第2章油井水泥及其外加剂.docx
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第2章油井水泥及其外加剂
第2章油井水泥及其外加剂
概述
固井是油井建设进程中的要紧环节，固井质量的好坏直接关系到该井的继续钻进，和后续完井、采油、修井等各项作业质量。
质量较差的固井作业会引发地层堵塞、水窜、气窜、套管侵蚀和降低原油采收率。
近十年的研究和实践都说明，良好的完井可提高油气产量5%~10%。
固井作业有两个要紧环节，即下套管和注水泥。
通过注水泥施工，用油井水泥填充套管和井眼之间的环形空间。
它的要紧作用是隔间流体在层间流动，支撑套管，避免管壁侵蚀，封隔漏失层或低压层等。
注水泥进程是指配制水泥浆，把它沿套管向下泵送并上返至套管外环型空间，在环型空间凝结的进程。
通过24~72h候凝以后，凝结的水泥应用具有较低的渗透率和必然的抗压强度，测井合格后，完井射孔或继续钻进。
钻井液或泥饼中的化学处置剂可能使随后顶替它的水泥浆造成污染，改变水泥浆的性能或使水泥浆含有气泡，因此，注水泥前需要用冲洗液清洗环形空间或打入一段隔离液。
隔离液可用稠化水，稀的水泥浆或未经处置的膨润土、粘土泥浆、磷酸盐溶液等，假设油基泥浆那么用柴油作隔离液。
隔离液不仅应具有必然的稳固性，低滤失性，而且在密度、流变性能上与钻井液和水泥浆相配伍。
提高水泥浆对泥浆的顶替效率，避免水泥浆滞留下窜槽泥浆是保证固井质量，为环形空间提供有效密封的关键。
阻碍水泥浆对泥浆的顶替效率的诸因素中，顶替流态是一个重要因素。
当排量一按时，不同的水泥浆可能具有不同的流态。
水泥浆的流态，能够通过实验测定流变参数，采纳最适合的模型进行计算而确信。
因此又能够通过流变参数的测定，进行科学注水泥的顶替设计。
固井的室内和现场研究说明，在相同顶替速度时，水泥浆处于紊流状态有助于提高顶替效率。
处于紊流状态下的水泥浆有沿流体总方向的轴向运动，也有径向运动，能比较均匀地推动。
因此，在上返时能有效地顶出泥浆，避免窜槽。
固井施工后，需对固井质量进行评判，检查是不是达到固井的施工要求。
一样通过水力测试和利用测井方式对固井质量进行评判。
前者是通过水力封隔测试确信水泥面的方式对固井质量进行评判，而后者主若是通过温度、噪声和声波等测井方式评判水泥面的位置，检查水泥的窜槽、界面的胶结强度等进行测试。
专门用于油气井固井的水泥称为油井水泥。
石油工业所涉及和应用的水泥类型、标准和实验方式的制订，在国际上要紧由ASTM（美国材料实验学会）和API（美国石油学会）完成。
我国的国家标准，也是参照ASTM标准和API标准制定的。
经常使用的油井水泥主若是硅酸盐水泥。
因为呈灰色，同英国海岸外围波特兰岛上的石头颜色很相似，故得名“波特兰”水泥。
1903年世界上第一次在油井中利用水泥，以封堵水层。
而第一次用水泥封堵井眼与套管的环形空间，那么是1910年在美国加利福尼亚油田实施的。
直到20世纪30年代末才开始利用水泥外加剂，它的应用使注水泥技术发生了重大的飞跃。
除标准的油井水泥外，有一些特殊的水泥也用于油气井注水泥。
例如火山灰水泥，石膏水泥、高铝水泥、超细水泥、柴油水泥等，它们往往在一些特殊条件下才利用。
波特兰水泥
2.2.1水泥的生产和化学组成
波特兰水泥是研磨得很细的含钙的无机化合物的混合物，在水中能水化和硬化，是目前最经常使用的水硬性胶凝材料。
