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硅酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥的對(duì)比研究

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  摘 要:對(duì)硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥的組成、性能指標(biāo)和水化機(jī)理進(jìn)行了分析,對(duì)比二者性能差異對(duì)其應(yīng)用范圍進(jìn)行了區(qū)別。
  關(guān)鍵詞:硅酸鹽水泥;鋁酸鹽水泥;組成;性能;水化機(jī)理;應(yīng)用
  
  1前言
  
  水泥是加水能攪拌和成塑性漿體,可膠結(jié)砂石等材料,并能在空氣和水中硬化的粉狀水硬性膠凝材料,是基建工程的主要原材料之一,具有原材料廣泛、防火、適應(yīng)性強(qiáng)和應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)[1],廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、國(guó)防、交通、城市建設(shè)等工程,在代鋼代木等方面具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性,對(duì)保證國(guó)家建設(shè)和提高人民生活水平具有重要意義。水泥種類(lèi)繁多,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的命名原則,按其主要水硬性礦物名稱(chēng)可分為硅酸鹽系、鋁酸鹽系、硫鋁酸鹽系等系列品種,也可按其用途和性能分為通用水泥、專(zhuān)用水泥以及特性水泥三大類(lèi),不同的水泥具有其特有的用途。本文主要對(duì)硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥的組成、性能特點(diǎn)、水化機(jī)理和應(yīng)用進(jìn)行了較為詳細(xì)的對(duì)比研究,對(duì)二者在工程的選用具有一定得指導(dǎo)意義。
  
