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,0,1,2,3,前言,硫鋁酸鹽水泥水化化學,硫鋁酸鹽水泥性能,硫鋁酸鹽水泥性能,0 前言水泥發(fā)展簡介,1824年，英國人joseph aspdin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。 1908年在法國發(fā)表了鋁酸鹽水泥的專利，并于1908年首先進行工業(yè)化生產(chǎn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已形成包括膨脹水泥、自應力水泥和耐火水泥在內(nèi)的鋁酸鹽水泥系列。 20世紀70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酸鹽水泥系列。,硫鋁酸鹽水泥發(fā)明的四

2、大技術突破,1、理論的突破。 在研究3cao3al2o3caso4的過程中，發(fā)現(xiàn)該礦物與2caosio2匹配后既有早強又有高強特性，后又發(fā)現(xiàn)以上兩礦物與6caoal2o32fe2o3匹配的燒結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)明奠定了重要基礎。 2、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)出以3cao3al2o3caso4和2caosio2礦物為主的熟料，采用鐵礬土和石膏能生產(chǎn)出含有3cao3al2o3caso4、2caosio2和6caoal2o32fe2o3等礦物的燒結物。工廠是生產(chǎn)表明，現(xiàn)有水泥回轉(zhuǎn)窯工藝和相應設備經(jīng)適當改造后就可生產(chǎn)硫鋁酸鹽水

3、泥。,3、性能上的突破 硫鋁酸鹽水泥除具有早強和高強的性能外，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、膨脹和自應力等不同性能的水泥。普通硫鋁酸鹽水泥另一個突出的性能是其水化液相堿度比硅酸鹽水泥低得多。 4、應用上的突破 硫鋁酸鹽水泥凝結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,塊硬硫鋁酸鹽水泥定義,1.1 術語與定義,低堿度硫鋁酸鹽水泥定義,自應力硫鋁酸鹽水泥定義,1.2 強度等級,1.3 技術要求,1.3.1 硫鋁酸鹽

4、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 強度及自應力指標,低堿度硫鋁酸鹽水泥強度指標,快硬硫鋁酸鹽水泥強度指標,自應力硫鋁酸鹽水泥各級別各強度自應力值,水泥膠砂強度測定,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、復合硅酸鹽水泥和摻火山灰質(zhì)混合材料的普通硅酸鹽水泥在進行膠砂強度檢驗時，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進行，其他水泥按用水量按0.50水灰比進行成型，其中標

5、準砂、灰砂比和膠砂制 備按gb/t 17671-1999進行。 （2）試體成型后，帶模置于溫度201、相對 濕度不小于90%的養(yǎng)護箱養(yǎng)護24h脫模，然后放到養(yǎng) 護室養(yǎng)護。,b、硫鋁酸鹽水泥： （1）測定膠砂強度用水量按水灰比0.47（211.5ml）和膠砂流動度達到165mm-175mm來確定。當按水灰比0.47制備的 膠砂流動度超出規(guī)定的范圍時應按0.01的整倍數(shù)增減水灰比使流動度達到規(guī)定的范圍。膠砂流動度測定按gb/t 2419-2005進行，其中標準砂、灰砂比和膠砂制備按gb/t 17671-1999進行。 （2）試體成型后，帶模置于溫度201、相對 濕度不小于90%的養(yǎng)護箱養(yǎng)護6h脫模

6、，如果脫?？赡?對試體造成損害時，可適當延長脫模時間，但要作記錄。,廣泛應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)濟效果。,高強,快硬,sac 優(yōu)點,快硬,快硬,快硬,快硬,快硬,抗?jié)B,低堿度,其它,耐腐蝕,抗凍,早強,快硬,1.4 硫鋁酸鹽水泥優(yōu)缺點,原因：無水硫鋁酸鈣水化活性高，水化速度快,2、硫鋁酸鹽水泥水化化學,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 水泥石孔結構 2.6 界面效應,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,

7、主要提供早早強度,主要提供后期強度,提供早期強度,1）大量水存在時： 水化早期的水化產(chǎn)物中首先有細針狀的aft出現(xiàn)，接著便生成afm，隨著反應的進行，afm愈來愈多，達到平衡時幾乎都是afm和鋁膠。水化反應式為： 2）存在少量水時： 水化產(chǎn)物中至始至終都存在aft和afm 2種水化物。 在水化初期，aft較多，以后便愈來愈少。最后的水化 產(chǎn)物以afm和鋁膠為主，僅含少量aft,2.2 硫鋁酸鹽水泥單礦物水化,2.2.1 無水硫鋁酸鈣的水化,條件： 水灰比為0.8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、結晶度較差的4caofe2o313h