制造波特兰水泥的原材料是石灰石和粘土或页岩类。
石灰石中CaO的质量分数应高于45%，粘土矿物按质量分数SiO2为60%~70%，Al2O310%~20%，Fe2O34%~9%。
若是粘土矿物中SiO2不足时可加入硅石、火山灰、硅藻土等。
粘土和页岩中含铁、铝不够时，尚须加入必然量的铁矿石和含铝高的原材料。
在这些原材料中加入少量的矿化剂（如荧石）能够改善煅烧条件。
波特兰水泥的生产流程分为原料混配、粉碎、煅烧、冷却、熟料研磨等单元。
依照原料的混配和粉碎不同，生产工艺可分为干法和湿法两种，湿法生产配料准确，混拌均匀，但能量消耗大。
在改良了干法原料混配流程后，目前厂家多利用干法生产。
图2-1和图2-2别离是水泥原料混配和煅烧的工艺流程。
图2-1是按指定的化学成份确信各原料的比例，磨碎后在旋转干燥器中干燥混合，然后送入筒式研磨机中研磨，并经挑选后进行干混搅拌即干法置备生料。
图2-2是煅烧处置生产流程。
把生料送进转窑内，在1450~1650℃高温下煅烧成水泥熟料，迅速冷却后，进行磨细，并加入少量石膏以调剂水泥的凝结时刻。
图2-1干混法生产流程
注：
在硅酸盐水泥中，氧化物的简写方式如下：
C——CaO；S——SiO2；A——Al2O3；F——Fe2O3；M——MgO；H——H2O；
——SO3；CH——Ca（OH）2。
生成物即水泥熟料，其中CaO60%~67%,SiO220%~24%,Al2O34%~7%,Fe2O32%~5%（均为质量分数）。
图2-2煅烧处置生成产流程
水泥熟料的四种要紧成份是在生料煅烧进程中不同的温度下生成的。
其物料反映为：
以下为碳酸钙的分解带，释放出大量的CO2，反映式如下：
在1000℃为放热带，主若是固相反映：
下一段为熔烧带（1300~1500℃）要紧为液相反映。
C4AF,C3A,MgO等均成熔融状态，C2S转化成C3S见以下反映式：
其中1300~1450℃时期，由C3A,C4AF熔融后产生的液相把CaO和部份C2S溶解，C2S吸收CaO形成C3S必需有充分的时刻，以保证C3S的生成，不然，过量的游离CaO的存在，将阻碍水泥的安宁性。
2.2.2水泥熟料矿物的结构
通过了解水泥的生产进程，能更好地明白得熟料矿物的结构特点。
水泥熟料矿物中要紧成份C3S和C2S属硅酸盐矿物，硅酸盐晶体结构很复杂，它不是化学上按偏硅酸盐，正硅酸盐或多硅酸盐分类，而是依照晶体硅氧四面体（用[SiO4]来表示）在结构排列方式的不同来分类的。
通过大量硅酸盐晶体的结构分析发觉，硅酸盐结构中Si4+与Si4+之间不存在直接的键，而键的联系是通过氧来完成的，每一个Si4+存在于四个O2-为定点的四面体的中心，组成[SiO4]四面体，也可用[SiO4]4-的络阴离子形式来表示。
它是硅酸盐晶体结构的基础。
硅酸盐中[SiO4]四面体的结合有岛状、组群状、链状、层状和架状等五种形式。
水泥熟料矿物中要紧成份C3S、C2S及其各类晶形，属于岛状结构。
这一类结构之因此称为岛状是因为[SiO4]四面体各个顶角并非相互连接，每一个O2-除已经与一个Si4+相接外，再也不与其它的硅氧四面体中的Si4+相配位。
如此，每一个O2-剩下的一价可与其它金属离子相配位而达到电价的知足。
例如C3S或C2S中的氧能够和Ca2+、Mg2+、Fe2+等配位而组成八面体或十二面体。
研究硅酸盐晶体的稳固性对研究波特兰水泥具有重要的意义。
