高鋁水泥性能及作用(精)

1、高鋁水泥性能及作用一. 前言高鋁水泥和硅酸鹽水泥都是屬于水硬性水泥 ,前者的主要礦物組成是鋁酸鈣 ,后者的主要礦物組成是硅酸鈣 ,由于礦物組成的不同 ,水泥的特性也不相同。早在十九世紀后半頁 ,法國由于海水和地下水對混凝土結構侵蝕破壞事故的頻繁發(fā)生 ,一度成為土木工程上的重大問題 ,法國國民振興會曾以懸賞金鼓勵為此做貢獻者。研究者們發(fā)現(xiàn) ,合成的鋁酸鈣具有水硬性 ,并對海水和地下水具有抗侵蝕能力。 1908 年,法國拉法基采用反射爐熔融法生產成功高鋁水泥并取得專利,解決了海水和地下水工程的抗侵蝕問題。在實際使用中還發(fā)現(xiàn)了高鋁水泥有極好的早強性 , 在第一次世界大戰(zhàn)期間 ,高鋁水泥被大量用來修筑

2、陣地構筑物。 20 世紀 20 年代以后 , 逐漸擴展到工業(yè)與民用建筑。到 30 年代初 ,在法國本土及其非洲殖民地區(qū)的一批高鋁水泥混凝土工程不斷出現(xiàn)事故 ,諸多研究工作者遂著手深入進行該水泥的水化硬化機理和以強度下降為中心的耐久性研究 ,發(fā)現(xiàn)高鋁水泥的水化產物因發(fā)生晶形轉變而使強度降低。此后 ,在結構工程中的應用都比較慎重。而主要發(fā)展了在耐熱、耐火混凝土和膨脹水泥混凝土中的應用。 20 世紀八十年代以后 ,不定形耐火材料在耐火材料行業(yè)中的比例迅速增加 ,高鋁水泥作為結合劑的用量也日益增加。中國的高鋁水泥 ,在建國初期為國防建設需要而開始立項研制 ,并開創(chuàng)性的采用回轉窯燒結法生產高鋁水泥 ,產

3、品主要用作耐火澆注料的結合劑 ,以及配制自應力水泥、膨脹劑等。也成功的應用于火箭導彈的發(fā)射場地等國防建設和搶修用水泥。近年來 ,隨著化學建材的迅速興起 ,高鋁水泥作為硅酸鹽水泥凝結硬化時間的調節(jié)添加劑已愈來愈被材料工作者重視 ,并將成為化學建材的重要原材料之一。其用量將大大超過耐火材料。二. 高鋁水泥的制造方法與化學礦物組成高鋁水泥的制造方法主要有以下幾種:2.1 回轉窯燒結法由于中國的礬土含鐵量較低 ,因此具有較寬的燒結溫度范圍 ,比較適合用回轉窯燒結法生產?；剞D窯燒結法采用煙煤作燃料 ,具有生產成本低、生產效率高、質量容易穩(wěn)定的特點 ,在中國被廣泛采用。回轉窯燒結法的要點是 :選用優(yōu)質礬土

4、和優(yōu)質石灰石為原料 ,按一定比例配合送入球磨機 ,粉磨成生料 ,然后進入回轉窯進行燒結 ,燒成的熟料經球磨機粉磨成細粉即成為高鋁水泥。當選用工業(yè)氧化鋁和優(yōu)質石灰石為原料時 ,采用天然氣和柴油或重油等無灰燃料可生產出白色的純鋁酸鈣水泥。由于其雜質含量低 ,廣泛用來配制高檔耐火澆注料 ,同時由于其顏色為白色 ,已將它與白色硅酸鹽水泥混合用于化學建材中需要裝飾效果的場合?；剞D窯燒結法的組分設計一般在 Al2O3-CaO-SiO2 三元相圖中的 CA-CA2-C2AS 三角形內 ,生料在回轉窯的燒結過程中 ,首先通過固相反應形成 CA 礦物 ,由于石灰石在分解后具有較高的反應活性 ,因此會局部出現(xiàn)少量

