高铝水泥性能及作用

高铝水泥性能及作用

一. 前言

高铝水泥和硅酸盐水泥都是属于水硬性水泥，前者的主要矿物组成是铝酸钙，后者的主要矿物组成是硅酸钙，由于矿物组成的不同，水泥的特性也不相同。

早在十九世纪后半页，法国由于海水和地下水对混凝土结构侵蚀破坏事故的频繁发生，一度成为土木工程上的重大问题，法国国民振兴会曾以悬赏金鼓励为此做贡献者。研究者们发现，合成的铝酸钙具有水硬性，并对海水和地下水具有抗侵蚀能力。1908年，法国拉法基采用反射炉熔融法生产成功高铝水泥并取得专利，解决了海水和地下水工程的抗侵蚀问题。在实际使用中还发现了高铝水泥有极好的早强性，在第一次世界大战期间，高铝水泥被大量用来修筑阵地构筑物。20世纪20年代以后，逐渐扩展到工业与民用建筑。到30年代初，在法国本土及其非洲殖民地区的一批高铝水泥混凝土工程不断出现事故，诸多研究工作者遂着手深入进行该水泥的水化硬化机理和以强度下降为中心的耐久性研究，发现高铝水泥的水化产物因发生晶形转变而使强度降低。此后，在结构工程中的应用都比较慎重。而主要发展了在耐热、耐火混凝土和膨胀水泥混凝土中的应用。20世纪八十年代以后，不定形耐火材料在耐火材料行业中的比例迅速增加，高铝水泥作为结合剂的用量也日益增加。

中国的高铝水泥，在建国初期为国防建设需要而开始立项研制，并开创性的采用回转窑烧结法生产高铝水泥，产品主要用作耐火浇注料的结合剂，以及配制自应力水泥、膨胀剂等。也成功的应用于火箭导弹的发射场地等国防建设和抢修用水泥。

近年来，随着化学建材的迅速兴起，高铝水泥作为硅酸盐水泥凝结硬化时间的调节添加剂已愈来愈被材料工作者重视，并将成为化学建材的重要原材料之一。其用量将大大超过耐火材料。

二. 高铝水泥的制造方法与化学矿物组成

高铝水泥的制造方法主要有以下几种：

2.1 回转窑烧结法

由于中国的矾土含铁量较低，因此具有较宽的烧结温度范围，比较适合用回转窑烧结法生产。回转窑烧结法采用烟煤作燃料，具有生产成本低、生产效率高、质量容易稳定的特点，在中国被广泛采用。

回转窑烧结法的要点是：选用优质矾土和优质石灰石为原料，按一定比例配合送入球磨机，粉磨成生料，然后进入回转窑进行烧结，烧成的熟料经球磨机粉磨成细粉即成为高铝水泥。

当选用工业氧化铝和优质石灰石为原料时，采用天然气和柴油或重油等无灰燃料可生产出白色的纯铝酸钙水泥。由于其杂质含量低，广泛用来配制高档耐火浇注料，同时由于其颜色为白色，已将它与白色硅酸盐水泥混合用于化学建材中需要装饰效果的场合。

回转窑烧结法的组分设计一般在Al2O3－CaO－SiO2三元相图中的CA－CA2－C2AS三角形内，生料在回转窑的烧结过程中，首先通过固相反应形成CA矿物，由于石灰石在分解后具有较高的反应活性，因此会局部出现少量C12A7矿物，但随着温度的提高，矾土中的Al2O3和SiO2的反应速度加大，熟料中的矿物会逐渐按设计组成达到相平衡，最终C12A7消失，熟料矿物主要矿相为CA，其次为CA2和C2AS，以杂质存在的Fe2O3和TiO2,形成C2F 和CT。

因此，用回转窑烧结法生产的高铝水泥，在煅烧状态较好的情况下，不会存在C12A7（这也是化学建材用高铝水泥中不希望存在的矿物）。用回转窑烧结法生产化学建材用高铝水泥，其配料成分的稳定控制、烧成制度的严格掌握和稳定水泥的矿相组成，十分重要。

