶较好，碳化系数（碳化后强度比碳化前强度）高，收缩值小。
2 CaO_AI2O3_H2O系统
常温下，这一系统中的矿物很多，但在高温水热处理下，都将转化为C3AH6，这是唯一能稳定存在的化合物，C3AH6是立方晶体，强度低，但抗碳化性能好，经碳化后强度不但不降低，反而有所提高。
3 CaO_AI2O3_—SiO3_H2O
水石榴子石是随着蒸压温度的变化及原材料的变化而变化，通常其结构在C3AH6到C3AS3之间，显然变化是因SinO2代替H2O而成。
水石榴子石有很强的结晶能力，其强度并不高，但其干湿循环及碳化强度均较高，强度也在单碱水化物和双碱水化物之间。
4 CaO_AI2O3_CaSO4_H2O系统
（1） 三硫型水化硫铝酸钙，晶体呈六角形柱状或针状结晶，当其形成时，固相体积增加27倍。
（2） 单硫型水化硫铝酸钙，晶体呈六角形片状，当其形成时，固相体积不增大。
三硫型水化硫铝酸钙在125~175。C范围内是稳定的。
表1——2人工合成的水化硅酸钙单矿物的性能
水化物名称
合成条件
末碳化的试件
45昼夜碳化的试件
立方试样
棱柱试样
立方试样
棱柱试样
温度（。C）
时间
体积密度
kg/m3
抗压强度
（MPa)
体积密度
kg/m3
抗压强度
（MPa)
体积密度
kg/m3
抗压强度
（MPa)
体积密度
kg/m3
抗压强度
（MPa)
托勃莫来石
175
24
1.32
32.5
1.19
3.2
1.58
0.245
1.34
0.85
CSH（B）
200
120
1.33
16.5
1.06
3.0
1.71
0.23
1.31
0.20
硬硅钙石
250
168
1.15
12.5
1.00
7.5
1.5
0.165
1.27
0.60

200
96
1.13
1.9
0.87
0.15
1.36
0.07
0.97
0.18
C2SH（C）
250
240
1.11
1.8
0.98
0.25
1.38
0.155
1.33
0.40
表1—3几种水化产物的强度及其他性能
水化产物
抗折强度（MPa)
抗冻性
（次）
碳化收缩
（%）
合成后
碳化后
干湿循环后
托勃莫来石
3.5
3.0
2.3
18
2.6
CSH（B）
4.0
3.3
2.6
12
4.0
硬硅钙石
8.3
7.6
6.0
23
0.96
C2SH（A）
0.5
5.0
1.6
105
0.54
C2SH（C）
0.8
2.8
1.4
75
0.37
C3SH6
2.4
3.2
2.6
---
0.22
C3ASH4
1.9
2.7
2.3
---
0.14
二 水化产物的综合强度
硅酸盐混凝土中，其胶凝物质不可能是某一种纯粹的水化产物，而总是由多种水化产物的混合相或连续相组成。因此，有必要对几种水化产物的综合强度进行讨论。
杨波尔研究了数种水化产物以不同比例组成的凝胶物质胶结的试件强度，其中以托勃莫来石+CSH（I）胶结的试件强度最高（设其相对强度为了00%）；CSH（I）或CSH（I）+CSH（II）次之（相对强度56~62%）；水化钙铝黄长石（含70~80%）+CSH（I）再次之（相对强度20~30%）；水石榴子石（含70~80%）+CSH（I）（含20~30%）更次之（相对强度13~20%）；C2AH6+水石榴子石最低（相对强度3~4%）。
以上只是从强度的角度研究了几种水化产物组合在一起的性能，而硅酸盐混凝土的其它的物理力学性能并不与强度性能一致，因此，需要综合考虑获得某种理想组成的胶凝物质。
第三节 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有胶凝物质，与尚末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AI2O3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。
一原材料的溶解度
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，然而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了降，如下25。C时，溶解度1.13~1.3g/1,99.C时为0.52~0.60g/1,174.5.C时为0.1~0.15g/1。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。C时，砂的无定型SiO2溶解度在0.04~0.1g/1，在99。C时为0.2~0.3g/1,溶解度极小，但当温度超过150。C以后，溶解度迅速增加，在174.5。C时，达到0.6~0.7g/1。无定型硅胶的溶解度稍大，在25。C时就达0.1~0.14g/1，100。C时达0.36~0.42g/1，174.5。C时为0.7~0.8g/1。
图略
，由此可见，在室温条件下及至100。C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底，只有将温度提高到150。C以上（如0.8MPa，174.5。C；1.0MPa，183。C和1.2MPa,191.C），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。C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（但在这种温度在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。C，开始大量生成托勃莫来石时，制品性能才能得以提高。
二 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热合成反应生成物。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），并形成砂料的镶边。随着液相中SiO2增多和Ca(OH)2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，靠近砂料处生成CSH（B）和C—S—H凝胶。而原来的CSH（I）部分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）略。
随着蒸压处理时间的延长，砂粒表面的包镶逐渐增厚，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。
三 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生成的水化产物将末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）中掺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，使强度反而较低，若水化物为结晶硬硅钙石则强度将更低。
四 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，主要万分SiO2和AI2O3是粉煤灰活性的主要来源，（粉煤灰的活性是指粉煤灰在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，有懒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，一般不参与水热合成反应，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，一旦在碱性条件下，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，而水热合成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热合成产物主要是：1、水化硅酸钙，以CSH（I）为主，基本上没有托勃莫来石；2、水化硫铝酸钙，包括单硫型和三硫型；3、水石榴子石。
在蒸压养护条件下，粉煤灰制品进行水热合成反应时的温度通常要求在174.5。C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，这也是蒸压制品与蒸养制品的重要差别。

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