高鋁水泥性能及作用

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(jì)后半頁，法國由于海水和地下水對混凝土結(jié)構(gòu)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(huì)曾以懸賞金鼓勵(lì)為此做貢獻(xiàn)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(chǎn)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(shí)際使用中還發(fā)現(xiàn)了高鋁水泥有極好的早強(qiáng)性，在第一次世界大戰(zhàn)期間，高鋁水泥被大量用來修筑陣地構(gòu)筑物。20 世紀(jì)

2、 20 年代以后，逐漸擴(kuò)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(jìn)行該水泥的水化硬化機(jī)理和以強(qiáng)度下降為中心的耐久性研究，發(fā)現(xiàn)高鋁水泥的水化產(chǎn)物因發(fā)生晶形轉(zhuǎn)變而使強(qiáng)度降低。此后， 在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)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(yīng)用。20 世紀(jì)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(jié)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(shè)需要而開始立項(xiàng)研制，并開創(chuàng)性的采用回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法生產(chǎn)高鋁水泥，產(chǎn)品主要用作耐火澆注料的結(jié)合劑，以及配制自應(yīng)力水泥

3、、膨脹劑等。也成功的應(yīng)用于火箭導(dǎo)彈的發(fā)射場地等國防建設(shè)和搶修用水泥。近年來， 隨著化學(xué)建材的迅速興起，高鋁水泥作為硅酸鹽水泥凝結(jié)硬化時(shí)間的調(diào)節(jié)添加劑已愈來愈被材料工作者重視，并將成為化學(xué)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(xué)礦物組成高鋁水泥的制造方法主要有以下幾種：2.1 回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法由于中國的礬土含鐵量較低，因此具有較寬的燒結(jié)溫度范圍，比較適合用回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法生產(chǎn)。 回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法采用煙煤作燃料，具有生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高、質(zhì)量容易穩(wěn)定的特點(diǎn)，在中國被廣泛采用。回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法的要點(diǎn)是：選用優(yōu)質(zhì)礬土和優(yōu)質(zhì)石灰石為原料，按一定比例配合送入球磨機(jī)， 粉磨成生料，

4、然后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行燒結(jié)，燒成的熟料經(jīng)球磨機(jī)粉磨成細(xì)粉即成為高鋁水泥。當(dāng)選用工業(yè)氧化鋁和優(yōu)質(zhì)石灰石為原料時(shí)，采用天然氣和柴油或重油等無灰燃料可生產(chǎn)出白色的純鋁酸鈣水泥。由于其雜質(zhì)含量低，廣泛用來配制高檔耐火澆注料，同時(shí)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(xué)建材中需要裝飾效果的場合?；剞D(zhuǎn)窯燒結(jié)法的組分設(shè)計(jì)一'般在Al 2O3CaOSiO2二兀相圖中的 CA CA 2C2AS三角形內(nèi)，生料在回轉(zhuǎn)窯的燒結(jié)過程中，首先通過固相反應(yīng)形成CA 礦物， 由于石灰石在分解后具有較高的反應(yīng)活性，因此會(huì)局部出現(xiàn)少量C12A 7礦物，但隨著溫度的提高，礬土中的AI2O3和SiO2的反應(yīng)速度加大，

5、熟料中的礦物會(huì)逐漸按設(shè)計(jì)組成達(dá)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(zhì)存在的Fe2O3和。2,形成C2F 和 CT。因此，用回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法生產(chǎn)的高鋁水泥，在煅燒狀態(tài)較好的情況下，不會(huì)存在C12A7（這也是化學(xué)建材用高鋁水泥中不希望存在的礦物）。 用回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法生產(chǎn)化學(xué)建材用高鋁水泥，其配料成分的穩(wěn)定控制、燒成制度的嚴(yán)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(zhì)原料，按設(shè)計(jì)成分計(jì)算配合比混合，用電弧爐進(jìn)行熔化，在控制冷卻的情況下，形成熟料。經(jīng)球磨機(jī)粉磨至要求的細(xì)度即為高鋁水泥。用電弧爐熔融法適合生產(chǎn)CaO 含量較高的高鋁水

