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硫铝酸盐水泥的性能与应用研究

时间:2016-12-27 01:15浏览次数:

本文由同济大学孙振平教授课题组陈超整理

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1 前言

硫铝酸盐水泥(CSA)由我国建筑材料科学研究院于1975年研制成功,并于1982年获得国家发明二等奖[1]。它是由矾土、石灰石和石膏按一定配比,经低温(1300~1350)煅烧,生成以硫铝酸钙(C4A3)和硅酸二钙(C2S)为主要矿物相的熟料,与适量石膏共同粉磨而制成的具有凝结时间短、早期强度高和碱度低等特性的水硬性胶凝材料[2]。粉磨硫铝酸盐水泥时,通常按照需要掺加部分混合材(石灰石和粉煤灰等)。随着研究的不断深入,根据工程实际需要,硫铝酸盐水泥已被系列化,目前市场上生产应用的有高强硫铝酸盐水泥、自应力硫铝酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥、低碱度硫铝酸盐水泥和膨胀硫铝酸盐水泥等[3]

本文简要介绍了硫铝酸盐水泥的生产、性能特点及其工程应用。

2 硫铝酸盐水泥的生产

与硅酸盐水泥的生产一样,硫铝酸盐水泥的生产也可概括为两磨一烧,硫铝酸盐水泥生产的关键也在于熟料的烧成[3]

近十余年来,随着水泥工业对节资、节能和减排的重视,国内外研究者也开始重视硫铝酸盐水泥熟料烧成原料中对工业固废的应用。

 

2.1 硫铝酸盐水泥熟料的工业生产

硫铝酸盐水泥熟料与硅酸盐水泥熟料相比,在原料、烧成温度和生成矿物相等方面有一定差别。

生产硫铝酸盐水泥熟料所使用的主要原料有石灰质原料、矾土和石膏等,对原料的技术要求是:石灰质原料中CaO≥48%(若低于48%,可将其与CaO48%的石灰质原料搭配使用)MgO20%;矾土中Al2O350%Fe2O320%SiO220%SO338%;石膏最好选用无水石膏,且SO345%[4]。在生产硫铝酸盐水泥熟料过程中主要控制铝硫比(P)和碱度系数(CM)两个参数。其中,P一般维持在3.5~4.0之间,CM一般维持在0.9~1之间。若CM1,将会出现大量f-CaO或生成C3AC12A7等矿物,从而影响水泥的水化速度、水化产物及其形态;若CM过小,则熟料中C2AS̅含量增加,从而导致C4A3β-C2S的含量降低,对水泥性能产生不利影响;若石膏含量不足,则会使Al2O3过剩,熟料中C2AS̅含量增加,导致水泥早期性能下降[5]

生产硫铝酸盐水泥熟料时CO2的排放量基本上是生产硅酸盐水泥的一半[6],因此硫铝酸盐水泥被看作低碳环保型水泥。

 

2.2 固体废弃物制备硫铝酸盐水泥孰料

硫铝酸盐水泥的性能优良,然而只有解决主要原料的来源问题,才能更广泛地应用于结构工程。出于对生产成本和环境保护等因素的考虑,特别是减少对天然资源的依赖,能否利用固体废弃物作为原料制备硫铝酸盐水泥成为研究者们关注的问题。

目前该方向的主要研究内容包括以下四点:

(1) 利用不同固体废弃物制备硫铝酸盐水泥的可行性研究;

(2) 利用固体废弃物所制备硫铝酸盐水泥的物化组成、水化性能和力学性能的研究;

(3) 固体废弃物中其他氧化物对硫铝酸盐水泥性质的影响;

(4) 硫铝酸盐水泥中固体废弃物活化机理的研究[7]

Singh[8]以赤泥为主要原料,添加石灰、铝矾土和石膏,在1300下制备出硫铝酸盐水泥熟料。谌凡琪等[9]以武汉石化公司电厂的脱硫渣为主要原料,添加石灰石、Al2O3CaSO4·2H2O,在1320的烧成温度下保温45min,获得了性能优良的硫铝酸盐水泥熟料,其中脱硫渣的添加量达到50.15%。吴凯等[10]以生活垃圾焚烧飞灰为主要原料,添加石灰石和铝矾土,在1250烧成硫铝酸盐水泥熟料。

3 硫铝酸盐水泥的性能特点

 