阻碍硅酸盐晶体的稳固性的因素很复杂，但晶体结构的有序度和金属离子具有的配位数，配位是不是规那么和正、负离子的价键是不是知足是评判硅酸盐晶体是不是稳固的重要因素。
2.2.2.1硅酸三钙（C3S）
硅酸三钙是水泥中含量最多的矿物成份。
一样油井水泥中含量为40%~65%。
是水泥产生强度的要紧化合物。
水泥的初期强度也是由C2S产生的。
如需要高初期强度的水泥，那么C3S的含量可相应增高。
C3S相对密度为，。
稳固温度1250~2150℃，在高于2150℃时分解为CaO和液相，在低于1250℃时分解为C3S和CaO。
可是，C3S的分解仅在1250℃周围时才会迅速进行，在低温下这一分解很弱。
因此在水泥生产工艺中，是把水泥熟料放在冷却机中急冷以尽可能减少C3S的分解。
从1100℃到室温，C3S有六种多晶形式，在常温下保留下来的是三斜晶系T-C3S。
由于水泥熟料中含有MgO、Al2O3等，它们仍能进入C3S晶格并形成固溶体使三方晶系R-C3S和单斜晶系M-C3S稳固。
因此，C3S的结构具有如下特点：
（1）硅酸三钙是在常温下存在的介稳的高温型矿物。
从热力学的观点来看，这种介稳状态的C3S具有较高的内能使其化学活性较大，有较高的反映能力。
（2）由于Mg2+、Al3+进入C3S结构中形成固溶体，尽管没有破坏晶体的结构，但外来的组分占据了晶格结点的部份位置，破坏了节点排列的有序性，引发周期势场的畸变，造成结构不完整。
例如，若是Al3+取代Si4+，二者离子半径相差45%以上，电价也有不同，于是引入Mg2+以补偿静电。
造成C3S变形，价键不饱和状态，容易和极性OH-或极性水分子相互作用。
（3）在硅酸三钙结构中，钙离子处于[CaO6]10-八面体中，其配位数为6，比正常配位数（8~12）要低，而且6个氧处于不规那么散布，使结构产生较大“空穴”。
钙离子那么具有较高的活性，成为活性阳离子，容易进行水化反映。
（4）在形成固溶体结构时，为了保证电中性，结构中显现部份离子空位缺点，提高了C3S水化活性。
实验说明，固溶程度越高，矿物活性越高。
2.2.2.2硅酸二钙（C2S）
硅酸二钙在油井水泥组成中约占20%~30%，是一种缓慢水化矿物，它能慢慢地长时刻地增加水泥强度，对水泥石后期强度阻碍较大。
C2S相对密度为，有α、α′H、α′L、β、γ五种晶型，其中α′H和α′L是α-C2S在高于1160℃和低于1160℃时的两种晶型，温度转变时，C2S晶体转变如下：
从上式能够看出，α′L-C2S在725℃时能够直接转变成γ-C2S，但γ-C2S没有胶凝性质，而β-C2S具有胶凝性质，γ-C2S的生成会降低水泥的质量。
由于α′L-C2S在结构上与βC2S极为相似，而与γ-C2S相差甚大，水泥生产工艺上采纳急冷方式，使α′L-C2S的晶格来不及重排生成γ-C2S，于是就生成结构类似β-C2S的晶体。
同时，水泥原料中存在的或外加的少量稳固剂如Al2O3、Fe2O3、MgO、Cr2O3、V2O5、P2O5、B2O3、Mn2O3等与C2S形成固溶体，使β-C2S晶格稳固，避免其转变成γ-C2S。
能够看出，β-C2S的结构特点如下：
（1）β-C2S是过冷形成的常温下存在的介稳固结构，具有热力学不稳固性。
（2）在β-C2S结构中，钙离子的配位数一半是6，一半是8，每一个氧和钙的距离不等，因此也是不稳固的，具有较高的活性。