6、泥。用回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法生產(chǎn)的熟料，其CaO 含量一般在35以內(nèi)，因?yàn)镃aO 含量過高，就會(huì)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(chǎn)，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(qiáng)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(chǎn)Fe2O3含量較高的水泥。用熔融法生產(chǎn)高鋁水泥的技術(shù)要點(diǎn)是選用優(yōu)質(zhì)礬土和優(yōu)質(zhì)石灰質(zhì)原料，在熔化過程中盡可能掌握氧化氣氛，因?yàn)檫€原氣氛中會(huì)有FeO 生成，并形成稱為Pleochroite 的多色礦物，根據(jù) Midgley 教授的研究1認(rèn)為 Pleochroite 的化學(xué)式為：（Ca， Na， K， Fe2+） A（Fe3+，A

7、l）B （Al 2O7）5 （AlO 4）6-x （ Si， TiO 2）x ， Pleochroite 的生成會(huì)對高鋁水泥的性能產(chǎn)生有害影響，導(dǎo)致C12A7 的含量增多，使高鋁水泥的凝結(jié)硬化過程難于控制。另外， 用熔融法生產(chǎn)高鋁水泥，冷卻條件對性能會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。因此，控制冷卻是一個(gè)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(shù)，F(xiàn)ondu 水泥， Secar51 水泥，德國的海德堡生產(chǎn)的ISTRA40,ISTRA50 水泥都采用反射爐熔融法生產(chǎn)。反射爐熔融法與電弧爐熔融法同樣適合生產(chǎn)高鈣含量和高鐵含量水泥，并且需要嚴(yán)格控制氣氛和冷卻過程，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的

8、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(CA 2)，與水反應(yīng)可用下式表示：高鋁水泥在常溫下的水化產(chǎn)物CAH10 和 C2AH8 都屬于介穩(wěn)產(chǎn)物，它們在溫度超過35情況下會(huì)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的C3AH 6，在這種晶形轉(zhuǎn)變過程中，會(huì)引起強(qiáng)度下降，其原因?yàn)椋?1) . CAH10和C2AH 8是TK角片狀晶體，C3AH6為立方晶形晶體，C3AH 6的結(jié)合力比 CAH 10和 C2AH 8差。( 2) . 在晶形轉(zhuǎn)變過程中釋放出結(jié)晶水而使孔隙率增大。( 3) . 水化初期或低溫下形成

9、的Al(OH)3 為膠狀體，充填在晶體間起增強(qiáng)的作用。溫度提高后鋁膠轉(zhuǎn)變?yōu)榫w三水鋁石(A1203 3H2。)降低了膠體的增強(qiáng)作用。因此， 對單獨(dú)將高鋁水泥用于結(jié)構(gòu)工程，需持慎重態(tài)度。但是由于高鋁水泥的水化產(chǎn)物不出現(xiàn)游離Ca(0H)2,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(jié)合劑時(shí)，不會(huì)發(fā)生如硅酸鹽水泥在反復(fù)加熱和冷卻的過程中因CaO 和 Ca(OH) 2的反復(fù)形成，以及&C2s的多晶轉(zhuǎn)變而使耐火混凝土產(chǎn)生體積不穩(wěn)定的弊病。而且高鋁水泥具有早強(qiáng)性，在窯爐中施工，可以盡量縮短養(yǎng)護(hù)期，即所謂 “一天混凝土”， 因此高鋁水泥被廣泛應(yīng)用于耐火材料行業(yè)。3.2 高鋁水泥和硅酸鹽

10、水泥的混合物的水化3.2.1 高鋁水泥的水化產(chǎn)物 CAH10、C2AH 8與硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物C-S-H凝膠反應(yīng)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CAH io和C2AH 8因轉(zhuǎn)化為C3AH 6而產(chǎn)生的強(qiáng)度下降。3.2.2 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(jié)時(shí)間，加速強(qiáng)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泥簡單混合時(shí)高鋁水泥的加入量對硅酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)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。3.2.3 精心選擇高鋁水泥的適宜添加