2.2 电弧炉熔融法

用矾土和石灰质原料，按设计成分计算配合比混合，用电弧炉进行熔化，在控制冷却的情况下，形成熟料。经球磨机粉磨至要求的细度即为高铝水泥。

用电弧炉熔融法适合生产CaO含量较高的高铝水泥。用回转窑烧结法生产的熟料，其CaO含量一般在35％以内，因为CaO含量过高，就会使熟料的温度烧成范围变的狭窄而不易稳定操作。而用熔融法生产，就可以配制CaO含量较高也即CA矿物含量较高的水泥，从而获得早期强度更高的高铝水泥，另外熔融法还适合利用高铁矾土作原料，生产Fe2O3含量较高的水泥。

用熔融法生产高铝水泥的技术要点是选用优质矾土和优质石灰质原料，在熔化过程中尽可能掌握氧化气氛，因为还原气氛中会有FeO生成，并形成称为Pleochroite的多色矿物，根据Midgley教授的研究[1]认为Pleochroite的化学式为：（Ca，Na，K，Fe2+）A(Fe3+，Al)B (Al2O7)5 (AlO4)6-x （Si，TiO2)x ，Pleochroite的生成会对高铝水泥的性能产生有害影响，导致C12A7的含量增多，使高铝水泥的凝结硬化过程难于控制。

另外，用熔融法生产高铝水泥，冷却条件对性能会产生巨大的影响。因此，控制冷却是一个重要工序。

2.3 反射炉熔融法

反射炉熔融法是法国的Lafarge公司的专有技术，Fondu水泥，Secar51水泥，德国的海德堡生产的ISTRA40,ISTRA50水泥都采用反射炉熔融法生产。

反射炉熔融法与电弧炉熔融法同样适合生产高钙含量和高铁含量水泥，并且需要严格控制气氛和冷却过程，以保证产品质量的稳定性。

2.4 市场上不同制造方法的几种高铝水泥的性能

三.高铝水泥的特性及用途

3.1 高铝水泥的水化特性

高铝水泥的主要矿物为铝酸一钙（CA）,次要矿物为二铝酸一钙（CA2），与水反应可用下式表示：高铝水泥在常温下的水化产物CAH10和C2AH8都属于介稳产物，它们在温度超过35℃情况下会转变成稳定的C3AH6，在这种晶形转变过程中，会引起强度下降，其原因为：

（1）. CAH10和C2AH8是六角片状晶体，C3AH6为立方晶形晶体，C3AH6的结合力比CAH10和C2AH8差。

（2）. 在晶形转变过程中释放出结晶水而使孔隙率增大。

（3）. 水化初期或低温下形成的Al(OH)3为胶状体，充填在晶体间起增强的作用。温度提高后铝胶转变为晶体三水铝石（Al2O3·3H2O）降低了胶体的增强作用。

因此，对单独将高铝水泥用于结构工程，需持慎重态度。但是由于高铝水泥的水化产物不出现游离Ca(OH)2,也不像硅酸盐水泥中存在C2S矿物，因此在作为耐火混凝土的结合剂时，不会发生如硅酸盐水泥在反复加热和冷却的过程中因CaO和Ca(OH)2的反复形成，以及β-C2S的多晶转变而使耐火混凝土产生体积不稳定的弊病。而且高铝水泥具有早强性，在窑炉中施工，可以尽量缩短养护期，即所谓“一天混凝土”，因此高铝水泥被广泛应用于耐火材料行业。

3.2 高铝水泥和硅酸盐水泥的混合物的水化

3.2.1 高铝水泥的水化产物CAH10 、C2AH8与硅酸盐水泥水化产物C-S-H凝胶反应形成水化硅铝酸钙（stratlingite）也称为水化钙黄长石C2ASH8,由于C2ASH8的形成，避免了