铝酸钙水泥高性能混凝土

铝酸钙水泥高性能混凝土

Karen L. Scrivener a,*, Jean-Louis Cabiron b, Roger Letourneux b

a Lafarge, LaboratoireCentral de Recherche, 95 Rue du Montmurier, 38291 St. Quentin Fallavier, FranceLafarge Aluminates, Paris,

France Received 16 September 1998; accepted 11 May 1999

摘要

铝酸钙水泥有一个完全不同的化学波特兰水泥然而，主要由于其较高的成本，他们不直接与波特兰水泥在一起。然而基于这些水泥混凝土具有很高的具体应用的性能。下面是文章中讨论的重点：抗酸性，特别是生物腐蚀和耐磨液压结构。这种应用扩展到胶凝材料的应用中。© 1999 Elsevier Science Ltd. All rightsreserved.

关键词：铝酸钙水泥、高性能混泥土、抗酸性、抗磨性、耐震性。

1、引言

“高性能”往往是等同的，确切的说，随着高性能的出现，虽然越来越重视耐久性。不管怎样，这点在运用于具体建筑结构必须坚定的。一个公认的观点，混泥土水泥有替代和抗争其他材料的能力。如金属或塑料，或结合他们实现高水平的性能。

铝酸钙水泥是比波特兰水泥贵很多的（大约4到5倍），于是没有竞争，后者在任何应用程序在常规或高性能混凝土由波特兰水泥制成的表现令人满意。不管怎样铝酸钙水泥也有应用在独特的性能，使它们能够被用在重要场合中它们往往有竞争力。这种高性能混凝土延伸应用到凝胶材料中。

本文介绍的基本化学和微观结构铝酸钙水泥混凝土，这是对于这些独特性能的材料的负责。下面是两个高性能应用的详细介绍：使用在污水处理网络，其中硫酸发电的细菌是一个问题，和运用在大坝建设中抵抗磨损的关键。这两个例子说明在特殊情况下不能一概而论，从耐久性强度和性能测试必须具体适应使用条件。

2、化学微观结构

波特兰和铝酸钙水泥基本差异（铝酸钙水泥）在于使凝结和硬化性质的活跃期。波特兰水泥在形成硅酸三钙和硅酸二钙的时候包涵氧化钙和氧化硅这些重要的氧化物。在与水反应的时候，无定形硅酸钙水合物和结晶氢氧化钙是主水合物组成。对照来看，铝酸钙水泥主要是氧化钙和氧化铝，很少有硅。这些联合给以铝酸一钙为主要活性相的水泥，与水反应为铝酸钙水合物。铝酸钙水泥的两个主要的应用领域（这不在本文讨论）在难治性混凝土用于工业过程中涉及的高的温度和所谓的“化学”，它往往是一个组成部分复杂的混合物，矿物和有机成分应用如自流层和瓷砖水泥。除了这些主要领域，还有一个巨大的多样性的应用，其中之一是使用传统的混凝土在恶劣的环境中提供良好的耐久性。

尽管存在着一些特殊的波特兰水泥，如抗硫酸盐或白色水泥，钙铝硅酸盐水泥的化学成分范围远小于家庭日常生活中使用的水泥。标准等级的水泥包含约40–50% 氧化铝和石灰石、铝土矿一般完全融化在反应炉。成分等级中含有多达80%的氧化铝是用于烧结耐火材料的。表1给出了近似化学成分的标准等级，在这里这是用于混凝土讨论。

在与水反应形成水合物的性质依赖于水化的温度，如图1所示在较低温度下十水铝酸钙是第一个水合物形成，中间温度八水铝酸二钙和三水氧化铝，和在较高的温度六水铝酸三钙和三水氧化铝。稳定阶段是六水铝酸三钙和三水氧化铝，和这些在其他阶段的转换的速度必然依赖于温度和水分。六水铝酸三钙的密度是最高的铝酸钙水合物，导致在一定程度水化中有一个较高的孔隙率。然而，转换反应，也导致释放水，可进一步反应剩余的无水材料。因为这个原因铝酸钙水泥混凝土的强度发展曲线，在小部分在环境温度下具有形式如图2，随着最初的迅速增加到一个早期强度高处（相当于CAH10和C2AH8）在进一步增强前是一个