11、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(qiáng)度，又保留了良好的長期強(qiáng)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(qiáng)度的影響，當(dāng)高鋁水泥的加入量為10時(shí)，不僅可以獲得一定值的 6 小時(shí)強(qiáng)度，而且在養(yǎng)護(hù)過程中強(qiáng)度還會(huì)不斷增長。28 天的強(qiáng)度值基本上達(dá)到純硅酸鹽水泥的 28 天強(qiáng)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?dāng)嚢韬蟀l(fā)生相互反應(yīng)，而形成鈣礬石，3CA+3CaSO4+41H28 C3A 3 CaSO 3

12、2H2O+6Al(OH) 33CA+CaSO4+21H28 C3A CaSO 12H2O+6Al(OH) 3石膏礬土膨脹水泥，無水石膏礬土水泥，止水堵漏水泥，自應(yīng)力水泥和混凝土膨脹劑都是利用上述反應(yīng)原理。隨著石膏形態(tài)的不同，膨脹效果也會(huì)產(chǎn)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(yīng)迅速，膨脹量大，且不易穩(wěn)定。究竟采用哪種石膏，需要根據(jù)開發(fā)的產(chǎn)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(yīng)，往往用作收縮補(bǔ)償，以克服砂漿的開裂問題。實(shí)際上，在形成鈣礬石的過程中希望形成高結(jié)合水的3CaO Al2O3 3CaS04 32H2O鈣磯石，在富Ca(OH)2

13、的條件下，高含水的鈣磯石比較容易形成，而硅酸鹽水泥水化時(shí)就可以提供Ca(0H)2,有時(shí)可以另外配入 Ca(0H)2。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。一個(gè)極具開發(fā)前景的領(lǐng)域. 高鋁水泥應(yīng)用于配制商品砂漿高鋁水泥加入到硅酸鹽水泥中，可以加快混合物的凝結(jié)時(shí)間和加速強(qiáng)度的早期發(fā)揮。當(dāng)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(dòng)性，保水性，粘結(jié)性以及收縮補(bǔ)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(bǔ)，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

14、能行走進(jìn)行下一個(gè)工序。高鋁水泥應(yīng)用于化學(xué)建材，首先是為了加快凝結(jié)和硬化，以達(dá)到增加工作效率的目的。但實(shí)際上，高鋁水泥主要組分的反應(yīng)基礎(chǔ)應(yīng)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(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物鈣礬石是一種含有大量結(jié)合水的礦物(含32H2O) ，通過這一礦物的快速形成，可以使硬化體在短時(shí)間內(nèi)具有低的殘余水。從而可降低硬化體因水份蒸發(fā)而產(chǎn)生大的收縮。利用高鋁水泥和硅酸鹽水泥混合后產(chǎn)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(bǔ)砂漿、粘結(jié)砂漿、澆注砂漿五 . 與硅酸鹽水泥、石灰、石膏配制加熱硬化型

15、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(jīng)60以上加熱會(huì)急速硬化而形成制品，其反應(yīng)本質(zhì)是高鋁水泥中的鋁酸鈣與硅酸鹽水泥中的Ca(OH) 2和無水石膏或半水石膏在60 c以上急劇反應(yīng)形成鈣磯石(3CaOAl 2O3 3CaS04 32H2O)。日本積水化學(xué)已利用這一原理生產(chǎn)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(chǎn)周期，給大型板材連續(xù)機(jī)械化生產(chǎn)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

16、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(jī) 碳酸鹽，經(jīng)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(jī)械強(qiáng)度發(fā)揮良好，防止成型物脫模時(shí)出現(xiàn)損壞。加熱硬化型水泥混合物與細(xì)木片，木屑的混合經(jīng)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(qiáng)度、防火性能和耐久性，已成功的用作內(nèi)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(fù)合制品，起到增強(qiáng)和裝飾作用。六. 結(jié)束語以鋁酸鈣為主要礦物的高鋁水泥已有近100 年的應(yīng)用開發(fā)歷史，過去主要利用其單一水泥的特性進(jìn)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)屝薰こ蹋焕闷淠突鹉蜔嵝远鴳?yīng)用