新型膠凝材料之硫鋁酸鹽水泥

1、新型膠凝材料之硫鋁酸鹽水泥目錄012 3前言前言硫鋁酸鹽水泥水化化學(xué)硫鋁酸鹽水泥水化化學(xué)硫鋁酸鹽水泥性能硫鋁酸鹽水泥性能硫鋁酸鹽水泥性能硫鋁酸鹽水泥性能0 0 前言前言水泥發(fā)展簡介水泥發(fā)展簡介1824年，英國人年，英國人Joseph Aspdin獲得第一個波特蘭水泥獲得第一個波特蘭水泥專利。經(jīng)歷一百多年的發(fā)展，形成了龐大的硅酸鹽水專利。經(jīng)歷一百多年的發(fā)展，形成了龐大的硅酸鹽水泥系列。按中國的水泥分類方法，分為通用水泥系列泥系列。按中國的水泥分類方法，分為通用水泥系列和特種水泥系列。和特種水泥系列。1908年在法國發(fā)表了鋁酸鹽水泥的專利，并于年在法國發(fā)表了鋁酸鹽水泥的專利，并于1908年年首先進(jìn)

2、行工業(yè)化生產(chǎn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已形成包首先進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已形成包括膨脹水泥、自應(yīng)力水泥和耐火水泥在內(nèi)的鋁酸鹽水括膨脹水泥、自應(yīng)力水泥和耐火水泥在內(nèi)的鋁酸鹽水泥系列。泥系列。20世紀(jì)世紀(jì)70年代，在中國發(fā)明了普通硫鋁酸鹽水泥，年代，在中國發(fā)明了普通硫鋁酸鹽水泥，80年代又首創(chuàng)了鐵鋁酸鹽水泥，形成了不同類別的硫鋁年代又首創(chuàng)了鐵鋁酸鹽水泥，形成了不同類別的硫鋁酸鹽水泥系列。酸鹽水泥系列。 硫鋁酸鹽水泥發(fā)明的四大技術(shù)突破硫鋁酸鹽水泥發(fā)明的四大技術(shù)突破1、理論的突破。、理論的突破。 在研究在研究3CaO3Al2O3CaSO4的過程中，發(fā)現(xiàn)該礦物的過程中，發(fā)現(xiàn)該礦物與與2CaOSiO

3、2匹配后既有早強(qiáng)又有高強(qiáng)特性，后又發(fā)現(xiàn)以匹配后既有早強(qiáng)又有高強(qiáng)特性，后又發(fā)現(xiàn)以上兩礦物與上兩礦物與6CaOAl2O32Fe2O3匹配的燒結(jié)物也有很好匹配的燒結(jié)物也有很好的膠凝性能。這些理論的揭示為硫鋁酸鹽水泥的發(fā)明奠定了的膠凝性能。這些理論的揭示為硫鋁酸鹽水泥的發(fā)明奠定了重要基礎(chǔ)。重要基礎(chǔ)。2、生產(chǎn)上的突破、生產(chǎn)上的突破 研究者發(fā)現(xiàn)采用我國儲量豐富的低品位礬土和石膏能生產(chǎn)研究者發(fā)現(xiàn)采用我國儲量豐富的低品位礬土和石膏能生產(chǎn)出以出以3CaO3Al2O3CaSO4和和2CaOSiO2礦物為主的礦物為主的熟料，采用鐵礬土和石膏能生產(chǎn)出含有熟料，采用鐵礬土和石膏能生產(chǎn)出含有3CaO3Al2O3CaSO4

4、、2CaOSiO2和和6CaOAl2O32Fe2O3等礦物等礦物的燒結(jié)物。工廠是生產(chǎn)表明，現(xiàn)有水泥回轉(zhuǎn)窯工藝和相應(yīng)設(shè)的燒結(jié)物。工廠是生產(chǎn)表明，現(xiàn)有水泥回轉(zhuǎn)窯工藝和相應(yīng)設(shè)備經(jīng)適當(dāng)改造后就可生產(chǎn)硫鋁酸鹽水泥。備經(jīng)適當(dāng)改造后就可生產(chǎn)硫鋁酸鹽水泥。 3、性能上的突破性能上的突破 硫鋁酸鹽水泥除具有早強(qiáng)和高強(qiáng)的性能外，還具有一系列更為硫鋁酸鹽水泥除具有早強(qiáng)和高強(qiáng)的性能外，還具有一系列更為優(yōu)異的性能：抗?jié)B、耐腐、抗凍，且用一種熟料可制成早強(qiáng)、膨優(yōu)異的性能：抗?jié)B、耐腐、抗凍，且用一種熟料可制成早強(qiáng)、膨脹和自應(yīng)力等不同性能的水泥。普通硫鋁酸鹽水泥另一個突出的脹和自應(yīng)力等不同性能的水泥。普通硫鋁酸鹽水泥另一個突

