鐵鋁酸水泥的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

1、鐵鋁酸水泥的特性與應用0前言我國水泥被分為通用硅酸鹽水泥和特種水泥兩大局部,由于可靠的性能和低廉的價格,通用硅酸鹽水泥廣泛用于一般土木建筑工程.但通用硅酸鹽水泥無法滿足特殊工程的技術要求,例如快凝、快硬、耐火,緊急工程的修補堵漏或者具有某些良好施工性能.由于特種水泥的生產本錢較高,工藝相對復雜,對原料的品位要求嚴格,不如普通硅酸鹽水泥應用廣泛,但是它在化工、冶金、石油等行業(yè)的應用是普通水泥達不到的.目前對特種水泥的分類方法很多,根據(jù)水泥熟料中所包含的主要礦物相分為硅酸鹽水泥(C3S、鋁酸鹽水泥(CA)、硫鋁酸鹽水泥(C4A3)等;根據(jù)水泥的應用情況分為道路水泥、彩色水泥、砌筑水泥等；根據(jù)水泥的

2、功能分為：防輻射水泥、耐高溫水泥、耐腐蝕水泥、快硬高強度水泥等.中國建材科學研究院70年代創(chuàng)造了以C4A3S-和3-C2S為主要礦物組成的硫鋁酸鹽水泥,在此根底上,1985年又成功地研制T以C4A3S-、C4AF、aC2s為主要礦物組成的鐵鋁酸鹽水泥新品種系列,并于1987年12月榮獲國家創(chuàng)造創(chuàng)造二等獎,該水泥系列是中國特有的新品種水泥系列.作為第三系列水泥之一鐵鋁酸鹽水泥具有早強、高強、耐腐蝕、抗?jié)B、抗凍、耐磨和抗海水沖刷,后期強度潛伏力較大并可在負溫下施工的優(yōu)良特性,其力學性能優(yōu)于普通水泥,可以廣泛應用于混凝土結構施工中.鐵鋁酸鹽水泥在水化過程中有稍微的膨脹性且對新老混凝土的膠結水平強,克

3、服了普通硅酸鹽水泥混凝土硬化收縮產生開裂的缺點,可用于混凝土外表破壞的修補.1研究現(xiàn)狀1.1 熟料礦物組成分析鐵鋁酸鹽水泥的主要礦物相為鐵相、無水硫鋁酸鈣和硅酸鈣,并含有少量的C12A7相和其他“雜質礦物相.鐵鋁酸鹽水泥熟料不同于硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥等最明顯的地方在于鐵相含量.鐵相是C2F,C6A2F,C4AF,C6AF等礦物的總稱,經研究發(fā)現(xiàn)在鐵鋁酸鹽中還可固熔鎂、硅、堿金屬以及欽、鎰、銘等的氧化物形成更復雜的物相.鐵鋁酸四鈣是鐵相固溶體中最具代表的水硬性礦物其化學式為4Ca0A1203Fe203簡寫成C4AF,由于三氧化二鐵的引入致熔點較低1415C.C4AF具有較好的水化性能且水化強度

4、能持續(xù)增長,28d單礦物耐壓強度為40.74MPa,水化至96d時強度可增加到65.70MPa.由于該相能在提升水泥的韌性和耐硫酸鹽腐蝕等方面具有很好的效果,因此高鐵水泥一般用在腐蝕性大的工程上保證其具有較好的耐久性.它的水化速度快于C3S而較遠慢于C3A,不會導致水泥出現(xiàn)急凝現(xiàn)象且在四種鐵相里水化放熱量最低,其水化反響及其產物與C3A很相似.鐵相的水化過程受溫度影響較大在20C以上,六方片狀的C4(A,F)H13要轉變成C3(A,F)H6,這種晶型轉變會產生體積膨脹,所以鐵相含量高的水泥都具有微膨脹性,與普通硅酸鹽水泥硬化后的體積收縮相反.高鐵水泥熟料在摻入適量的石膏后能顯著降低C4AF水化

