铝酸盐水泥技术研究

铝酸盐水泥技术研究

水泥是基建工程的主要原材料之一，具有原材料广泛、防火、适应性强和应用方便等优点[1]，广泛应用于工农业、国防、交通、城市建设等工程，在代钢代木等方面具有技术经济上的优越性。论文选择了典型的铝酸盐水泥，并对其的水化机理和适用范围进行了研究。

1.铝酸盐水泥的组成与分类

铝酸盐水泥是以矾土或含铝废渣为主要原料、烧制成以铝酸盐矿物或铝酸盐复合矿物为基本组成的水泥，代号为CA，主要矿物组成为铝酸一钙（CaO·Al2O3）、二铝酸一钙（CaO·2Al2O3）、七铝酸十二钙（7CaO·12Al2O3）、钙铝黄长石（2CaO·Al2O3·SiO4）和六铝酸一钙（CaO·6Al2O3），主要化学成分为CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3和少量的MgO、TiO2等[2]。

铝酸盐水泥按Al2O3含量百分数可以分为四类：CA-50、CA-60、CA-70和CA-80。其化学成分及主要物理性能指标如表3、4所示。

表3铝酸盐水泥的化学成分（GB201-2000）

①当用户需要时，生产厂应提供结果和测定方法

表4铝酸盐水泥物理性能指标

①当用户需要时，生产厂应提供结果

2.铝酸盐水泥的水化机理

铝酸盐水泥的主要矿物为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+l0H→CAH10

当温度为20-30℃时：(2m十n)CA+(10n+11m)H→nCAH10+mC2AH8+mAH3

m与n之比随温度提高而增加。

当温度大于30℃时：3CA+12H→C3AH6+2AH3

CA2的水化反应与CA相同：

温度为15-20℃时：2CA2+26H→2CAH10+2AH3

温度为20-30℃时：2CA2+17H→C2AH8+3AH3

温度大于30℃时：3CA2+21H→C3AH6+5AH3

C12A7的水化比CA还快，水化反应如下：

温度为5℃时：C12A7+66H→4CAH10+3C2AH8+2CH

温度小于20℃时：C12A7+51H→6C2AH8+AH3

温度大于25℃时：C12A7+33H→3C3AH6+3AH3

C2AS水化极为缓慢，β-C2S水化生成C-S-H凝胶。

Midgleyo研究表明，铝酸盐水泥水化数小时内，形成一些凝胶，依据差热分析结果，似乎是铝胶，随龄期增长，铝胶渐渐变成氢氧化铝晶体。水化产物中CAH10或C2AH8的含量，决定于水化温度和水泥成分。若水泥中有C12A7，则出现较多六方片状的C2AH8。若置于有CO2的气氛中，也能生成六方片状的3CaO·Al2O3·CaCO3·11H2O。CAH10的含量随温度下降而增加，当温度降至15℃或15℃以下时，C2AH8通常很少。纯CA水化时，生成C2AH8的临界温度为23℃。铝酸盐水泥在20～23℃水化时，不同研究者报道的C2AH8生成量变化较大，可能是由于水泥中碱以及C12A7含量的影响所致。随水化龄期增长，C2AH8也趋向增多，这是由于C2AH8的转化和水泥中铁酸盐的进一步水化所致，有铁酸盐时，C2AH8中部分氧化铝被氧化铁取代而成为C2(A,F)H8。25℃和25℃以上时，初始的主要水化产物为C2AH8及AH3，温度进一步升高，随时间增长，各向同性的C2AH8逐渐成为主要产物。

在硬化数周的水泥石和龄期为30年的混凝土中，均发现存在有水化铝方柱石2CaO·Al2O3·CaCO3·8H2O。纯C2AS不与水作用，但在铝酸盐水泥中，其固溶其他氧化物，具有较大活性。C2ASH8也能由C2S在富铝溶液中水化而得，溶液中的Al2O3是水泥水化所生成的。