（3）MgO、SrO或BaO形成的硅酸盐如Mg2SiO4与β-C2S形成置换型固溶体（即在硅酸盐的形成进程中，晶体中的一种离子被另一种离子取代）。
而稳固剂P2O5、B2O3等形成[BO4]5-、[PO4]3-置换[SiO4]4+生成固溶体引发电价不平稳，提高了β-C2S的反映活性。
（4）在β-C2S结构中不具有C3S结构中具有的大空穴，因此，它的水化速度较慢。
2.2.2.3铝酸三钙（C3A）
铝酸三钙是促使水泥快速水化的矿物成份，水化热大，对水泥的初凝时刻和稠化时刻有较大的阻碍。
它对硫酸盐类的侵蚀灵敏，因此，高抗硫盐类油井水泥所含C3A应降低至3%或更低。
C3A相对密度为。
在显微镜下呈圆型粒子，属立方晶系。
C3A具有以下结构特点：
（1）铝酸三钙是由[AlO4]5-四面体和[CaO6]10-、[AlO6]9-八面体组成，中间为配位12的钙离子松散地联系，因此，结构有较大的空穴。
极性的OH-容易进入C3A晶格内部，使C3A具有的较快水化快速。
当水泥中C3A含量较大时会过快硬化。
（2）在C3A晶体结构中还存在配位数为6的钙离子，也具有较大的活性。
（3）在C3A晶体结构中铝离子也具有两种配位情形，而且四面体[AlO4]5-是变形的，使铝离子也具有较大的活性。
2.2.2.4铁铝酸四钙（C4AF）
铁铝酸四钙是水泥中水化热较低的成份，它使水泥呈深灰色。
在水泥中含有过量的氧化铁（Fe2O3）会增加C4AF含量并降低C3A的含量。
C4AF含量太大会致使水泥石强度下降。
C4AF相对密度为。
C4AF的晶体结构是由四面体[FeO4]5-和八面体[AlO6]9-彼此交叉组成。
其间由钙离子联接。
C4AF常以铁铝酸盐固溶体形式存在。
这一固溶体是铝原子取代铁酸二钙中铁原子的结果，并引发晶格稳固性降低。
值得提及的是水泥中游离CaO和MgO的存在对水泥石的阻碍。
由于高温灼烧使CaO和MgO活性变得很小，往往在水泥硬化后才缓慢水化，膨胀，造成水泥石安宁性差。
因此关于水泥生产，必需把游离CaO和MgO操纵在最小范围内。
上述四种水泥熟料矿物和添加的少量石膏是决定水泥强度、凝结时刻等性质的要紧因素。
依照它们之间的不同配比和适当的工艺技术，就能够够取得不同性质和标号的油井水泥。
咱们不仅能够从水泥熟料矿物晶体的微观结构特点来讲明它们的结构的不稳固性和水化反映的可能性，还能进一步从热力学的观点来分析和判定水泥熟料矿物的水化反映能力。
例如通过化学反映前后物质的熵差可反映物质的几何构型的微观状态，它是反映体系混乱度转变的量度。
在水泥熟料矿物形成的反映进程中，原子排列的有序程度，即稳固性可由反映进程的熵差来判定。
以上两类研究都说明水泥熟料矿物的不稳固性，而且它们不稳固顺序是：
C3A＞C4AF＞C3S＞C2S。
2.2.3水泥水化反映及其机理
前面从晶体化学和热力学两方面讨论了水泥熟料结构的不稳固性和水化的能力。
能生成水化物并非必然能形成胶凝的网状结构。
这就要求水化物应有足够的稳固性和足够的数量，还须水化物能彼此交联，聚集，形成网状结构。
波特兰水泥是多种矿物的聚集体，它与水的彼此作用很复杂。
在研究水泥水化的进程，反映机理和水泥外加剂的作用机理时，为了减少阻碍因素，第一应考虑单矿物，然后再考虑综合因素。
2.2.3.1硅酸盐矿物的水化反映
不同的硅酸钙水化反映能力不同专门大，通过测定在必然的水中，硅酸钙矿物分解出的氧化钙数量，能够看出：