5、過程產生的膨脹應力,這在抑制水泥石漿體過度膨脹而開裂具有較好作用.C12A7的化學式為12CaO-7Al2O3,屬于立方晶系,通常呈現(xiàn)出綠色,熔點是1415C1495CO具有較高活性的C12A7水化和凝結硬化速度也是非常迅速,初凝時間僅為5min,終凝為7min,根本來不及施工.但強度開展不如CA高,28d強度為15.0MPa且后期容易倒縮與CA相似受溫度影響較大.當水泥熟料中的C12A7含量較多時,水泥易出現(xiàn)快凝,施工性差甚至后期強度倒縮的現(xiàn)象,對水泥硬化強度產生不良影響；少量的C12A7能促進C4AF和CA的水化進程,因此必須嚴格限制該相在鐵鋁酸鹽水泥中的含量.1.2 熟料化學組成分析其他

6、種類水泥都盡量降低或嚴格限制鐵的含量,而鐵鋁酸鹽水泥熟料中三氧化二鐵Fea03的含量卻高于13wt%,大量三氧化二鐵Fea03的引入勢必對熟料的燒成、窯皮的損毀產生不利影響,因此三氧化二鐵Fea03含量高的水泥一般采用電熔法生產.熟料中也含有三氧化二鋁A1a03,氧化鈣Ca0和二氧化硅SiOa及堿金屬氧化物等成分.下面為各個氧化物的作用：三氧化二鋁A1a03是保證鐵鋁酸鹽水泥的根本成分,FONDU水泥中A1203含量37.0%oA120:含量上下極大程度影響熟料礦物相,當生料中A12O3含量很低時,熟料易出現(xiàn)C12A7且生成量大,這使熟料出現(xiàn)凝結硬化過快,來不及施工,水化強度低的不良現(xiàn)象;相反

7、,作為一種耐高溫氧化物,配入量過多易引起熟料的燒成溫度升高,造成能耗增加.氧化鈣Ca0對水泥礦物相形成和生料易燒性的影響與Al2O3卻截然相反,當生料中配入的Ca0含量過低時,不利于液相的生成,熟料燒成溫度高；如果配入的Ca0含量過高,熟料中易出現(xiàn)C12A7急凝礦物,還有少量的f-Ca0沒有被完全吸收,這兩種物相的出現(xiàn)均會導致水泥出現(xiàn)凝結硬化快,強度不高且水泥安定性差的后果.二氧化硅SiOa易和氧化鈣Ca0及三氧化二鋁A1a03在9000c反響生成低溫礦物相鈣鋁黃長石C2AS,這種物相不具有水化活性,相反對其他水化物相的“包裹、“參雜對水化強度產生不良影響,應限制二氧化硅SiOa在生料中的含量

8、,但適量5wt%能促進水泥燒結,降低燒成溫度,增加液相量.三氧化二鐵Fea03在硅酸鹽水泥熟料中的含量在5-6wt%,形成的C4AF被當作助熔劑礦物,而在鐵鋁酸鹽水泥熟料中含量在15wt%左右,這導致其燒成溫度低且范圍窄,需嚴格限制溫度,生成的鐵相是主要水化礦物相,如果溫度燒成溫度低,鐵相主要為CaF,CF,膠凝性很差,燒成溫度過高易導致C4AF分解.2生產應用水平2.1 工業(yè)生產狀況從生產鋁酸鹽水泥開展到硫鋁酸鹽水泥,對鋁質原料要求A1203含量由70%左右下降到55%.但是,自然界含A12O3達55%的資源畢竟有限,這給大規(guī)模生產硫鋁酸鹽水泥帶來一定限制.為了擴大原料資源,70年代末,中國