铝酸盐水泥中，铁酸盐的水化作用尚不清楚。Fe2O3固溶于C4AF和C2F 中，或以FeO存在于多色矿(6CaO·4Al2O3·FeO·SiO4)中。A/F分子比小于1时，铁酸盐的水化主要生成C2(A,F)Hx，并含有无定形Fe2O3或其水化物；当A/F 分子比大于1时，主要为C2(A,F)Hx。铝酸盐水泥中，A/F分子比通常小于1，故铁酸盐水化物可用C2(A,F)Hx表示。在25℃以上，铁酸盐水化生成各向同性的C3AFH6，其量随龄期增长和温度升高而增多，水化产物中，Fe2O3代替Al2O3的量尚未确定。

Barret等人的研究表明，CA在2l℃水中溶解，CaO和Al2O3达到的最大浓度相当于C/A摩尔比1.06，而无水CA的摩尔比为1.0，这是因为有少量的AH3沉淀；当溶液中的C/A增至1.06以上时(如有C12A7存在)，对形成铝酸钙水化物来说，诱导期逐渐缩短，直至C/A≥1.2时，立即出现沉淀。

George等人还观察到，诱导期随着溶液相（下转第102页）（上接第100页）的浓度降低而缩短，即使C/A保持不变，因诱导期缩短，溶液浓度突然下降的同时某些水化物形成，经过短暂的静止状态后，浓度进一步下降至与出现大块沉淀时相符的最终浓度值。

铝酸盐水泥的硬化过程，与硅酸盐水泥基本相同。水化物CAH10或C2AH8为针状或片状晶体，互相结成坚固的结晶连生体，形成晶体骨架。同时所生成的氢氧化铝凝胶填塞于骨架空间，结构致密，使水泥初期强度能得到迅速增长，而以后强度增长不显著。CAH10和C2AH8随着时间延长逐渐转化为较稳定的C3AH6，此过程随着环境温度的上升而加速，其结果游离水从水泥石内析出，孔隙增大，同时C3AH6本身强度较低，晶体间结合差，因而使水泥石的强度大为下降，引起长期强度下降，特别在湿热环境中，强度降低显著（后期强度可比最高强度值降低40%以上）[3]。

（3）铝酸盐水泥的应用范围

由于其特有的水化机理，铝酸盐水泥具有与硅酸盐水泥不同的特点：（1）水化热大，与一般高强度硅酸盐水泥大致相同，但放热速率特别快，且放热集中，1d内即可放出水化热总量的70-80%；（2）耐高温性好，可用于1000℃以下的耐热构筑物；（3）耐硫酸腐蚀性强，抗腐蚀性高于抗硫酸盐水泥；（4）硬化后不含铝酸三钙，不析出游离的氢氧化钙，且硬化后结构致密，对矿物水的侵蚀作用有很高的抵抗性;（5）属早强型水泥，其1d强度可达3d强度的80%以上，3d强度便可达到普通硅酸盐水泥28d的水平，后期强度增长不显著。

其主要应用范围如下：

（a）用于军事、抢修、抢建、耐硫酸盐腐蚀和冬季施工等特殊工程

这是由该水泥强度发展快，早期强度高，在低温下也能很好硬化及耐硫酸盐性能好等特性所决定的。但该水泥水化放热快，且温度升高时强度下降，因此不能用于大体积混凝土工程。因铝酸盐水泥耐碱性差，所以不能用在与碱性溶液相接触的工程。该水泥不能与硅酸盐水泥混合使用，也不得与未硬化的硅酸盐水泥混凝土接触。

（b）配制不定形耐火材料

铝酸盐水泥可用来配制1300℃以下的耐热混凝土。近年来，通过掺用一定量的超微粉替代部分水泥，制作低水泥型耐火浇注料，并在水泥中掺入α-A12O3及CA6，克服了中温强度下降的缺点，大大提高了其使用温度。

（c）配制膨胀水泥及自应力水泥

利用铝酸盐水泥可配制一系列的膨胀水泥及自应力水泥，如我国曾生产的膨