铝酸盐水泥水化机理

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铝酸盐水泥水化机理一，高铝水泥的组成高铝水泥，又称矾土水泥或铝酸盐水泥，是以铝酸钙为主的熟料经磨细制成的水硬性胶凝材料。铝酸盐水泥以Al2O3、CaO和SiO2为主要成分，水泥的组成可能是C12A7、CA和C2S、CA、C2S和CA、C2AS和CA2。1，铝酸一钙（CA）CA是高铝水泥的主要矿物，它使高铝水泥的初始强度发展速率远比高C3S含量的硅酸盐水泥快。其特点是凝结正常，硬化迅速，是高铝水泥强度的主要来源。但AC含量过高时，强度发展主要集中在早期，后期强度增进率不显著。2，二铝酸一钙（CA2）高铝水泥中CaO含量较低时，CA2较多。其水化较慢，早期强度低，但后期强度不断增长。如果CA2含量过高，将影响高铝水泥的快硬性能。但随CA2增加，水泥的耐热性能提高。质量优良的高铝水泥，其矿物组成一般以CA和CA2为主。3，七铝酸十二钙（C12A7）C12A7晶体中铝和钙的配位极不规则，其结构中存在大量空腔，水极易进入。因此，C12A7水化、凝结极快，但强度不及CA高。当水泥中C12A7较多时，水泥出现快凝，甚至强度倒缩，耐热性下降。4，钙铝黄长石（C2AS）C2AS也称吕方柱石，因为此晶格中离子配位对称性很高，故水化活性极低。5，六铝酸一钙（CA6）CA6 是低钙铝酸盐水泥中常见的一种矿物，为惰性矿物，无水硬性。但CA6能提高水泥的耐热性。高铝水泥熟料的主要化学成分为CaO、Al2O3、SiO2、Fe2O3，还有少量的MgO、TiO2等。下列为各国生产高铝水泥成分组成。二，高铝酸水泥中另外的成分及作用1，氧化铝氧化铝过低，熟料中易出现C12A7，使水泥快凝，强度下降；氧化铝过高，CA2过多，亦使水泥早期强度降低。2，氧化钙氧化钙含量过高，熟料中易出现C12A7，使水泥快凝；氧化钙过低，大量形成CA2，使水泥早期强度降低。3，二氧化硅 适量二氧化硅（4%~5%）能促进生料更均匀地烧结，加速熟料形成。但二氧化硅增加，C2AS含量相应增加，水泥的早期性能降低。一般认为，熟料中二氧化硅含量不超过10%。1，氧化铁少量氧化铁能使熟料易于烧结，但超过4%时熟料容易产生夹馅现象，即表面正常，但内部生烧，使水泥的凝结变快，强度降低。2，氧化镁氧化镁常以碳酸镁形式存在于石灰石中，少量氧化镁（1%~2%）能加速熟料生成，降低高铝熔融物的粘度和熔融温度。但随氧化镁增多，镁铝尖晶石亦相应增加，MA不具有胶黏性，在生产中氧化镁含量应少于2%。四，高铝水泥的水化及硬化高铝水泥的主要矿物为CA，由于CA结构中Ca、Al的配位极不规则，水化极快，因此，其水化产物与温度关系极大。一般认为：当温度为15~20℃时：CA+10H→CAH10当温度为20~30℃时：（2m+n）CA+（10n+11m）H→nCAH10+mC2AH8+mAH3m与n之比随温度提高而增加。当温度>30℃时：3CA+12H→C3AH6+2AH3CA2的水化与CA相同：当温度为15~20℃时：2CA2+26H→2CAH10+2AH3温度为20~30℃时：2CA2+17H→C2AH8+3AH3温度>30℃时：3CA2+21H→C3AH6+5AH3C12A7的水化比CA还快，水化反应如下： 温度<5℃时:C12A7+66H→4CAH10+3C2AH8+2CH温度<20℃时：C12A7+51H→6C2AH8+AH3温度>20℃时：C12A7+33H→4C3AH6+3AH3C2AS水化极为缓慢。高铝水泥的硬化过程，与硅酸盐水泥基本相同。CAH10、C2AH8都属于六方晶系，所形成的片状与针状晶体相互交叉搭接，形成坚固的骨架结构，氢氧化铝凝胶填充期间，且结合水量大，因此空隙率低，结构致密，使水泥获得较高的机械强度。五，高铝水泥的养护我国GB201-81规定，高铝水泥划分为四个标号，既425、525、625和725四种型号。高铝水泥的最大特点是强度发展非常迅速，24h内几乎可以达到最高强度的80%。另外，在低温下（5~10℃）也能很好硬化。但其强度发展与养护温度，水灰比的关系很大，水化产物的晶型转变还将导致强度倒缩。1，养护温度及水灰比对强度的影响 高铝水泥在低温和高温下的水化产物不同。例如：CA在10℃下水化，水化产物为CAH10.CA+10H→CAH10通过计算，体积减缩15.7%；临界水灰比（完全水化所需水灰比）为1.14.CA在50℃下的水化产物为C3AH6和AH3.体积减缩25.3%；临界水灰比为0.456，下图为高铝水泥浆体的孔隙率和抗压强度与水灰比及养护温度的关系。 下表为高铝水泥混凝土在不同水灰比、不同温度下养护时的孔隙率和抗压强度的数据。下图为不同温度水养护时对高铝水泥混凝土强度的影响。 