鋁酸鹽水泥強度倒縮研究綜述

鋁酸鹽水泥強度倒縮研究綜述0引言鋁酸鹽水泥是指以鋁酸鈣為主要成分的水硬性膠凝材料。與其它品種水泥相比，鋁酸鹽水泥具有快硬、高強的特點，且比硅酸鹽水泥及硫鋁酸鹽水泥具有更好的抗侵蝕性能以及耐高溫性能[1]。因此，鋁酸鹽水泥在搶修工程、海洋工程、開采工程等多個領(lǐng)域有很好的應用前景。但是鋁酸鹽水泥也有兩個明顯的缺點：一是其水化產(chǎn)物后期會發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變而導致強度倒縮，因此不能用于承重工程中；二是鋁酸鹽水泥價格較高，為硅酸鹽水泥的6-7倍、硫鋁酸鹽水泥的2-3倍，不適宜大量使用[2]。本文綜述了近幾年國內(nèi)外對鋁酸鹽水泥強度倒縮問題的研究進展。1強度倒縮原因鋁酸鹽水泥的強度倒縮問題，自鋁酸鹽水泥的誕生起就一直困擾著人們，通過對其水化產(chǎn)物的研究發(fā)現(xiàn)，鋁酸鹽水泥的早期水化產(chǎn)物以CaO·Al2O3·10H2O(CAH10)和2CaO·Al2O3·8H2O(C2AH8)為主，而鋁酸鹽水泥后期的水化產(chǎn)物則以3CaO·Al2O3·6H2O(C3AH6)和Al(OH)3(AH3)為主，這說明，在鋁酸鹽水泥水化后期，水化產(chǎn)物會從介穩(wěn)的CAH10和C2AH8向穩(wěn)定的C3AH6轉(zhuǎn)化[3,4]。CAH10、C2AH8、C3AH6以及AH3的相對密度如表1所示。從表中可以看出，CAH10和C2AH8的相對密度明顯要比C3AH6和AH3的相對密度要大，當水化產(chǎn)物后期發(fā)生轉(zhuǎn)化時，水化產(chǎn)物相對密度變大，導致孔隙率上升，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。從而使強度發(fā)生倒縮。表1鋁酸鹽水泥水化產(chǎn)物密度水化產(chǎn)物CAH10C2AH8C3AH6AH3相對密度1.751.952.522.40同時，CAH10和C2AH8屬六方晶型，而C3AH6則屬立方晶型。六方晶型比立方晶型有更好的粘結(jié)能力。因此，當水化產(chǎn)物發(fā)生轉(zhuǎn)化時水化產(chǎn)物同時發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，導致水泥強度發(fā)生倒縮。2強度倒縮解決方法上述兩種原因哪種是強度發(fā)生倒縮的主要原因尚未有定論，但其本質(zhì)上是一致的，都是由于水化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化造成的。因此，只要解決了水化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化問題，強度倒縮問題就迎刃而解了。而解決方案根據(jù)最終水化產(chǎn)物是否發(fā)生改變又可分為物理方法和化學方法。2.1物理方法物理方法是指對水泥水化產(chǎn)物不會產(chǎn)生根本性的影響，水化產(chǎn)物仍為水化鋁酸鈣。物理方法一般是指通過對水化溫度、水泥水灰比的調(diào)整和利用集料的填充效應等對水化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化進行抑制或加速。2.1.1溫度鋁酸鹽水泥水化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化受溫度的影響很大，在不同的溫度下，會形成不同的水化產(chǎn)物，且水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性也不同。當溫度低于20℃時，水化產(chǎn)物為CAH10；當溫度為20~60℃時，水化產(chǎn)物以C2AH8為主；當溫度高于60℃時，水化產(chǎn)物則為C3AH6。當溫度為低于20℃的低溫時，水化產(chǎn)物呈現(xiàn)為穩(wěn)定的CAH10。