5、 C12A7 礦物 ,但隨著溫度的提高 ,礬土中的 Al2O3 和 SiO2 的反應速度加大 ,熟料中的礦物會逐漸按設計組成達到相平衡 ,最終 C12A7 消失 ,熟料礦物主要礦相為 CA, 其次為 CA2 和 C2AS,以雜質存在的 Fe2O3和 TiO2, 形成 C2F 和 CT。因此 ,用回轉窯燒結法生產的高鋁水泥 ,在煅燒狀態(tài)較好的情況下 ,不會存在 C12A7 (這也是化學建材用高鋁水泥中不希望存在的礦物。用回轉窯燒結法生產化學建材用高鋁水泥 ,其配料成分的穩(wěn)定控制、燒成制度的嚴格掌握和穩(wěn)定水泥的礦相組成 ,十分重要。2.2 電弧爐熔融法用礬土和石灰質原料 ,按設計成分計算配合比混合

6、,用電弧爐進行熔化 ,在控制冷卻的情況下 ,形成熟料。經球磨機粉磨至要求的細度即為高鋁水泥。用電弧爐熔融法適合生產 CaO 含量較高的高鋁水泥。用回轉窯燒結法生產的熟料 ,其 CaO 含量一般在 35%以內 ,因為 CaO含量過高 ,就會使熟料的溫度燒成范圍變的狹窄而不易穩(wěn)定操作。而用熔融法生產 ,就可以配制 CaO 含量較高也即 CA 礦物含量較高的水泥 ,從而獲得早期強度更高的高鋁水泥 ,另外熔融法還適合利用高鐵礬土作原料 ,生產 Fe2O3含量較高的水泥。用熔融法生產高鋁水泥的技術要點是選用優(yōu)質礬土和優(yōu)質石灰質原料 ,在熔化過程中盡可能掌握氧化氣氛 ,因為還原氣氛中會有 FeO生成 ,并

7、形成稱為 Pleochroite 的多色礦物 ,根據(jù) Midgley 教授的研究 1 認為 Pleochroite的化學式為 :(Ca,Na,K,Fe2+A(Fe3+, AlB (Al2O75 (AlO46-x (Si,TiO2x ,Pleochroite 的生成會對高鋁水泥的性能產生有害影響 ,導致 C12A7 的含量增多 ,使高鋁水泥的凝結硬化過程難于控制。另外 ,用熔融法生產高鋁水泥 ,冷卻條件對性能會產生巨大的影響。因此 ,控制冷卻是一個重要工序。2.3 反射爐熔融法反射爐熔融法是法國的 Lafarge 公司的專有技術 ,Fondu 水泥 ,Secar51水泥 ,德國的海德堡生產的 I

8、STRA40,ISTRA50 水泥都采用反射爐熔融法生產。反射爐熔融法與電弧爐熔融法同樣適合生產高鈣含量和高鐵含量水泥 ,并且需要嚴格控制氣氛和冷卻過程 ,以保證產品質量的穩(wěn)定性。2.4 市場上不同制造方法的幾種高鋁水泥的性能三.高鋁水泥的特性及用途3.1 高鋁水泥的水化特性高鋁水泥的主要礦物為鋁酸一鈣(CA, 次要礦物為二鋁酸一鈣 (CA2, 與水反應可用下式表示 :高鋁水泥在常溫下的水化產物CAH10 和 C2AH8 都屬于介穩(wěn)產物 ,它們在溫度超過 35情況下會轉變成穩(wěn)定的C3AH6, 在這種晶形轉變過程中 ,會引起強度下降 ,其原因為 :(1. CAH10 和 C2AH8 是六角片狀晶