5、出的性能是其水化液相堿度比硅酸鹽水泥低得多。性能是其水化液相堿度比硅酸鹽水泥低得多。 4、應(yīng)用上的突破應(yīng)用上的突破 硫鋁酸鹽水泥凝結(jié)時間比硅酸鹽水泥要短些，在研究工作中找到硫鋁酸鹽水泥凝結(jié)時間比硅酸鹽水泥要短些，在研究工作中找到了適用硫鋁酸鹽水泥的專用外加劑，能在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)混凝土了適用硫鋁酸鹽水泥的專用外加劑，能在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)混凝土的硬化時間，使其能滿足各種混凝土工作性能的要求。的硬化時間，使其能滿足各種混凝土工作性能的要求。 1. 硫鋁酸鹽水泥概述硫鋁酸鹽水泥定義硫鋁酸鹽水泥定義塊硬硫鋁酸鹽水泥定義塊硬硫鋁酸鹽水泥定義1.1 術(shù)語與定義低堿度硫鋁酸鹽水泥定義低堿度硫鋁酸鹽水泥定義自應(yīng)力

6、硫鋁酸鹽水泥定義自應(yīng)力硫鋁酸鹽水泥定義1.2 強(qiáng)度等級1.3 1.3 技術(shù)要求技術(shù)要求 1.3.1 硫鋁酸鹽水泥物理性能、堿度和堿含量硫鋁酸鹽水泥物理性能、堿度和堿含量1.3.2 1.3.2 強(qiáng)度及自應(yīng)力指標(biāo)強(qiáng)度及自應(yīng)力指標(biāo)低堿度硫鋁酸鹽水泥強(qiáng)度指標(biāo)快硬硫鋁酸鹽水泥強(qiáng)度指標(biāo)自應(yīng)力硫鋁酸鹽水泥各級別各強(qiáng)度自應(yīng)力值自應(yīng)力硫鋁酸鹽水泥所有自應(yīng)力等級的水泥抗壓強(qiáng)度自應(yīng)力硫鋁酸鹽水泥所有自應(yīng)力等級的水泥抗壓強(qiáng)度7d不小于不小于32.5MPa，28d不小于不小于42.5MPa水泥膠砂強(qiáng)度測定水泥膠砂強(qiáng)度測定a、通用硅酸鹽水泥： （1）火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥和摻火山灰質(zhì)混合材料

7、的普通硅酸鹽水泥在進(jìn)行膠砂強(qiáng)度檢驗時，其用水量按0.50水灰比和膠砂流動度不小于180mm來確定。當(dāng)流動度小于180mm時，須以0.01的整倍數(shù)遞增的方法將水灰比調(diào)整至膠砂流動度不小于180mm膠砂流動度測定按 GB/T 2419-2005進(jìn)行，其他水泥按用水量按0.50水灰比進(jìn)行成型，其中標(biāo)準(zhǔn)砂、灰砂比和膠砂制 備按GB/T 17671-1999進(jìn)行。 （2）試體成型后，帶模置于溫度201、相對 濕度不小于90%的養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)24h脫模，然后放到養(yǎng) 護(hù)室養(yǎng)護(hù)。b、硫鋁酸鹽水泥： （1）測定膠砂強(qiáng)度用水量按水灰比水灰比0.470.47（211.5mL）和膠砂流動度達(dá)到165mm-175mm165