9、建筑材料科學研究院開展了以Fe2O3,取代局部A12O3的研究.經過多年工作,取得了成功.繼硫鋁酸鹽水泥系列之后,又出現(xiàn)了鐵鋁酸鹽水泥系列.根據(jù)大量試驗和生產實踐結果,其中快硬鐵鋁酸鹽水泥熟料礦物組成被確定為：C4A3S-30%45%;鐵鋁酸鹽相20%30%;以C2s15%25%.在實際生產中,將生產硫鋁酸鹽水泥所用的鋁磯土被鐵磯土及少量鐵礦粉校正材料代替,在滿足C4AF和C4A3s-礦物匹配條件下,可生產高質量的鐵鋁酸鹽水泥.鐵鋁酸鹽水泥生料一般在普通回轉窯內煨燒,要求在氧化氣氛中進行,盡量預防復原氣氛.其燒成溫度較低,限制在12501350c范圍內,可見燒成范圍較寬,為100oCo生料中雖

10、然含有大量鐵,由于礦物都是通過固相反響而形成,液相很少,所以操作比擬容易,沒有結圈的危險.燒制出來的熟料質地疏松,易磨性很好.與硫鋁酸鹽水泥熟料相似,通過調節(jié)鐵鋁酸鹽水泥熟料與石膏的配合比,可以生產快硬、膨脹和自應力等鐵鋁酸鹽系列水泥.國家建材院研制的高鐵硫鋁酸鹽水泥的煨燒溫度只有1300c且易磨性好,遠低于普通硅酸鹽水泥,這說明鐵相含量高的水泥在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢.而且它利用低品位的鐵鋁磯土,這說明鐵鋁酸鹽水泥也可有較大原料利用空間.研制鐵鋁酸鹽水泥強度時曾發(fā)現(xiàn)7天到28天之間的抗折強度有倒縮現(xiàn)象.通過大量試驗后發(fā)現(xiàn),制備水泥時摻入一定量石灰石可以消除強度倒縮問題,從而解決了鐵鋁酸鹽水泥獲

11、得實用性的技術關鍵.其中快硬鐵鋁酸鹽水泥是由熟料、石灰石和二水石膏三個組分,經混合粉磨而成,粉磨時,比外表積限制在大于4000cm2/g.2.2 主要特性與用途鐵鋁酸鹽水泥熟料主要礦物為C4A3S-,在性能上與硫鋁酸鹽水泥有許多類似之處：早強、高強、高抗?jié)B、高抗凍、耐腐蝕等,并可在很大范圍內調節(jié)其膨脹性能.然而,這兩種水泥水化體組分尚存在一定差異,致使水泥性能在共性的根底上還有如下一些不同之處.在砂漿配置過程中,用普通硫鋁酸鹽水泥配制的砂漿和混凝土外表往往會出現(xiàn)“起砂現(xiàn)象或稱“粉化現(xiàn)象,這是由于外表失水過快而內部的水分來不及補充,以及該種水泥水化液相pH值較低.有些低堿度水泥如無熟料水泥,其配

12、制的砂漿和混凝土構件外表也常常產生類似的起砂現(xiàn)象.而快硬鐵鋁酸鹽水泥配制的砂漿和混凝土外表非但沒有起砂現(xiàn)象,而且像高強硅酸鹽水泥配制的砂漿和混凝土外表那樣潔凈、光滑和堅硬,其原因顯然應歸結于它的水化液相pH值較高.在冬季施工工程中,采用鐵鋁酸鹽水泥系列中的快硬鐵鋁酸鹽水泥可省去通常使用的蒸氣保溫舉措,具有很高的經濟效益,目前尚無其他水泥可取代,其應用前景極佳.在冬季施工中最好.該品種與普通硫鋁酸鹽水泥系列中的快硬硫鋁酸鹽水泥相比,放熱速度快,放熱量較集中,更有利于冬季施工.另外,快硬鐵鋁酸鹽水泥沒有早期鋼筋銹蝕和“起砂等問題使用平安性更好.在海洋工程方面,鐵鋁酸鹽水泥水化產物中的凝膠體除鋁膠外