9、體 ,C3AH6 為立方晶形晶體 ,C3AH6 的結合力比 CAH10 和 C2AH8 差。(2. 在晶形轉變過程中釋放出結晶水而使孔隙率增大。(3. 水化初期或低溫下形成的Al(OH3 為膠狀體 ,充填在晶體間起增強的作用。溫度提高后鋁膠轉變?yōu)榫w三水鋁石(Al2O3·3H2O 降低了膠體的增強作用。因此 ,對單獨將高鋁水泥用于結構工程 ,需持慎重態(tài)度。但是由于高鋁水泥的水化產物不出現(xiàn)游離 Ca(OH2,也不像硅酸鹽水泥中存在 C2S 礦物 ,因此在作為耐火混凝土的結合劑時 ,不會發(fā)生如硅酸鹽水泥在反復加熱和冷卻的過程中因 CaO 和 Ca(OH2 的反復形成 ,以及 -C2S 的

10、多晶轉變而使耐火混凝土產生體積不穩(wěn)定的弊病。而且高鋁水泥具有早強性 ,在窯爐中施工 ,可以盡量縮短養(yǎng)護期 ,即所謂 “一天混凝土 ”,因此高鋁水泥被廣泛應用于耐火材料行業(yè)。3.2 高鋁水泥和硅酸鹽水泥的混合物的水化高鋁水泥的水化產物CAH10 、 C2AH8 與硅酸鹽水泥水化產物C-S-H 凝膠反應形成水化硅鋁酸鈣(stratlingite 也稱為水化鈣黃長石C2ASH8,由于 C2ASH8的形成 ,避免了CAH10 和 C2AH8 因轉化為 C3AH6 而產生的強度下降。高鋁水泥值得注意的特性之一是具有能加快硅酸鹽水泥凝結時間,加速強度發(fā)揮和緩解水化熱的性能。圖 1 為高鋁水泥和普通硅酸鹽水

11、泥簡單混合時高鋁水泥的加入量對硅酸鹽水泥凝結時間的影響曲線 ,由圖 1 可見不同的高鋁水泥對硅酸鹽水泥的促凝效果有一定的區(qū)別 ,但總的趨勢比較接近。精心選擇高鋁水泥的適宜添加量 ,可以使與硅酸鹽水泥的混合物獲得滿意的水化性能 ,既獲得了高的早期強度 ,又保留了良好的長期強度。圖 2 表示了不同高鋁水泥與硅酸鹽水泥的混合物對膠砂強度的影響 ,當高鋁水泥的加入量為 10%時,不僅可以獲得一定值的 6 小時強度 ,而且在養(yǎng)護過程中強度還會不斷增長。 28 天的強度值基本上達到純硅酸鹽水泥的 28 天強度值。而且三種不同的高鋁水泥效果基本相同。綜上所述 ,高鋁水泥和硅酸鹽水泥的混合物可以改變原有兩種水

12、泥的性能 ,而開發(fā)出各種新型膠凝材料。3.3 高鋁水泥與石膏混合物高鋁水泥和各種石膏的混合物,在加水攪拌后發(fā)生相互反應,而形成鈣礬石 ,3CA+3CaSO4+41H2OC3A· 3 CaSO4· 32H2O+6Al(OH33CA+CaSO4+21H2OC3A· CaSO4· 12H2O+6Al(OH3石膏礬土膨脹水泥 ,無水石膏礬土水泥 ,止水堵漏水泥 ,自應力水泥和混凝土膨脹劑都是利用上述反應原理。隨著石膏形態(tài)的不同 ,膨脹效果也會產生很大區(qū)別,使用無水石膏膨脹效果比較好 ,且容易穩(wěn)定。半水石膏反應迅速 ,膨脹量大 ,且不易穩(wěn)定。究竟采用哪種石膏 ,需

13、要根據(jù)開發(fā)的產品性能要求而定。近十幾年來 ,商品砂漿的迅速興起 ,利用石膏和高鋁水泥的膨脹效應 ,往往用作收縮補償 ,以克服砂漿的開裂問題。實際上 ,在形成鈣礬石的過程中希望形成高結合水的3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O 鈣礬石 ,在富 Ca(OH2 的條件下 ,高含水的鈣礬石比較容易形成 ,而硅酸鹽水泥水化時就可以提供Ca(OH2,有時可以另外配入Ca(OH2。3.4 高鋁水泥具有抗生物酸侵蝕的性能,已廣泛用于污水管道的制造和某些食品加工廠的地面材料。四. 高鋁水泥應用于配制商品砂漿 一個極具開發(fā)前景的領域由第三節(jié)所述內容可知 ,高鋁水泥加入到硅酸