由表9-4、图9-5、图9-6可知，当养护温度大于30度时，强度剧烈下降，因此，高铝水泥的使用温度不得超过30℃，更不宜采用蒸汽养护。降低水灰比，可使混凝土强度的下降幅度下降。图9-7为不同养护温度对强度影响图六，改善强度倒缩的措施通过一些适当的措施可以改善和缓解高铝水泥长期强度下降的现象。①降低养护和使用温度养护温度和式样环境温度较高会使高铝水泥混凝土强度显著降低。在常温（25~30℃）水中养护，多年后强度也有一定下降，而在冷湖水中（<15℃），长期强度下降很少甚至不降低，如下表表示： ②降低水灰比适度降低混凝土水灰比可使长期强度下降幅度变小。③掺加适量的石灰石或矿渣等加入石灰石时，会形成正常的铝酸钙水化物和碳铝酸钙水化物，随水化不断进行，孔隙率逐渐降低，28d最大孔径从500μm降低到几十微米，开孔逐渐消失，对混凝土性能有利。含矿渣的高铝水泥中氯酸钙在潮湿环境中水化生成钙黄长石（C2ASH8），若在高于室温的环境中水化，数月后C2ASH8将成为水泥水化的主要成分。纯高铝水泥混凝土7天后强度倒缩，而掺矿渣的水泥在两种水灰比（0.56,0.45）下的强度均随龄期而增长。因而掺矿渣的混合高铝水泥克服了一般高铝水泥的耐久性问题。七，高铝水泥的性能①耐蚀性 高铝水泥具有很好的抗硫酸盐及抗海水腐蚀性能。这是因为高铝水泥的主要矿物是低碱性氯酸钙，水化时不析出游离氢氧化钙；水泥石液相碱度低，从而增加了钙矾石的溶解度，使其能均匀分布在混凝土孔隙中。另外，水泥水化生成铝胶，使水泥石结构致密，抗渗透性好。高铝水泥对碳酸和稀酸也有很好的稳定性。硬化水泥浆体中存在铝胶可能是耐酸性好的原因，当PH值约大于4时，铝胶才从铝酸盐溶液中沉淀出来，因此，在PH值降至4以下之前，硬化水泥浆体在酸溶液中不再溶解。①碳化铝酸钙水化物的碳酸盐化方程可写成：②抗碱性与正常碳化不同，碱存在下的碳化将严重削弱高铝水泥的胶黏性。碳酸钾又与水化铝酸钙相作用，如此周而复始，最后使水化铝酸钙变成碳酸钙和AH3，并析出大量水，使孔隙率增加，强度下降。 ①高铝水泥的总水化热为450~500J/g，与硅酸盐水泥相近。但高铝水泥在24h内（20℃）水化热达70%~90%，而硅酸盐会腻相应仅放出25%~50%，这不仅表示高铝水泥水化硬化快，而且使它具有在0℃也能正常硬化的特性。②密度、容积密度高铝水泥的密度为3.20~3.25g/cm3,松散容积密度为1.00~1.30g/cm3，紧密容积密度为1.60~2.00g/cm3.③耐热性高铝水泥具有一定的耐高温性能，如干燥的高铝水泥混凝土在900℃下还有原始强度额70%，在1300℃尚保留53%的原始强度。普通高铝水泥浇注料在中温（800~1200℃）下因结合水脱水收缩，强度下降，1300℃开始烧结，限制了其使用温度（<1300℃）注：CA-50是指该铝酸盐水泥中氧化铝含量为50%。参考文献：《特种水泥》胡曙光等编著1999年02月第一版281页至295页CA50-G6水泥介绍CA50-G6的主要矿物成份为铝酸一钙(CA)，二铝酸一钙(CA2)和少量的七铝酸十二钙(C12A7)，钙黄长石(C2AS)以及少量的钙钛石(CT)，铁酸二钙(C2F)。其中(CA)矿物水化速度快，凝结正常，具有快硬、早强的特点。而CA2 水化速度较缓慢，但后期强度增长较大。这种水泥的三天抗压强度可达到最大强度的90%左右。因此，其品质标准中以一、三天的抗压、抗折强度来确定它的品位。　　铝酸盐水泥具有较好的耐高温性能，在较高温度下仍能保持较高强度，并且随CA2含量的增加，其耐高温性也提高，因此，它适合用作配制各种耐火浇注料的结合剂。根据采用不同品位的耐火骨料，可配制出使用温度在1400℃以下的耐火浇注料。　　铝酸盐水泥早期强度虽然发挥较快，但它有一个缺陷，是长期强度下降，其原因是它的水化物CAH10，C2AH8晶系都不稳定，但会逐渐转化为稳定的C3AH6，在转化过程中强度下降，晶型的转化速度与强度下降率，均与环境温度和湿度有极大关系。在35℃饱和湿度下，28天可完成转化，强度下降至最低值。而在温度低于20℃的干燥条件下，转化速度非常缓慢。因此铝酸盐水泥不很适合单独使用于建筑工程上，若需采用时，应按GB201中附录所规定的注意事项进行。　　根据铝酸盐水泥这一缺陷，水泥工作者研究利用其优点，克服缺点，研制出各种改性的铝酸盐水泥衍生产品系列，诸如自应力水泥，膨胀水泥，建筑用石膏铝酸盐水泥，不收缩不透水水泥，快硬高强铝酸盐水泥，特快硬调凝铝酸盐水泥等，这些特殊性能的铝酸盐水泥适用于抢修，抢建，防渗，堵漏，抗硫酸盐浸蚀，军事工程和冬季施工等特殊需要的工程，根据特殊工程的需要，本产品对上述品种中几种衍生产品，能组织生产与供应。参考文献：《铝酸盐水泥化学组成及分类》中国耐材之窗网2006年11月28日