3.1 凝结时间较快

GB175-2007规定,各类硅酸盐水泥初凝时间不得小于45min,终凝时间不得大于10h。而硫铝酸盐水泥初凝时间多为30min~40min,终凝时间多为55min~75min[11]

 

3.2 早期强度高

与普通硅酸盐水泥相比,硫铝酸盐水泥强度发展迅速,具有极高的1d强度,3d龄期强度可达硅酸盐水泥28d强度的85%以上[4],如表1所示。硫铝酸盐水泥由于熟料中含有一定量C2S,其后期强度会缓慢提高,而不会出现某些快凝、快硬、早强水泥所表现出的后期强度倒缩现象。

 

3.3 一定的自由膨胀率

硫铝酸盐水泥水化生成的钙矾石,结晶生长时产生体积膨胀,因而硫铝酸盐水泥具有一定的自由膨胀性。由表2可以看出,在灰砂比(C/S)1:0.5的情况下,低碱硫铝酸盐水泥28d的自由膨胀率为0.00%~0.10%,快硬硫铝酸盐水泥28d的自由膨胀率为0.00%~0.07%[12]。可见,硫铝酸盐水泥尽管具有一定的膨胀性,但膨胀率较低,应用十分安全。

 

3.4 液相碱度低

硅酸盐水泥水化液相的pH值达13左右,而硫铝酸盐水泥水化液相的pH值为11.5~12.0。低碱水泥适合作玻璃纤维复合材料的胶凝材料,特别是在硫铝酸盐水泥中掺加一定比例的混合材,如石灰石、粉煤灰、矿渣粉等,可以进一步降低碱度,成为玻璃纤维制品的理想胶凝材料。

 

3.5 良好的抗冻融性

抗冻性好也是硫铝酸盐水泥的优异性能之一,由于其快硬早强,早期受冻对其强度的影响较小。普通硅酸盐水泥如果在早期受冻,待温度恢复到常温时,其强度损失大约为50%,而硫铝酸盐水泥只损失9%左右。硫铝酸盐水泥在(0~10)的低温环境下使用,其早期强度为普通硅酸水泥的5~8倍;在(-20~0)的低温环境下使用,加入少量防冻剂,保持入模温度在5以上,混凝土(3~7)天的强度可以达到设计强度的70%~80%[13]

4 硫铝酸盐水泥的应用

 

4.1 硫铝酸盐水泥用作快速修补材料

大量试验研究表明,快硬早强硫铝酸盐水泥是我国当前较为先进的抢修、抢建工程用水硬性胶凝材料。在道路路面抢修、修补工程中,用硫铝酸盐水泥掺早强剂配制的道路混凝土,不需特殊养护,8h后强度即可达到设计强度的80%,12h即可达到设计强度[14]。同时,硫铝酸盐水泥粘结性强、自身膨胀性弱,可有效防止混凝土收缩,较高的抗渗透性能又能防止地表水下渗损坏道路基层[15],因此硫铝酸盐水泥是理想的道路路面抢修、修补工程用材料。

 

4.2 硫铝酸盐水泥用作灌浆材料

我国高铁建设中投入很多新型材料,特别是灌浆材料,其在轨道及钢结构安装地脚螺栓锚固、路桥工程的加固以及混凝土结构加固建设中得到了大量的应用。裴向军等[16]在快硬型硫铝酸盐水泥的基础上,研究了一种流动性好、凝结时间可控、早期强度大且后期强度逐步提高的新型灌浆材料,对现场灌浆技术的提高具有重要意义。

 

4.3 硫铝酸盐水泥在抗腐蚀工程中的应用

硫铝酸盐水泥具有优异的抗氯盐和抗硫酸盐侵蚀的性能,即使不养护的硫铝酸盐水泥胶砂试件也具有显著的抗硫酸盐侵蚀性能[17]。南疆铁路和青新铁路所途经的含有高浓度氯化物、镁盐和硫酸盐地下水的路段,采用快硬硫铝酸盐水泥现场实验和施工的大小十几座桥梁,至今使用效果仍然良好[18]

 