缓慢下降到最低处（在变化为C3AH6和AH3的时候）的形式。控制初始水灰（瓦特/丙）率是对于应用和设计确保最低强度是足够的必须永远是对的这一长期强度根据非常重要的。在60年的实践和实验室的经验表明，良好的长期耐久性要求的水灰比最多0.4，并在这就需要一个没有减水剂水泥含量超过400千克/立方米。

由于快速水化反应，在水化初期有大量热释放。这样释放的后果是，部分超过几十厘米厚的部位温度将达到高达70℃或出现固化。因此，转换反应几乎瞬间发生，导致强度发展连续不断的增强（图2）。

影响水灰比和混凝土在未转化的转化在背散射电子显微下可以看到相当生动地画面（图3、4、5）。水在20℃导致结构致密，所有的水灰比在0.3到0.7之间低的孔隙率。然而，在70℃控制转换结构在0.4水灰比处密集，而在0.7处出现大孔的组织结构不良。进一步分析水化的细节在铝酸钙水泥中可以找到其他功能[ 1 , 2 ]。

当然，转换可能会影响其他性能，虽然化学影响水合物类型物理影响的孔隙度是经常混淆。例如，在转换过程中的酸碱度的改变是最小的不会导致钝化的加固（不变点的转换和转换相组合在25℃是CAH10+C2AH8+aq, pH=12.13,C3AH6+AH3+ aq, pH=11.97)在实践中由于存在少量碱金属，酸碱度价值会更高，然而，可能出现的由于碳化钝化（如波特兰水泥），这可能在多孔混凝土是更迅速的。

3、耐化学腐蚀

3.1.酸侵蚀

酸性环境中提供最好的化学攻击液压水泥的条件，在自然界这是最基本的。所有的混凝土，铝酸钙水泥和波特兰水泥都将在这些条件和能力提供一个可接受的使用寿命取决于几个因素，主要是供应率的酸和能力的混凝土中和酸。影响孔隙率取决在服务条件和在某些情况下可能是一个重要参数。

波特兰水泥是容易受到酸的攻击，因为氢氧化钙迅速溶解和开放孔隙度的进一步渗透，然后在深度的增加继续攻击混凝土。该肽凝胶也脱钙离开无结构的二氧化硅形成凝胶。在酸性攻击下典型的波特兰水泥混凝土表面变得非常粗糙和厚度发生损失通过攻击的水泥浆体和由此产生的骨料弹出。

铝酸钙水泥的良好性能关键在于水合物的性质，特别是氧化铝水合物（通常结晶形式的是三水氧化铝，AH3，但是这一阶段往往是结晶程度很差的铝酸钙水泥浆体，所以一般氧化铝水合物是首选）。氧化铝水合物PH值稳定下降到3或4以及溶解含有钙成分的其他水合物导致形成更多的填充物，在这一阶段填充毛孔，保护混凝土遭受进一步的腐蚀和一般的光滑攻击，表面有较少的损失。如式

（1）C3AH6 + 6H1 ⇒ 3Ca21 + 2A1(OH)3↓ + 6H2O

在pH值大约3.5以下是氧化铝水合物溶解，但是在这样的情况下做酸中和发现如式

（2）AH3 6H1 2A131 + ⇒ + 6H2O

总的来说，中和反应显现平衡如式

（3）C3AH6 + 2AH3 + 24H1 ⇒ 3Ca21 + 6A131 + 24H2O

在这些低pH值将存在于表面和不受影响的混凝土内部之间的区域内，其中沉积氧化铝水合物提供障碍渗透酸。图5显示了一个显微照片从一个30岁的下水管道衬料显示这种致密的微观结构主要含有水合氧化铝。

比较波特兰和铝酸盐水泥中和酸能力如图6。实验测定中和能力是很困难的，因为传统的滴