而當溫度升高時，水化產(chǎn)物則會發(fā)生以下反應進行轉(zhuǎn)化[3]：2CAH10=C2AH8+AH3+9H13CAH10=C3AH6+2AH3+18H23C2AH8=2C3AH6+AH3+9H3且當溫度再次降低后，反應不能逆向發(fā)生，即已轉(zhuǎn)化的水化產(chǎn)物不能復原。因此，為了解決鋁酸鹽水泥的后期強度倒縮問題，一是可以在常年溫度較低的地方進行施工；二是可以在高溫下進行鋁酸鹽水泥預制件的制作，而后再進行使用。2.1.2水灰比水泥水灰比的不同，同樣也會對水泥水化產(chǎn)物的種類產(chǎn)生影響。根據(jù)水泥水化時發(fā)生的反應方程式可以看出，生成穩(wěn)定的C3AH6所需參與反應的水的量是最少的。CA+10H=CAH1042CA+11H=C2AH8+AH353CA+12H=C3AH6+2AH36可以推測當參與反應的水的含量越少時，更易發(fā)生反應6，從而直接生成穩(wěn)定的C3AH6。，并且當水含量過高時，會溶解出水泥中的可溶鹽，使其析出而使內(nèi)部結(jié)構(gòu)惡化。眾多實際工程也對這一點進行了佐證，多數(shù)坍塌的鋁酸鹽水泥建筑其水灰比均小于0.6[2]。2.1.3減水劑減水劑減緩水泥后期強度倒縮原理與控制水泥水灰比一致，加入減水劑則可以在減少水灰比的同時，不會降低水泥的工作性能，從而能夠在保證水泥一定的工作性能的同時，更好的降低水灰比。不同減水劑對鋁酸鹽水泥的影響如表2所示[5,6]。表2不同減水劑對鋁酸鹽水泥影響減水劑種類流動度凝結(jié)時間抗壓強度木質(zhì)磺酸鈣增加最少-強度輕微降低磺化三聚氰胺樹脂增加最多-強度與最低強度均升高萘系減水劑增加初凝與終凝時間延長，但凝結(jié)時間縮短強度與最低強度均升高聚羧酸類減水劑隨含量先增加（≤0.35%），后減小初凝與終凝時間延長，凝結(jié)時間歲含量先增加，后減小強度輕微降低由上表可以看出，除聚羧酸類減水劑外，其他減水劑均能使水泥流動度增加，并且隨流動度增加越多，水泥后期抗壓強度增加也越多。2.14碳纖維碳纖維的加入對鋁酸鹽水泥的水化產(chǎn)物并無顯著影響，但碳纖維的加入能使鋁酸鹽水泥的強度有3-23%的提升[7]。除了碳纖維本身對鋁酸鹽水泥有一定的填充效應，減少了水泥的孔隙率之外，碳纖維作為一種輕質(zhì)、高強、耐腐、高模量的增強材料，在加入水泥后，能夠分擔水泥受到的一部分的應力作用。2.2化學方法化學方法是指將水泥水化產(chǎn)物進行改變，使其從不穩(wěn)定或亞穩(wěn)定狀態(tài)的舊水化產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的新水化產(chǎn)物。通常，化學方法一般都伴隨著物理方法發(fā)生。2.2.1硅灰在鋁酸鹽水泥水化過程中，硅灰中的活性SiO2可以與鋁酸鈣發(fā)生反應生成鈣鋁黃長石[8-11]；鈣鋁黃長石的形成減少了亞穩(wěn)狀態(tài)的水化鋁酸鈣的形成。同時，硅灰中的惰性組分會填入水泥中的孔隙中，減小孔隙率及平均孔徑，增加水泥密實度。有效增加水泥的強度。2.2.2石膏石膏會在水化鋁酸鈣的形成過程中與鋁酸鈣進行反應，并在早期生成鈣礬石（AFt），在反應后期，AFt會與多余的未反應的鋁酸鈣繼續(xù)反應生成單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm）[12,13]。一方面，石膏與鋁酸鈣發(fā)生反應生成穩(wěn)定的水化產(chǎn)物會降低水化鋁酸鈣的形成，從而降低水化物的后期轉(zhuǎn)化率；另一方面，AFt與AFm的形成會伴隨著體積的膨脹，可以彌補水化后期因水化物轉(zhuǎn)化而造成的體積損失。從而降低鋁酸鹽水泥的后期強度損失。2.2.3石灰石石灰石會與水泥熟料中鋁酸鈣反應生成單碳型水化碳鋁酸鈣，水化碳鋁酸鈣屬六方晶型，其晶體間的結(jié)合能力要比屬立方晶型的C3AH6強，石灰石粉與鋁酸鈣反應生成穩(wěn)定產(chǎn)物的同時，非活性碳酸鈣也會填充至水化產(chǎn)物間的孔隙中去，降低平均孔隙率與平均孔徑，改善水泥結(jié)構(gòu)。石灰石的摻入從減少C3AH6的生成和改善孔結(jié)構(gòu)兩方面同時下手，而改善了鋁酸鹽水泥后期強度倒縮的問題[14-17]。