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(xué),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(gè)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(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)的鋁酸鹽水泥系列。 20世紀(jì)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(shù)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(qiáng)又有高強(qiáng)特性，后又發(fā)現(xiàn)以上兩礦物與6caoal2o32fe2o3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)明奠定了重要基礎(chǔ)。 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(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

3、泥。,3、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(gè)突出的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 硫鋁酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)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(shí)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(shù)語與定義,低堿度硫鋁酸鹽水泥定義,自應(yīng)力硫鋁酸鹽水泥定義,1.2 強(qiáng)度等級,1.3 技術(shù)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(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,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)混合材料的普通硅酸鹽水泥在進(jìn)行膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)時(shí)，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(shí)，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)

5、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0.47（211.5ml）和膠砂流動度達(dá)到165mm-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(shí)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)6h脫模

6、，如果脫?？赡?對試體造成損害時(shí)，可適當(dāng)延長脫模時(shí)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,低堿度,其它,耐腐蝕,抗凍,早強(qiáng),快硬,1.4 硫鋁酸鹽水泥優(yōu)缺點(diǎn),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(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,

7、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）大量水存在時(shí)： 水化早期的水化產(chǎn)物中首先有細(xì)針狀的aft出現(xiàn)，接著便生成afm，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，afm愈來愈多，達(dá)到平衡時(shí)幾乎都是afm和鋁膠。水化反應(yīng)式為： 2）存在少量水時(shí)： 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(shí)，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(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、f

9、e2o3）13h2o,轉(zhuǎn)化,鐵相的放熱特性,達(dá)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(xué)性能,除c2f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(xué)反應(yīng)，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(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(gè)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(guān)系,在1d水化齡期，凝膠形成量在石膏摻量較少時(shí)急劇增大；在石膏摻量為10%-20%時(shí)，保持平衡；超過25%時(shí)，凝膠生成量急劇下降 3d、28d齡期，凝膠形成量在不摻石膏時(shí)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(guān)系,1d齡期3cao3al3o3caso4水化程度近似一個(gè)極限，約為60%，與上面aft的形成量有很好的對應(yīng)關(guān)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(dāng)石膏摻量達(dá)45%時(shí)， 3cao3al3o3caso4水化程度可達(dá)99%。,石膏摻量與2caosio2水化程度的關(guān)系,當(dāng)摻量不大于15%時(shí)，2caosio2參加水化的很少； 當(dāng)石膏摻量大于15%時(shí)， 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(dá)40%時(shí)，水化程度到達(dá)極限。,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、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

13、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??；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,6h時(shí)大孔很多，到1d時(shí)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(shí)，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(guān)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(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,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(qiáng)

15、有利 3cao3al3o3caso4對提高早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度都有利 c2s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(qiáng)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(qiáng)度的影響,同一齡期，水泥的比表面積越大，強(qiáng)度越大。,3.1.3 水泥強(qiáng)度倒縮問題,硫鋁酸鹽水泥后期抗折強(qiáng)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?yàn)殍F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(diǎn)：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(yīng)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