14、鹽水泥中 ,可以加快混合物的凝結時間和加速強度的早期發(fā)揮。當合理的選用各種添加劑 ,即可配制出既有快凝快硬的性能 ,還能獲得所需要的流動性 ,保水性 ,粘結性以及收縮補償性。例如地面自流平材料 ,二次地面基線找平 ,以及舊地面的修補 ,一方面需要通過添加劑獲得優(yōu)秀的自流平性能 ,而且需要獲得快速硬化的性能 ,快速吸收水份的性能 ,以便可以盡快能行走進行下一個工序。高鋁水泥應用于化學建材 ,首先是為了加快凝結和硬化 ,以達到增加工作效率的目的。但實際上 ,高鋁水泥主要組分的反應基礎應該是鋁酸鈣與硫酸鈣與氫氧化鈣或來源于硅酸鹽水泥中的氫氧化鈣之間的反應 ,反應產物鈣礬石是一種含有大量結合水的礦物

15、(含 32H2O,通過這一礦物的快速形成 ,可以使硬化體在短時間內具有低的殘余水。從而可降低硬化體因水份蒸發(fā)而產生大的收縮。利用高鋁水泥和硅酸鹽水泥混合后產生的這一系列性能 ,已廣泛用來配制各種商品砂漿。如 :瓷磚粘貼劑、瓷磚薄膠泥、自流平地面材料、密封材料、止水堵漏材料、快硬砂漿、修補砂漿、粘結砂漿、澆注砂漿五. 與硅酸鹽水泥、石灰、石膏配制加熱硬化型水泥制品加熱硬化型水泥組成物是一種由硅酸鹽水泥、高鋁水泥、石膏類、石灰類組成的混合物。在加水混合后 ,在水泥存在的情況下 ,在常溫下硬化速度遲緩 ,但經 60以上加熱會急速硬化而形成制品 ,其反應本質是高鋁水泥中的鋁酸鈣與硅酸鹽水泥中的 Ca(

16、OH2 和無水石膏或半水石膏在 60以上急劇反應形成鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O。日本積水化學已利用這一原理生產建筑外墻板,由于在加熱加壓過程中只需保持 30 分鐘即可成型板材 ,大大縮短了水泥制品的生產周期 ,給大型板材連續(xù)機械化生產創(chuàng)造了條件。加熱硬化型水泥組成物 ,由硅酸鹽水泥 8196.5%,高鋁水泥 102.4%,無水石膏及半水石膏 50.7%,石灰 50.5,以水泥混合物為 100%,在加入 0.22.0%的堿金屬有機碳酸鹽 ,經混合而成。堿金屬碳酸鹽如蘋果酸鈉、乙二醇酸鈉等的加入可以改善混合物的加熱成型性能 ,使剛剛加熱硬化后的制品的機械強度發(fā)揮良好 ,防止成型物脫模時出現(xiàn)損壞。加熱硬化型水泥混合物與細木片 ,木屑的混合經加水加壓加熱可形成不同體積密度的大型板材。它具有優(yōu)良的強度、防火性能和耐久性，已成功的用作內外墻板。加熱硬化型水泥混合物還可以與聚合物涂層等一起熱壓形成復合制品， 起到增強和裝飾 作用。六 . 結束語 以鋁酸鈣為主要礦物的高鋁水泥已有近 100 年的應用開發(fā)歷史， 過去主要利用其單一水 泥的特性進行使用， 如因其具有耐海水侵蝕性而使用于海港工程； 利用其快速硬化性能而用 于軍事?lián)屝薰こ?；利用其?/p>