  2硅酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥對(duì)比研究
  
  在目前已投入應(yīng)用的百余種水泥中,應(yīng)用最廣泛的是硅酸鹽系水泥和鋁酸鹽系水泥,其中又以硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥的應(yīng)用最為普遍。由于組成成分和水化機(jī)理的不同,這兩種水泥具有截然不同的特性,其應(yīng)用范圍也大不相同。
  2.1硅酸鹽水泥
  在水泥諸品種中,硅酸鹽水泥是應(yīng)用最廣和研究最多的。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB175-2008》規(guī)定:凡由硅酸鹽水泥熟料、0-5%的石灰石或粒化礦渣、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料為硅酸鹽水泥。其礦物組成主要是:硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)和鐵鋁酸四鈣(4CaO·Al2O3·Fe2O3)。其中硅酸三鈣和硅酸二鈣是主要的,占70%以上[2]。上述幾種礦物主要是依靠原料中提供的CaO(62-68%)、SiO2(20-24%)、Al2O3(4-7%)和Fe2O3(2.5-6.5%)等在高溫下互相作用而形成的。
  硅酸鹽水泥分為二類(lèi):不摻加混合材料的稱(chēng)Ⅰ型硅酸鹽水泥,代號(hào)為P·Ⅰ;在熟料粉磨時(shí)摻入不超過(guò)水泥質(zhì)量5%的石灰石或粒化高爐礦渣混合材料的稱(chēng)Ⅱ型硅酸鹽水泥,代號(hào)為P·Ⅱ,其主要技術(shù)要求如表1所示[3]。
  當(dāng)水泥加水拌和后,在水泥顆粒表面立即發(fā)生水化反應(yīng),水化產(chǎn)物溶于水中,接著,水泥顆粒又重新暴露出新的表面,繼續(xù)與水反應(yīng),如此不斷,使水泥顆粒周?chē)娜芤汉芸斐蔀樗a(chǎn)物的飽和溶液,見(jiàn)圖1(a)。在溶液達(dá)到飽和后,水泥繼續(xù)水化生成的產(chǎn)物就不能再溶解,就有許多細(xì)小分散狀態(tài)的顆粒析出,形成凝膠體,見(jiàn)圖1(b)。隨著水化的繼續(xù)進(jìn)行,新生膠粒不斷增加,凝膠體逐漸變濃,水泥漿逐漸凝結(jié),凝膠體中的氫氧化鈣將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶,見(jiàn)圖1(c)。結(jié)晶貫穿于凝膠體中,形成具有一定強(qiáng)度的水泥石,見(jiàn)圖1(d)。隨著硬化時(shí)間的延續(xù),水泥顆粒內(nèi)部未能水化部分將繼續(xù)水化,使晶體逐漸增多,凝膠體逐漸密實(shí),水泥石就具有越來(lái)越高的膠結(jié)力和強(qiáng)度。另外,當(dāng)水泥在空氣中凝結(jié)硬化時(shí),其表面水化形成的氫氧化鈣會(huì)與空氣中的二氧化碳作用,生成碳酸鈣薄層。
  通過(guò)上述過(guò)程可以看出,硅酸鹽水泥的水化反應(yīng)是從顆粒表面逐漸深入到內(nèi)層的,開(kāi)始進(jìn)行較快,隨后由于水泥顆粒表層生成了凝膠膜,其水分的滲入也就越來(lái)越困難,水化作用也就越來(lái)越慢。一般水泥在開(kāi)始的3-7天內(nèi),水化、水解速度快,強(qiáng)度增長(zhǎng)亦較快,大致在28天內(nèi)可以完成這個(gè)過(guò)程的基本部分,以后則顯著減慢,強(qiáng)度增長(zhǎng)亦極為緩慢。實(shí)踐證實(shí)若完成水泥的水化和水解全過(guò)程,需要幾年、幾十年的時(shí)間[4]。
  在常用的水泥品種中,硅酸鹽水泥標(biāo)號(hào)較高,常用于重要結(jié)構(gòu)中的高強(qiáng)度混凝土、鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土工程;抗凍性好,適用于冬季施工及嚴(yán)寒地區(qū)遭受反復(fù)凍融的工程;干縮性好,耐磨性好,不易產(chǎn)生裂縫,可用于干燥環(huán)境下的地面及路面工程。
  但同時(shí)硅酸鹽水泥也存在一定的不足:(1)硬化后含有較多的氫氧化鈣,抗軟水侵蝕和抗化學(xué)侵蝕性差,不適用于空氣中CO2含量較高的環(huán)境,不宜用于受流動(dòng)的軟水和有水壓作用的工程,也不宜用于受海水和礦物水作用的工程;(2)水化過(guò)程中放出大量的熱,不宜用于大體積混凝土工程;(3)耐腐蝕性差,不宜用于經(jīng)常與流動(dòng)淡水或硫酸鹽等腐蝕性介質(zhì)接觸的工程;(4)耐熱性差,不宜用于有耐熱要求的工程[5]。
  2.2鋁酸鹽水泥
