钙矾石形成机理的研究

2-
2
2. 1
实验结果及分析讨论
钙矾石溶解特性 测定了钙矾石在去离子水中和不同石灰浓度溶
液中的溶解性能. 结果见表 1.
表 1 不同石灰掺量和温度 下钙矾石溶解性能 Table 1
Temperat ure / 20 20 20 50 Lime addition /(g l 0 0. 3 1. 2 0
一致溶 , 去离子水中 n ( SO24 ) / n ( AlO2 ) = 7. 9( 一
致溶时为 1. 5) , n ( Ca 2+ ) / n ( AlO2 ) = 5. 4( 一致溶 为 3) , 表明 钙矾石 溶出各离 子的能力 差异很大 , SO2最 易 溶 出 , 其 次 是 Ca 2+ , 最 难 溶 出 的 是 4
400045;
2. 浙江大学材料科学与工 程系 , 杭州
要 : 采用液相离子浓度 测定与 固相物 相分析 的方法 , 分析了 离
Key words: ettringite; liquid phase react ion; control step; mechanism
子浓度变化规律与钙矾石 形成的 关系 . 考察 了矿物 种类与 含量、 石 灰浓度、 二水石膏掺量对钙矾石形成的影 响. 结果 表明 : 钙矾石形 成 是由 [ A l( OH) 6 ] 3- 八面体 , 铝氧八面 体与钙多 面体交替 排列形成 钙 铝多面柱与 SO 4 2- 进入柱间沟槽 3 个过程 串联形成 , 其 中速率最 慢 的 [ A l( OH) 6 ] 3- 形成过程为钙矾 石形成的 控制步骤 . 形 成钙矾石 诸 离子中 , [ AlO 2 ] 最低 , 是影响钙矾石形成速率的最活跃因素 . 关键词 : 钙矾石 ; 液相反应 ; 控制步骤 ; 机理 中图分类号 : T Q 172. 11 文献标识码 : A 文章编号 : 0454- 5648( 2000) 06- 0511- 05
2AlO 平衡 浓度降 2 . 在石灰溶液中, AlO 2 与 SO4
低, 在 0. 3 g/ l 石灰水溶液中, [ AlO2 ] 降低 34 倍 , n ( SO4 ) / n ( AlO 2 ) = 37. 9 , 即石灰对 AlO2 溶出 的抑制作用大大强于对 SO4 . 在 1. 2 g/ l 石灰溶液 中, [ AlO2 ] 已在仪器检出限量以下. 升高温度 , 钙 矾石溶解度增加 , 但各离子溶解度增加幅度不等 , AlO Ca 2+ 的增加幅度大于 SO2的增加幅度. 2 、 4 钙矾石不一致溶说明其溶解是分步进行. 石灰 对 AlO 2 溶解的强烈抑制作用与对 SO24 较弱的抑 制作 用, 表 明 SO 2溶 出 在 Ca2+ 溶 出 之 前 , 而 4
第 28 卷第 6 期
彭家惠等 : 钙矾 石形成机理的研究
513
水化 10 min 已检测到钙矾石相的存在. 水化 0. 5 h 后石膏铝矿的溶解速率与钙矾石生成速率相当, 液 相离子浓度几乎维持不变 . 当固相石膏消耗完时, 2+ 液相 [ SO24 ] , [ Ca ] 骤然降低, [ AlO 2 ] 迅速增加 ( 表明石膏 对铝矿 的溶解 与水 化有强 烈的抑 制作
单矿体系采用 m ( w ) / m ( c) = 10 的大水灰比, 水泥体系采用 m ( w) / m ( c) = 0. 27 小水灰比 . 钙矾石溶解性分析: 钙矾石按质量比 1∀100 置 于去离子水或石灰水溶液中 , 振荡 , 静置 3 d, 振 荡, 澄清过滤后取样分析. 液相成分分析 : [ SO4 ] 用 BaSO4 质量 法测定,
收稿日期 : 1999- 03- 01. 作者简介 : 彭家惠 ( 1962~ ) , 男 , 硕士 , 教授 .
Received date: 1999- 03- 06. Bi ography: Peng Jiahui( 1962 ! ) , male, mast er, prof essor.
512 Al2 ( SO4 ) 3 18H 2 O+ 6Ca( OH ) 2 CaO 为 AR 级 CaCO3 经 900 CaSO 4 2H 2 O为 AR 试剂. 1. 2 实验方法
表 2 铝酸钙二水石膏体系水化不同时间固相物相分析结 果 Table 2 Hydrated products analysis of calcium aluminate gypsum systems in diff erent periods
C 3A 3C S H 32 C 3 A CSH 12 Specimen T ime/ h X RD D TA C 3 A + C SH 2 1 6 1 4 24 48 CA+ C SH 2 1 6 1 2 4 8 24 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + X RD DT A + + + + + + + + + + + + + + + + + + + XR D DTA XRD DTA + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + AH 3 CS H 2
第 28 卷第 6 期 2 0 0 0 年 12 月
硅
酸
盐
学
报
Vol . 2 8 , No. 6 December, 2000
JOU RNAL OF THE CHINESE CERAM IC SOCIET Y
钙矾石形成机理的研究
彭家惠 , 楼宗汉
( 1. 重庆大学材料科学与工程系 , 重庆
摘
1
2 310027)
3-
for matio n, which is the slow est reac
tion, controls ettringite formation. Of all ions from which et tr ing ite is formed, AlO 2 is the most active factor and its con centrit ion is the low est.