并且碳酸根的引入，在一定程度上降低了二氧化碳的侵蝕能力，提高了水泥的抗碳化性[18]。2.3Mg對鋁酸鹽水泥的影響2.3.1鎂鋁水滑石水滑石是一種層狀雙金屬氫氧化物，對陰離子具有一定的捕集能力，可以在一定程度上保證水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性，同時它能夠提高水泥的抗碳化性能，以及抗Cl-、SO42-侵蝕能力[19]。大多數(shù)礦物中都含有鎂，當鎂被引入到鋁酸鹽水泥中時，鎂離子易與鋁酸根離子生成水滑石。從而對水泥的性能進行更進一步的提升。2.3.2鎂鋁尖晶石鎂鋁尖晶石，化學式為MgAl2O4，呈八面體形態(tài)硬度大、且具有較高的耐火性能。向鋁酸鹽水泥中加入鎂鋁尖晶石，可以在一定程度上提高水泥的抗侵蝕能力、抗侵蝕能力以及耐磨能力[20-22]，并且能夠使其耐火性能的到進一步的提升。3發(fā)展前景3.1白云石的特性白云石是石灰石的主要伴生礦，在我國儲量巨大，但并未得到充分利用。白云石主要成分為CaMg(CO3)2，它在堿性條件下可以發(fā)生去白云石化反應7[23]。CaMg(CO3)2+2MOH→Mg(OH)2+CaCO3+M2CO373.2白云石在鋁酸鹽水泥中應用的可能性白云石能夠分解為鎂離子與石灰石。鋁酸鹽水泥屬于一種高堿水泥，可以提供環(huán)境供白云石分解，且生成的產(chǎn)物中的石灰石可以減弱鋁酸鹽水泥的強度倒縮問題。同時，產(chǎn)物中的鎂離子也可能與鋁酸鈣反應生成鎂鋁水滑石或是鎂鋁尖晶石。兩者都能對鋁酸鹽水泥的性能加以改善。因此通過向鋁酸鹽水泥中加入白云石，不失為改善鋁酸鹽水泥性質(zhì)的一種方法。4參考文獻[1]王燕謀,蘇慕珍,張量.硫鋁酸鹽水泥[M].北京工業(yè)大學出版社,1999[2]張宇震,王建軍.中國鋁酸鹽水泥生產(chǎn)與應用[M].中國建材工業(yè)出版社,2014[3]BarbaraPacewska,MariolaNowacka.Studiesofconversionprogressofcalciumaluminatecementhydratesbythermalanalysismethod[J].JThermAnalCalorim,2014(117):653-660[4]JasonHenryIdeker.Early-agebehaviorofcalciumaluminatecementsystems[D].2008[5]馬保國,胡紅梅,朱火明.減水劑對高鋁水泥的作用及機理研究[J].中國建材科技,1996(2):20-26[6]史琛,李益民,李國新,俞礽欽,王平威.化學外加劑對鋁酸鹽水泥流動性和強度的影響[J].硅酸鹽通報,2015(11):3398-3404[7]RenataBoris,ValentinAntonovic,JadvygaKeriene,RimvydasStonys.Theeffectofcarbonfiberadditiveonearlyhydrationofcalciumaluminatecement[J].JThermAnalCalorim,2015[8]HuiLi*,Hui-gangXiao,JieYuan,JinpingOu.Microstructureofcementmortarwithnano-particles[J].Composites:PartB,2004(35):185-189[9]Byung-WanJo,Chang-HyunKim*,Ghi-hoTae,Jong-BinPark.Characteristicsofcementmortarwithnano-SiO2particles[J].ConstructionandBuildingMaterials,2007(21):1351-1355[10]AnaHidalgoLo′pez,Jose′LuisGarc?′aCalvo,JuanGarc?′aOlmo,SabinePetit,Mar?′aCruzAlonso.MicrostructuralEvolutionofCalciumAluminateCementsHydrationwithSilicaFumeandFly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