4.4 硫铝酸盐水泥在生产GRC相关制品中的应用

GRC制品是指由硫铝酸盐水泥与抗碱玻璃纤维复合而成的制品,具有轻质、高强和耐久等优良性能,在我国已得到了广泛应用。硫铝酸盐水泥碱度低,与玻璃纤维复合制备玻璃纤维增强水泥(GRC)制品时,能减缓对玻璃纤维的腐蚀,大幅提高GRC制品的耐久性[19]。目前GRC制品种类繁多,主要有GRC内外隔墙板、GRC建筑外装饰构件和艺术品,GRC保温板及发泡材料等建筑材料。

 

4.5 硫铝酸盐水泥在其他工程中的应用

硫铝酸盐水泥由于其具有早期强度高、抗渗透性强、抗冻融性好、长期稳定性好、耐腐蚀、凝结时间短、碱度低和自由膨胀率低等一系列优异的性能,除了在上述工程中被大量应用外,还被广泛应用于以下工程领域[20]

(1) 喷锚支持、加固工程;

(2) 水工、海工工程;

(3) 地下工程;

(4) 防碱集料反应工程;

(5) 混凝土预制构件、高强预应力混凝土管桩的制备。

5 展望

硫铝酸盐水泥具有快硬、早强、抗裂和防腐等特殊性能,生产时排放的CO2要比硅酸盐水泥少,在当前节能减排的大背景下,其发展符合国家产业政策[20]。在“一带一路”战略实施的道路上,为满足一些特殊工程的需求,硫铝酸盐水泥作为一种特种水泥正在迎来广阔的应用前景。就像KarenScrivener教授所做的预测,硫铝酸盐水泥可能并不会大规模地替代普通硅酸盐水泥,然而它或许可以为水泥与资源、环境的和谐发展提供思路[21]

参考文献

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[3] 方国安, 提军科. 硫铝酸盐水泥在土木工程中的应用[J].辽宁建材, 2004, (5): 6-9.

 

[4] 王建军, 张自力, 万善奎. 硫铝酸盐水泥的发展现状与展望[J]. 新世纪水泥导报, 2011, (6): 51-53.

[5] 吕志勤, 李侠. 硫铝酸盐水泥的开发与应用[J]. 河南科技, 1998, (10):26-27.

[6] 王来国, 芦令超, 程新. 硅酸盐与硫铝酸盐矿物复合水泥材料的研究进展[J].济南大学学报: 自然科学版, 2004, 18(1): 24-27.

[7] 耿永娟, 李绍纯, 李秋义, . 利用固体废弃物制备硫铝酸盐水泥的研究进展[J].硅酸盐通报, 2013, 11: 023.

[8] Singh M, Upadhayay S N, Prasad P M.Preparation of special cements from red mud[J]. Waste Management, 1996, 16(8):665-670.

[9] 谌凡琪, 陈袁魁, 马松强. 高钙脱硫渣资源化利用的研究[J]. 新世纪水泥导报, 2006, 12(5): 13-15.

[10] 施惠生, 吴凯, 郭晓潞, . 垃圾焚烧飞灰研制硫铝酸盐水泥及其水化特性[J].建筑材料学报, 2011, 14(6): 730-735.

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[12] 彭炫铭. 硫铝酸盐水泥的性能及在新疆应用展望[J]. 四川水泥, 2011, (2): 58-60.

[13] 许占良. 浅谈在混凝土冬季旋工中使用硫铝酸盐水泥的优势[J].中国高新技术企业, 2008, (13): 207-207.

[14] 王伟良. 硫铝酸盐水泥在路面修补中的应用[J].经济技术协作信息, 2000, (10): 38-38.

[15] 邵争鸣,李坚利. 水泥工艺技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2006: 3-24.

[16] 袁进科, 裴向军, 陈礼仪, . 快硬型硫铝酸盐水泥灌浆性能研究[J].混凝土, 2015, (8): 87-90.

[17] 李方元, 唐新军, 胡全. 硫铝酸盐水泥混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能[J].混凝土与水泥制品, 2012, (10): 1-6.

[18] 方国安, 提军科. 硫铝酸盐水泥在土木工程中的应用[J].辽宁建材,2004, (5): 6-9.

[19] 张丕兴. 早强低碱度硫铝酸盐水泥的分析研究[J]. 广东建材, 2004, (1): 8-11.

[20] 王建军, 张自力, 万善奎. 硫铝酸盐水泥的发展现状与展望[J].新世纪水泥导报, 2011, (6): 51-53.

[21] 王燕谋. 深化科技体制改革进一步开发特种水泥[J]. 中国水泥, 2013, (5): 36-38.

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