（1）CS在一样条件下不能进行水化反映。
（2）γ-C2S具有很小的水化能力。
（3）β-C2S具有较明显的水化能力，可是水化速度较慢。
（4）C3S具有较强的水化能力。
C3S和C2S在常温下水化反映如下：
应该指出，上述反映仅说明水化产物是氢氧化钙和水化硅酸钙——一大类水化物的总称，而且，产物还能转化。
因此，能够把这一反映统一写为：
其中C-S-H称为硅酸钙凝胶，它表示组分不固定的水化硅酸钙。
硅酸钙的水化反映产物与温度和Ca（OH）2的浓度有关。
一样来讲，Ca（OH）2浓度愈大，水化硅酸钙中CaO:
SiO2（简写成C/S称碱度）比例将会增加。
2.2.3.2铝酸钙矿物的水化
铝酸钙矿物晶格结构的空穴，造成C3A可能具有较高的水化速度。
在水泥四种要紧熟料矿物中C3A水化能力最大，速度最快。
对水泥浆初凝时刻有重要阻碍。
C3A在常温下水化反映的产物可能有C4AH19C4AH13C2AH8和C3AH6等多种水化铝酸钙。
在高碱溶液中以C4AH13为主，在低碱中以C2AH8为主，在30℃以上以C3AH6为主。
C2AH8呈六角片状，它同C4AH19都能在很长时刻存在。
转变成稳固状态的C3AH6（立方晶体）是缓慢的，因此铝酸三钙的水化反映式可表示为：
当稳固的C3AH6生成后，C3A的水化速度减慢，水化反映进入慢反映期。
在水化温度高于100℃时，体系中还有Ca（OH）2，Al2O3·H2O等反映产物。
铁铝酸四钙的水化反映可用下式表达：
这也是一个快反映。
反映产物水化铝酸盐中还含有3CaO·Fe2O3·6H2O等。
2.2.3.3硅酸盐水泥的水化反映
与单矿物比较，硅酸盐水泥的水化反映考虑各单矿物之间的彼此阻碍，产物的阻碍和起调凝作用的石膏的阻碍。
（1）石膏对水化反映的阻碍
铝酸三钙受石膏阻碍最大，它们之间发生反映生成水化硫铝酸钙。
那个反映式的意义在于：
当水泥浆的水灰比（W/C）为~时，能够以为最初反映是在饱和石膏溶液中进行，水化反映生成高硫型水化硫铝酸钙，这是增进水泥产生初期强度的因素，因为它是一种柱状和针状的晶体，有支撑水泥结构的作用。
可是，若是石膏过量，那么会因水化硫铝酸钙体积膨胀引发水泥石结构破坏。
（2）Ca（OH）2的阻碍
硅酸三钙单矿物的水化所产生氢氧化钙，将同C3A发生如下反映：
上述有水化产物参加的水化反映称为二次反映。
二次反映的结果是降低了Ca（OH）2的浓度，并进一步加速了C3S的水化反映。
形成的结晶状水化铝酸盐对水化硅酸凝胶（C-S-H）有增强作用。
C4AF的水化反映也有Ca（OH）2参加：
能够看出，四种水泥熟料矿物的水化都和Ca（OH）2的存在有关。
（3）硅酸盐水泥的水化产物
综上所述，由于硅酸盐水泥是在限量的水中进行水化反映（一样水泥浆水灰比为~，因此，能够以为上述反映是在饱和氢氧化钙和石膏溶液中进行的，故在常温下，水泥的水化产物主若是：
氢氧化钙，水化硅酸钙，高碱度含水铝酸钙，含水铁酸钙和水化硫铝酸钙等。
在高于100℃时，还有Al2O3·H2O等产物。
研究说明，在低于100℃时，水化硅酸钙包括有结晶好的和结晶不行的水化物。
后者的成份也不太恒定。
但是，在高压、温度高于100℃条件下，水化硅酸钙产物中主若是结晶好的水化物。
由此可说明：
温度、压力对水泥水化产物和晶体结构均有较大的阻碍。
这对咱们选择水泥外加剂有指导意义。
2.2.4水泥水化反映速度及阻碍因素