8、mm-175mm來確定。當(dāng)按水灰比0.47制備的 膠砂流動度超出規(guī)定的范圍時應(yīng)按0.01的整倍數(shù)增減水灰比使流動度達(dá)到規(guī)定的范圍。膠砂流動度測定按GB/T 2419-2005進(jìn)行，其中標(biāo)準(zhǔn)砂、灰砂比和膠砂制備按GB/T 17671-1999進(jìn)行。 （2）試體成型后，帶模置于溫度201、相對 濕度不小于90%的養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)養(yǎng)護(hù)6h6h脫模脫模，如果脫?？赡?對試體造成損害時，可適當(dāng)延長脫模時間，但要作記錄。 廣泛應(yīng)用于橋梁等建筑工程以及緊急搶修和防滲工程等方面, 并可取得明顯的經(jīng)濟(jì)效果。高強(qiáng)快硬SAC優(yōu)點(diǎn)快硬快硬快硬快硬快硬抗?jié)B抗?jié)B低堿度其它耐腐蝕耐腐蝕抗凍早強(qiáng)快硬1.4 硫鋁酸鹽水泥優(yōu)缺點(diǎn)凝結(jié)速

9、凝結(jié)速度過快度過快后期強(qiáng)后期強(qiáng)度倒縮度倒縮SAC的缺點(diǎn)的缺點(diǎn)不能大量不能大量摻入混合材摻入混合材原因原因：無：無水硫鋁酸水硫鋁酸鈣水化活鈣水化活性高，水性高，水化速度快化速度快摻入的活性混合材沒有堿性激發(fā)劑激發(fā)，只能起填充作用2、硫鋁酸鹽水泥水化化學(xué)2.1 硫鋁酸鹽水泥熟料主要礦物組成2.2 硫鋁酸鹽水泥單礦物水化2.3 硫鋁酸鹽水泥水化2.4 石膏對水化的影響2.5 水泥石孔結(jié)構(gòu)2.6 界面效應(yīng) 熟料礦物1、無水硫鋁酸鈣2、硅酸二鈣3、鐵相2.1 硫鋁酸鹽水泥熟料主要礦物組成主要提供早早強(qiáng)度主要提供后期強(qiáng)度提供早期強(qiáng)度 1 1）大量水存在時：）大量水存在時： 水化早期的水化產(chǎn)物中首先有細(xì)針狀

10、的水化早期的水化產(chǎn)物中首先有細(xì)針狀的AFtAFt出現(xiàn)，接著便出現(xiàn)，接著便生成生成AFmAFm，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，AFmAFm愈來愈多，達(dá)到平衡時幾愈來愈多，達(dá)到平衡時幾乎都是乎都是AFmAFm和鋁膠。水化反應(yīng)式為：和鋁膠。水化反應(yīng)式為：2 2）存在少量水時：）存在少量水時： 水化產(chǎn)物中至始至終都存在水化產(chǎn)物中至始至終都存在AFtAFt和和AFmAFm 2 2種水化物。種水化物。在水化初期，在水化初期，AFtAFt較多，以后便愈來愈少。最后的水化較多，以后便愈來愈少。最后的水化產(chǎn)物以產(chǎn)物以AFmAFm和鋁膠為主，僅含少量和鋁膠為主，僅含少量AFtAFt2.2 硫鋁酸鹽水泥單礦物水化

11、2.2.1 無水硫鋁酸鈣的水化條件： 水灰比為水灰比為0.80.8時，無水硫鋁酸鈣單礦物水化放熱速率時，無水硫鋁酸鈣單礦物水化放熱速率2.2.1 無水硫鋁酸鈣的水化2CaOFe2O3：六方片狀、結(jié)晶度較差的4CaOFe2O313H2O和凝膠狀的Fe（OH）36CaO2Al2O3Fe2O3 :立方狀的3CaO（Al2O3、Fe2O3）6H2O 和凝膠狀的Fe（OH）34CaOAl2O3Fe2O3 、 6CaOAl2O32Fe2O3的水化產(chǎn)物和6CaO2Al2O3Fe2O3基本相似 。說明： 、中水化產(chǎn)物 3CaO（Al2O3、Fe2O3）6H2O 、Fe（OH）3相對生成量是不同的，隨著鐵相中n

12、（Al2O3）/ n(Fe2O3)的增大， 3CaO（Al2O3、Fe2O3）6H2O 晶體逐漸增多而凝膠狀的Fe（OH）3相應(yīng)減少 2.2.2 鐵相的水化在水化產(chǎn)物中可觀察到少量結(jié)晶度較差的4CaO（Al2O3、Fe2O3）13H2O,轉(zhuǎn)化 鐵相的放熱特性n 達(dá)到最大放熱速率：達(dá)到最大放熱速率：6CaO6CaO2Al2Al2 2O O3 3FeFe2 2O O3 3為為6min6min、4CaO4CaOAlAl2 2O O3 3FeFe2 2O O3 3為為7min7min、6CaO6CaOAlAl2 2O O3 32Fe2Fe2 2O O3 3 為為8min8min、2CaO2CaOFeF