3-
1
1. 1
实
验
单矿与钙矾石制备 C3 A, CA 单矿制备是按 C 3A, CA 化学组成 , 分
octahedra and for mation of
别用 AR 级 CaCO3 , Al( OH ) 3 配料, 经玛瑙球磨机 磨细过 80 m 方孔筛, 压制成型 , 烘干后在高温电 炉中分 别于 1 350 f CaO = 0. 钙矾石以 AR 级 Ca( OH) 2 , Al2 ( SO 4 ) 3 18H 2 O, 为原料, 按下列反应溶液法合成 . , 1 300 煅 烧 4 h, 磨 细过 80 m 方孔 筛 , 重复 进 行, 直到 甘油 酒 精 法检 验
n( SO 24 ) / n ( AlO 2 )
M ole rat io n ( Ca2+ ) / n ( AlO 2 ) 5. 4
)
7. 9 37. 9 6. 4
6. 6
钙矾石溶液中 AlO2 平衡浓度很低, 20 13. 6 # 10
- 6
-
时仅
. 钙矾石在去离子水与石灰水溶液中不
2. 2 液相离子浓度与钙矾石形成关系 图 1 是 C3 A, CA 二水石膏体系液相离子浓度 随水化时间变化曲线 . 图 2 是 pH 值随时间变化曲 线 . 表 2 是与液相对应的固相物相分析结果.
钙矾石是膨胀自应力水泥的主要水化产物与膨 胀源, 也是硅酸盐水泥的早期水化产物. 钙矾石的 形成与水泥的 凝结、 强度 发展以及 膨胀紧密 相关. 各国学者对钙矾石形成与影响因素[ 1~ 构
[ 6] 5]
、钙矾石结
、 形成机理
[ 7]
进行了广泛的研究 . 关于钙矾石
形成机理一般是从热力学角度 , 研究钙矾石形成条 件与方式, 而对钙矾石形成的关键问题, 即钙矾石 的分步形成及其控制步骤问题并未涉及 . 本文通过对钙矾石不一致溶特性与石灰影响钙 矾石溶解的剖析, 通过对液相离子浓度与钙矾石形 成的关系以及铝酸钙种类与含量、石灰浓度、二水 石膏掺量对钙矾石形成影响的研究, 结合钙矾石结 构特点, 提 出钙矾 石形 成分 3 步进行 , 其中 形成 [ Al( OH) 6] 定因素.
Ca- Al poly hedra in which Ca and Al poly hedr a arrang e alter nately, as w ell as SO 24 enters in the channel of polyhedr a. T he r eaction o f [ Al( OH) 6]
- 6 用) . [ SO 2~ 1 200 # 10- 6 降低到 4 ] 从 1 000 # 10
50 # 10 ~ 100 # 10 , [ Ca ] 从 580 # 10 ~ 700 # 10- 6 降 低到 100 # 10- 6 以下 , [ AlO2 ] 则从 15 # 10- 6 ~ 20 # 10- 6 升 高 到 80 # 10- 6 ~ 100 # 10- 6 , 此 时 液 相 组 成 已 不 利 于 钙 矾 石 稳 定, 在 [ AlO 2 ] 作用下, 钙矾石转化为单硫型水化硫铝酸 钙 . CA 形成钙矾石的速度明显快于 C3 A, 由于 CA
Chongqing U niv ersity, Chong qing Hang zhou 310027)
M aterials Science and Engineering,
八 面体的 反应 为速率 最慢 的控 制步
骤. 液相各离子中, AlO2 是钙矾石形 成速率的决
Abstract: T he law of ionic concentration change in liquid phase and r elation w ith ettringite formation w er e investigated by mea suring ionic concentration and analyzing solid phase composition. T he effects of calcium aluminate, lime and gy psum addition on ettring ite for mation were also studied. Experimental results show that ettringite formation consists o f three r eactions includ ing the formation of [ A l( OH) 6 ]
3-
STUDY ON THE MECHANISM OF ETTRINGITE FORMATION
Peng Jiahui , Lou Zonghan ( 1.
1 2
Depar tment of M ater ials Science and Eng ineering, 400045; 2. Department of Zhejiang University,
H 2O
硅
酸
盐
学Baidu Nhomakorabea
报
2000 年
[ Ca 2+ ] , [ AlO2 ] 用原子吸收光谱火焰法 测定, pH 值用数字酸度计测定 . 固相物相分析 : 过滤后残留固相与水化一定时 间的水泥立即用无水乙醇终止水化 , 在无 CO 2 下真 空干燥 2 h, 分别进行 XRD, DT A 物相分析 .
3CaO Al2 O3 3CaSO4 32H 2 O 煅 烧 所 得.
2+ AlO 2 在 Ca 之后 . 从钙矾石分步溶解可推断钙矾 22-
-
+ + + + + + + + + + + + -
石形成是分步形成的 , 各离子参与反应形成钙矾石 的次序应与离子溶出的次序相反 , 故参与形成钙矾
2+ 2石反应的各离子依次为 AlO2 , Ca , SO4 .
N ot e: + ! ! ! Present; + + ! ! ! Large amount ; - ! ! ! N one.
- 1
Solution properties of ettringite in different lime additions and temperatures
Ionic concentrat ion # 106 pH value [ Ca2+ ] 10. 49 12. 04 12. 60 10. 85 50. 2 148. 2 534. 4 84. 5 [ AlO 2 ] 13. 6 0. 4 T race 19. 0 [ SO 24 ] 173. 5 24. 7 23. 0 199. 2