2.2.4.1水泥水化反映速度
水泥水化速度是指单位时刻内水泥的水化程度或水化深度。
而水化程度是指某时刻水泥已发生水化的量与完全水化的量的比值。
即：
（用百分率表示）
测定水泥水化速度的方式很多，能够用光学显微镜观看、拍照、反复多次观看，比较；能够通过X—衍射分析，利用峰高能够定量对照各成份的量；可用差热分析、红外分析、核磁共振等分析方式定性和定量地测定水化速度。
测定水化热和结合水是经常使用于测定水泥水化速度的方式。
实验室一样用微热量热器测定水化热，绝热真空瓶内装有电偶并与记录仪相连，每隔一段时刻记录一次瓶内温度，可得水化热曲线。
由于水化反映是放热反映，通过比较，可测得反映速度。
结合水的测定是基于水泥水化反映要紧表现为它与水的结合。
因此可在不同温度下，取必然量正在水化的水泥进行灼烧，测得水泥在该温度下的烧失量即可求得结合水量。
若是把水泥微粒视为直径相同的球形粒子（图2-3），直径为
假设水化深度为
水泥粒子的体积为
，水化部份的体积为:
因此水化程度为α可表示为：
或
可见
与水化深度h成正比。
咱们能够把水泥水化反映动力学方程写为：
（式中k为常数）
其中α能够用实验的方式确信，t是水化龄期。
通过方程两边取对数，能够取得水化程度—时刻曲线，其斜率为
。
对水泥水化反映动力学的研究说明，在水化初期，水泥熟料矿物水化速度顺序如下：
C3A＞C4AF＞C3S＞C2S
随着水化反映的进行，C3S的水化反映速度慢慢超过C3A,而β-C2S水化速度最慢，直到水化后期才有较大的增加。
若是C3A单独在水中进行水化反映，初期反映很猛烈，乃至专门快放出大量的热量，显现所谓的“闪凝”现象。
可是，在水泥中的C3A，其水化反映那么受到专门大的限制，没有能使水泥“闪凝”。
多数观点以为这是因为C3A与水泥石的石膏生成难溶的硫铝酸钙覆盖于水泥粒子表面，还因为C3A和Ca（OH）2反映生成C4AH19,在C3A周围形成爱惜层，从而能够有效地调剂水泥的凝结时刻和稠化时刻。
1.2.4.2阻碍水化反映的因素
阻碍水泥水化速度的因素很多，如上述的水泥组分是要紧因素之一。
另外，尚有以下诸阻碍因素：
（1）温度的阻碍
前面谈到，测定水化热和水泥浆体系温度的转变，可间接地测定水化速度。
图2-4说明，地层温度越高，水泥浆体系达到最高温度的时刻越早，即水化热顶峰显现早，水化速度快。
水泥浆稠化时刻的长短，一样能够说明水泥浆水化和凝结的速度，温度越高，稠化时刻越短，即水化速度越快。
实验说明，温度对C2S的水化速度和C3S的初期水化速度阻碍较大，而对水泥后期水化速度阻碍不大。
（2）压力阻碍
在固井施工中，压力越大，稠化时刻越短，因此，对高温深井的注水泥施工，需要更长的稠化时刻。
（3）水泥细度的阻碍
细度说明水泥颗粒参加水化反映的表面积的大小。
水泥颗粒直径越小，表面积那么越大，其反映活性越高。
研磨或粉碎使水泥颗粒变小，晶格不断变形，致使有序度下降，能提供水泥的水化活性。
研磨还会致使水泥颗粒晶格缺点增多，具有较大水化活性的表面官能团增多，吸水性变强。
因此，细度是水泥的重要指标之一。
有资料说明，在水泥与水接触的28天后发觉水泥颗粒水化深度仅4μm，而一年后有8μm，这意味着，长时刻以后尚有大量未水化的水泥。
鲍尔斯以为，在一样条件，只有水泥颗粒小于50μm才可能较好的水化，显微镜检测发觉，小颗粒的C2S水化速度优于大颗粒的C2S。