13、e2 2O O3 3為為22min22minn 鐵相的放熱特性：鐵相中隨著含鐵量的增加，放熱速率逐漸變慢。鐵相的放熱特性：鐵相中隨著含鐵量的增加，放熱速率逐漸變慢。鐵相力學(xué)性能 除除C C2 2F F外都具有良好的力學(xué)性能外都具有良好的力學(xué)性能2.2.3 硅酸二鈣的水化-2CaSiO2水化很慢，反應(yīng)如下：2.3 硫鋁酸鹽水泥水化快硬、低堿度快硬、低堿度 快硬、低堿度硫鋁酸鹽水泥的水化產(chǎn)物除具有以上產(chǎn)物，還具有低碳型水化碳鋁酸鈣（3CaOAl3O3CaCO311H2O）注：石灰石在硅酸鹽水泥中是惰性混合材，在硫鋁酸注：石灰石在硅酸鹽水泥中是惰性混合材，在硫鋁酸鹽水泥中能發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，成為具

14、有一定活性鹽水泥中能發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，成為具有一定活性的混合材。的混合材。CH量少，會被鋁膠消耗掉堿度 快硬硫鋁酸鹽水泥水化液相的PH值為11.5-12.5 低堿度硫鋁酸鹽水泥水化液相的PH不大于10.5 普通硅酸鹽水泥水化后液相的PH為12.5左右2.3 水泥石的孔結(jié)構(gòu)鈣礬石的形態(tài)2.4 石膏對水化的影響一、石膏摻量與AFt形成量的關(guān)系在1d水化齡期，當(dāng)石膏摻量大于10%以后3CaOAl3O33CaSO432H2O形成兩近似極限值，這個極限值與石膏摻量無關(guān)；3d、28d齡期3CaOAl3O33CaSO432H2O的形成量則隨石膏摻量的增大而提高。 不摻石膏的純熟料水泥，在不摻石膏的純熟料水

15、泥，在1d1d齡期內(nèi)，無論是齡期內(nèi)，無論是 3CaO3CaOAl3O3Al3O3CaSO4CaSO432H2O32H2O晶體還是凝膠均很少，晶體還是凝膠均很少， 說明早起水化速度很慢；但到說明早起水化速度很慢；但到3d3d齡期水化速度加快，齡期水化速度加快， 只不過其水化產(chǎn)物是以凝膠為主。只不過其水化產(chǎn)物是以凝膠為主。 二、石膏摻量與凝膠形成量的關(guān)系 在1d水化齡期，凝膠形成量在石膏摻量較少時急劇增大；在石膏摻量為10%-20%時，保持平衡；超過25%時，凝膠生成量急劇下降 3d、28d齡期，凝膠形成量在不摻石膏時最大，以后便隨石膏摻量的增加而下降。石膏摻量與3CaO3CaO3Al3Al3 3

16、O O3 3CaSOCaSO4 4水化程度的關(guān)系水化程度的關(guān)系1d齡期3CaO3CaO3Al3Al3 3O O3 3CaSOCaSO4 4水水化程度近似一個極限，約為化程度近似一個極限，約為60%60%，與上面，與上面AFtAFt的形成量有的形成量有很好的對應(yīng)關(guān)系。很好的對應(yīng)關(guān)系。3d3d以后的齡期，以后的齡期， 3CaO3CaO3Al3Al3 3O O3 3CaSOCaSO4 4水化程水化程度隨石膏摻量的增加而提高，度隨石膏摻量的增加而提高，當(dāng)石膏摻量達(dá)當(dāng)石膏摻量達(dá)45%45%時，時， 3CaO3CaO3Al3Al3 3O O3 3CaSOCaSO4 4水化程水化程度可達(dá)度可達(dá)99%99%。