13、,還有大量鐵膠,這些水化特征使水泥石抗海水沖刷和抗腐蝕性能優(yōu)良,其耐蝕性優(yōu)于硫鋁酸鹽水泥.鐵鋁酸鹽水泥經過水化硬化之后,形成的水泥石結構致密,該水泥理論水灰比與實際水灰比很接近加之在不斷水化過程中形成CSH凝膠,水泥石毛細孔的空間得到不斷的充填和密實,使水泥石有一個較好的水膠比,孔隙率比OPC低,而且孑徑較小.研究說明鐵鋁酸鹽水泥是一種理想的固化氯離子的膠凝材料,抗氯離子侵蝕性能優(yōu)于OPC凝土,且隨著水膠比的減小,抗氯離子侵蝕性能明顯提升.因此,其被稱為“最理想的海洋工程用水泥品種在鋼筋保護方面,在對長期使用的鐵鋁酸鹽水泥鋼筋混凝土制品和建筑物的實際考察中,沒有發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕現(xiàn)象.這是由于鐵鋁酸

14、鹽水泥水化液相堿度較高,液相pH1213,鋼筋外表形成了鈍化膜,保護鋼筋不會被銹蝕.并且該種水泥混凝土結構非常致密,內部自由水和氧氣含量又較低,所以可以有效預防鋼筋銹蝕.在自應力水泥壓力管的生產中,自應力硫鋁酸鹽水泥與自應力鐵鋁酸鹽水泥相比,前者自應力值較高,膨脹穩(wěn)定期較長,使用平安性較差,以至管子破裂現(xiàn)象時有發(fā)生,阻礙了自應力水泥壓力管的開展與應用.解決自應力水泥壓力管平安性的最正確選擇是采用自應力鐵鋁酸鹽水泥.這種水泥雖然自應力值低些,但由于它在水化過程中產生較多的Ca(OH),加速了AFt的形成,使膨脹穩(wěn)定期縮短.同樣由于水化液相堿度較高,沒有鋼筋銹蝕問題,使用平安性比自應力硫鋁酸鹽水泥

15、好得多.3開展趨勢3.1 水泥性能改良快硬鐵鋁酸鹽水泥大多存在凝結時間過短的問題,不能滿足日益開展的商品混凝土的要求,因此需要研究延長或調節(jié)凝結時間的有效技術途徑；對于膨脹自應力鐵鋁酸鹽水泥,應增強對其膨脹機理的理論研究,充分掌握膨脹組分及其含量、水泥的使用或養(yǎng)護條件及混凝土配制工藝對膨脹或自應力混凝土的膨脹量和穩(wěn)定期的影響,并在此根底穩(wěn)定產品質量,保證膨脹自應力水泥的平安和有效使用等.此外,適應水泥工業(yè)開展的趨勢以及現(xiàn)代建設對材料性能要求和供給強度的進一步提升,特種水泥的生產將更多地出現(xiàn)以新型干法生產線為主,即逐漸進入集約化和規(guī)模化的時期.3.2 以節(jié)能為中央未來鐵鋁酸鹽水泥還會有大的開展,

16、且一定是以節(jié)能減排為核心,遵循可持續(xù)開展,減少環(huán)境負荷.,首先應從探索水泥礦物的組成入手,研究開發(fā)新的節(jié)能型礦物即低鈣低燒成溫度及易磨性好的礦物和礦物體系,并系統(tǒng)地研究其共存條件及工業(yè)生產的可能性.其次是綜合利用工業(yè)廢渣,實現(xiàn)節(jié)能降耗、變廢為寶的生產目標.目前已研究成功利用煤肝石生產快硬早強水泥、利用粉煤灰生產砌筑水泥、利用礦渣生產低熱微膨脹水泥.另外,我國每年廢棄的金屬尾礦數(shù)以億噸計,如能以其為原料開展低鈣低燒成溫度的節(jié)能水泥和高效礦化劑,并在性能上與硅酸鹽通用水泥相競爭,每年至少可多利用工業(yè)廢渣和尾礦達100萬t.4總結如今在中國,鐵鋁酸鹽水泥已成功地應用于各種建筑工程尤其是冬季施工工程卜海港