以上事实说明了细度对水泥的水化速度的阻碍。
只是水泥颗粒大小应有适当的级配，因为要取得较细的水泥一那么本钱高，二那么不平安，风化变质快。
（4）水灰比的阻碍
通常，水泥浆水灰比越大，即水泥颗粒表面与水接触更充分，因此水化速度越快，即单位时刻内水泥的水化程度越高。
但水灰比太高，水化产物之间胶凝更为困难，水泥石强度进展较慢。
2.2.5水泥水化的历程和机理
2.2.5.1水泥水化的理论
关于水泥水化反映要紧有以下三种理论：
（1）结晶理论：
由法国学者吕查德理第一提出。
他以为水泥的水化凝结是水泥颗粒在水的作用下于表面形成水化离子的进程。
水化离子不断向溶液扩散，达到饱和或过饱和后就形成晶胚。
晶胚慢慢长大，相互粘结形成较大的水化物沉淀。
（2）胶体理论：
始于法国学者米哈爱利斯，该理论以为水化反映是水进入水泥矿物内部使它膨胀并形成凝胶的进程。
凝胶具有网状结构，分散相是结晶体和无定形体，在网架结构之间存在分散介质。
（3）近代理论：
该理论是上述两种理论的结合，以为水泥成份中溶解速度快的成份按溶解—结晶—沉淀步骤进行水化反映。
而硅酸钙等组分可能按胶体理论进行水化。
也有观点以为水泥中硅酸钙初期按结晶理论而晚期按胶体理论进行水化反映。
2.2.5.2硅酸钙的水化历程及机理
咱们通过图2-5来讲明硅酸钙的水化历程。
该图用放热率、[Ca2+]浓度和固相Ca（OH）2的量随时刻的转变来分析C3S净浆的水化历程。
水化分为五个时期。
图2-5C3S水化进程示用意
第（Ⅰ）时期为初始期，即C3S与水接触后的数分钟，这期间[Ca2+]迅速增加。
第（Ⅱ）时期为诱导期（或静止期、暗藏期），表现为放热率低，反映速度慢。
但[Ca2+]浓度仍继续增加。
第（Ⅲ）时期为加速期。
特点是C3S从头急速水化，Ca（OH）2开始从溶液中结晶，放热率增大。
第（Ⅳ）时期为中间期（或减速期），水化反映速度减慢。
第（Ⅴ）时期为最终时期，属稳固的慢反映期。
在上述五个水化时期中，争议最大的是诱导期。
爱惜层理论以为C3S最初水化专门快形成水化硅酸钙凝胶（C-S-H）并包覆在未水化的C3S周围，阻碍其水化而进入诱导期。
进一步的水化是水分子或离子渗透进包覆层内，而包覆层内的水化产物[Ca2+]、[OH-]及[H2SiO42-]那么反向朝溶液中渗透。
由于[Ca2+]具有比[H2SiO42-]更大的扩散速度，使包覆层内外显现渗透压。
当压力足够大时，那么膜破裂，水化进入加速期。
另一种有代表性的理论是延迟晶格形成进程理论。
该理论以为，诱导期受Ca（OH）2晶核的形成和生长所操纵。
在诱导期期间，硅酸盐关于Ca（OH）2的结晶有抑制作用，溶液中[Ca2+]和[OH-]处于过饱和状态，即图中[Ca2+]最大值及Ca（OH）2开始形成时才终止诱导期，开始加速期。
从那个意义上讲，凡能够加速Ca（OH）2成核进程和晶核发育进程的化合物都能够成为促凝剂，而延缓这一进程的化合物那么是缓凝剂。
2.2.5.3铝酸钙的水化历程和机理
已经明白，在C3A单矿物与水反映时水化产物不恒定：
图2-6中第一放热峰是C3A迅速水化达到饱和状态时生成六角板状水化物。
第二放热峰是晶形转变成更稳固的立方水化物C3AH6。
这一转变在高温下进行得专门快。
由于水泥中加有石
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