17、石膏摻量與2CaO2CaOSiOSiO2 2水化程度的關(guān)系水化程度的關(guān)系當(dāng)摻量不大于當(dāng)摻量不大于15%15%時，時，2CaO2CaOSiOSiO2 2參加參加水化的很少；水化的很少；當(dāng)石膏摻量大于當(dāng)石膏摻量大于15%15%時，時， 2CaO2CaOSiOSiO2 2明明顯已經(jīng)被激化，水化開始加速，隨著石顯已經(jīng)被激化，水化開始加速，隨著石膏摻量的增加水化程度迅速提高；膏摻量的增加水化程度迅速提高；石膏摻量到達(dá)石膏摻量到達(dá)40%40%時，水化程度到達(dá)極時，水化程度到達(dá)極限。限。2.5水泥石孔結(jié)構(gòu)SAC孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 1、總孔隙率低（15%）2、平均孔徑小，絕大部分孔小于300埃 3 3、孔的形狀多為

18、墨水瓶形、孔的形狀多為墨水瓶形孔結(jié)構(gòu)測試方法 a、硅酸鹽水泥測孔的方法：壓汞法、105加熱到恒重 b、硫鋁酸鹽水泥：壓汞法、室溫、21330Pa下抽 真空干燥至恒重 原因：溫度高，AFt會分解、結(jié)晶水失去1、齡期：隨著齡期得增長，孔隙率越來越小；2、石膏摻量，隨著石膏摻量的增加，孔隙率越來越大。不同養(yǎng)護(hù)齡期的快硬硫鋁酸鹽水泥凈漿的孔分布不同養(yǎng)護(hù)齡期的快硬硫鋁酸鹽水泥凈漿的孔分布6h時大孔很多，到1d時大孔迅速較小部分為小于30nm的小孔、3、28d基本為小于30nm的小孔普通硫鋁酸鹽水泥砂漿總孔隙率隨石膏摻量的變化普通硫鋁酸鹽水泥砂漿總孔隙率隨石膏摻量的變化2.6 界面效果1、水化產(chǎn)物的富集1

19、、從圖中表示了鈣礬石晶體沿界面區(qū)富集的狀況，離石灰石零距離區(qū)富集量最大，隨離石灰石表面距離的延長，富集程度逐漸減弱，到水泥石本體時，富集現(xiàn)象消失。2、界面區(qū)內(nèi)晶體富集量隨水泥中石膏摻量的提高而增大。2、水化產(chǎn)物的尺寸的變化1 1、在純熟料普通硫鋁酸鹽水、在純熟料普通硫鋁酸鹽水泥混凝土界面區(qū)內(nèi)，晶體泥混凝土界面區(qū)內(nèi)，晶體平均尺寸在零距離最大，平均尺寸在零距離最大，隨著距離的延長晶體平均隨著距離的延長晶體平均尺寸逐漸減小，直到與水尺寸逐漸減小，直到與水泥石本體的晶體尺寸完全泥石本體的晶體尺寸完全一致為止。一致為止。2 2、界面區(qū)內(nèi)晶體尺寸與石膏、界面區(qū)內(nèi)晶體尺寸與石膏摻量關(guān)系不大，從圖中可摻量關(guān)系

20、不大，從圖中可看出不同石膏摻量的水泥看出不同石膏摻量的水泥混凝土中的晶體尺寸都比混凝土中的晶體尺寸都比較相近。較相近。3.硫鋁酸鹽水泥性能3.1 水泥強(qiáng)度3.2 水化熱3.3 熱穩(wěn)定性3.4 抗凍性3.5 耐腐蝕性3.6 堿集料反應(yīng)3.1 水泥強(qiáng)度3.1.1 強(qiáng)度特征快硬硫鋁酸鹽水泥： 具有很高的早期強(qiáng)度后期強(qiáng)度發(fā)展緩慢3.1.2 影響強(qiáng)度因素1. 礦物組成影響2. 燒成溫度的影響3. 石膏的影響4. 比表面積的影響1.礦物組成影響鐵相的村子對提高早強(qiáng)有利3CaO3CaO3Al3Al3 3O O3 3CaSOCaSO4 4對提高早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)對提高早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度都有利度都有利C2SC2S可提高后期強(qiáng)度可提高后期強(qiáng)度提高早期強(qiáng)度：增加3CaO3Al3O3CaSO4提高后期強(qiáng)度：增加提高后期強(qiáng)度：增加C2S2.燒成溫度的影響普通硫鋁酸鹽水泥水泥的燒成溫度是130