8、2o和凝膠狀的fe（oh）3 6cao2al2o3fe2o3 :立方狀的3cao（al2o3、fe2o3）6h2o 和凝膠狀的fe（oh）3 4caoal2o3fe2o3 、 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（al2o3）/ n(fe2o3) 的增大， 3cao（al2o3、fe2o3）6h2o 晶體逐漸增多 而凝膠狀的fe（oh）3相應減少,2.2.2 鐵相的水化,在水化產(chǎn)物中可觀察到少量結晶度較差的4cao（al2o3、f

9、e2o3）13h2o,轉(zhuǎn)化,鐵相的放熱特性,達到最大放熱速率：6cao2al2o3fe2o3為6min、4caoal2o3fe2o3為7min、6caoal2o32fe2o3 為8min、2caofe2o3為22min 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。,鐵相力學性能,除c2f外都具有良好的力學性能,2.2.3 硅酸二鈣的水化,-2casio2水化很慢，反應如下：,2.3 硫鋁酸鹽水泥水化,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，在硫鋁酸鹽水

10、泥中能發(fā)生一定的化學反應，成為具有一定活性的混合材。,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 水泥石的孔結構,鈣礬石的形態(tài),2.4 石膏對水化的影響,一、石膏摻量與aft形成量的關系,在1d水化齡期，當石膏摻量大于10%以后3caoal3o33caso432h2o形成兩近似極限值，這個極限值與石膏摻量無關； 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1d齡期內(nèi)，無論是 3c

11、aoal3o3caso432h2o晶體還是凝膠均很少， 說明早起水化速度很慢；但到3d齡期水化速度加快， 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3cao3al3o3caso4水化程度的關系,1d齡期3cao3al3o3caso4水化程度近似一個極限，約為60%，與上面aft的形成量有很好的對應關系。 3d以后的齡期， 3cao3al3o3caso4水化程度隨

12、石膏摻量的增加而提高，當石膏摻量達45%時， 3cao3al3o3caso4水化程度可達99%。,石膏摻量與2caosio2水化程度的關系,當摻量不大于15%時，2caosio2參加水化的很少； 當石膏摻量大于15%時， 2caosio2明顯已經(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； 石膏摻量到達40%時，水化程度到達極限。,2.5水泥石孔結構,sac孔結構特點： 1、總孔隙率低（15%）2、平均孔徑小，絕大部分孔小于300埃 3、孔的形狀多為墨水瓶形 孔結構測試方法 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

13、空干燥至恒重 原因：溫度高，aft會分解、結晶水失去,1、齡期：隨著齡期得增長，孔隙率越來越??；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,2.6 界面效果,1、水化產(chǎn)物的富集,1、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

14、化,1、在純熟料普通硫鋁酸鹽水泥混凝土界面區(qū)內(nèi)，晶體平均尺寸在零距離最大，隨著距離的延長晶體平均尺寸逐漸減小，直到與水泥石本體的晶體尺寸完全一致為止。 2、界面區(qū)內(nèi)晶體尺寸與石膏摻量關系不大，從圖中可看出不同石膏摻量的水泥混凝土中的晶體尺寸都比較相近。,3.硫鋁酸鹽水泥性能,3.1 水泥強度 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,3.1 水泥強度,3.1.1 強度特征 快硬硫鋁酸鹽水泥： 具有很高的早期強度后期強度發(fā)展緩慢,3.1.2 影響強度因素,礦物組成影響 燒成溫度的影響 石膏的影響 比表面積的影響,1.礦物組成影響,鐵相的村子對提高早強

15、有利 3cao3al3o3caso4對提高早期強度和后期強度都有利 c2s可提高后期強度,提高早期強度：增加3cao3al3o3caso4 提高后期強度：增加c2s,2.燒成溫度的影響,普通硫鋁酸鹽水泥水泥的燒成溫度是1300-1400,硫鋁酸鹽水泥水泥熟料燒成溫度對強度的影響,3.石膏的影響,4.比表面積的影響,硫鋁酸鹽水泥的比表面積對強度的影響,同一齡期，水泥的比表面積越大，強度越大。,3.1.3 水泥強度倒縮問題,硫鋁酸鹽水泥后期抗折強度可能出現(xiàn)倒縮 原因： 解決辦法：部分石灰石代替石膏，但也不能完全代替。,3.2 水化熱,由圖： 1、硫鋁酸鹽水泥的放熱都集中在1d齡期，最高方熱量則在12h 2、鐵鋁酸鹽水泥放熱塊，是因為鐵相比無水硫鋁酸鈣放熱速率更快。 3、硅酸鹽水泥最高放熱要到1d齡期以后。,硫鋁酸鹽水泥水泥的放熱特點：早期集中放熱，放熱總量不如硅酸鹽水泥的多。研究還表明：硫鋁酸鹽水泥的水化熱總量隨石膏摻量的提高而降低，最大水化熱釋放期也相應延后。,3.3 熱穩(wěn)定性,aft在cao溶液中轉(zhuǎn)化為afm的條件： 1、石膏量不足 2、介質(zhì)溫度超過aft的穩(wěn)定存在