  鋁酸鹽水泥是以礬土或含鋁廢渣為主要原料、燒制成以鋁酸鹽礦物或鋁酸鹽復(fù)合礦物為基本組成的水泥,代號(hào)為CA,主要礦物組成為鋁酸一鈣(CaO·Al2O3)和二鋁酸一鈣(CaO·2Al2O3),主要化學(xué)成分為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3和少量的MgO、TiO2等[6]。
  鋁酸鹽水泥按Al2O3含量百分?jǐn)?shù)可以分為四類(lèi):CA-50、CA-60、CA-70和CA-80。其化學(xué)成分及主要物理性能指標(biāo)如表3、4所示。
  表3鋁酸鹽水泥的化學(xué)成分(GB201-2000)
 ?、佼?dāng)用戶(hù)需要時(shí),生產(chǎn)廠(chǎng)應(yīng)提供結(jié)果和測(cè)定方法
  表4鋁酸鹽水泥物理性能指標(biāo)
 ?、佼?dāng)用戶(hù)需要時(shí),生產(chǎn)廠(chǎng)應(yīng)提供結(jié)果
  鋁酸鹽水泥的水化作用主要是鋁酸一鈣的水化過(guò)程,其水化反應(yīng)隨溫度而不同:當(dāng)溫度<20℃時(shí),其主要水化產(chǎn)物為CaO·Al2O3·10H2O;當(dāng)溫度在20-30℃時(shí),主要水化產(chǎn)物為2CaO·Al2O3·8H2O;當(dāng)溫度>30℃時(shí),主要水化產(chǎn)物為3CaO·Al2O3·6H2O。CA2的水化與CA基本相同,但水化速率較慢。另外,C12A7的水化反應(yīng)很快,也生成C2AH8,C2AS與水作用則極為微弱,可視為惰性礦物,少量的C2S則生成水化硅酸鈣凝膠。
  水化物CAH10或C2AH8為針狀或片狀晶體,互相結(jié)成堅(jiān)固的結(jié)晶連生體,形成晶體骨架。同時(shí)所生成的氫氧化鋁凝膠填塞于骨架空間,結(jié)構(gòu)致密,使水泥初期強(qiáng)度能得到迅速增長(zhǎng),而以后強(qiáng)度增長(zhǎng)不顯著。CAH10和C2AH8隨著時(shí)間延長(zhǎng)逐漸轉(zhuǎn)化為較穩(wěn)定的C3AH6,此過(guò)程隨著環(huán)境溫度的上升而加速,其結(jié)果游離水從水泥石內(nèi)析出,孔隙增大,同時(shí)C3AH6本身強(qiáng)度較低,晶體間結(jié)合差,因而使水泥石的強(qiáng)度大為下降,引起長(zhǎng)期強(qiáng)度下降,特別在濕熱環(huán)境中,強(qiáng)度降低顯著(后期強(qiáng)度可比最高強(qiáng)度值降低40%以上)。
  由于其特有的水化機(jī)理,鋁酸鹽水泥具有與硅酸鹽水泥不同的特點(diǎn),在應(yīng)用范圍上也存在一定區(qū)別:(1)水化熱大,與一般高強(qiáng)度硅酸鹽水泥大致相同,但放熱速率特別快,且放熱集中,1d內(nèi)即可放出水化熱總量的70-80%;(2)耐高溫性好,可用于1000℃以下的耐熱構(gòu)筑物;(3)耐硫酸腐蝕性強(qiáng),抗腐蝕性高于抗硫酸鹽水泥;(4)硬化后不含鋁酸三鈣,不析出游離的氫氧化鈣,且硬化后結(jié)構(gòu)致密,對(duì)礦物水的侵蝕作用有很高的抵抗性;(5)屬早強(qiáng)型水泥,其1d強(qiáng)度可達(dá)3d強(qiáng)度的80%以上,3d強(qiáng)度便可達(dá)到普通硅酸鹽水泥28d的水平,后期強(qiáng)度增長(zhǎng)不顯著,主要用于工期緊急的工程和搶修工程。
  
  3結(jié)論
  
  硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥作為應(yīng)用最為普遍的水泥品種,其重要性不言而喻。但是由于其成分、水化機(jī)理不同,使他們的性能存在較大差異,進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)用范圍的不同。硅酸鹽水泥標(biāo)號(hào)高、抗凍性好、干縮性好、耐磨性好、不易產(chǎn)生裂縫,常用于重要結(jié)構(gòu)中的高強(qiáng)度混凝土、鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土工程,且適用于冬季施工、嚴(yán)寒地區(qū)遭受反復(fù)凍融的工程和干燥環(huán)境下的地面工程。鋁酸鹽水泥放熱速率特別快、耐高溫性好、耐硫酸腐蝕性強(qiáng)、不析出游離的氫氧化鈣、早期強(qiáng)度高,可用于耐熱構(gòu)筑物、腐蝕性環(huán)境、礦物水侵蝕環(huán)境、工期緊急的工程和搶修工程等。不同的水泥優(yōu)缺點(diǎn)也不同,適用范圍不同,因此在工程施工過(guò)程中,明確水泥應(yīng)用范圍,正確合理的選用水泥品種對(duì)保證工程質(zhì)量具有十分重要的作用。
  
  參考文獻(xiàn):
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