铝酸盐水泥强度倒缩研究综述

铝酸盐水泥强度倒缩研究综述

0 引言

铝酸盐水泥是指以铝酸钙为主要成分的水硬性胶凝材料。与其它品种水泥相比，铝酸盐水泥具有快硬、高强的特点，且比硅酸盐水泥及硫铝酸盐水泥具有更好的抗侵蚀性能以及耐高温性能[1]。因此，铝酸盐水泥在抢修工程、海洋工程、开采工程等多个领域有很好的应用前景。但是铝酸盐水泥也有两个明显的缺点：一是其水化产物后期会发生晶型转变而导致强度倒缩，因此不能用于承重工程中；二是铝酸盐水泥价格较高，为硅酸盐水泥的6-7倍、硫铝酸盐水泥的2-3倍，不适宜大量使用[2]。本文综述了近几年国内外对铝酸盐水泥强度倒缩问题的研究进展。

1 强度倒缩原因

铝酸盐水泥的强度倒缩问题，自铝酸盐水泥的诞生起就一直困扰着人们，通过对其水化产物的研究发现，铝酸盐水泥的早期水化产物以CaO·Al2O3·10H2O (CAH10)和2CaO·Al2O3·8H2O (C2AH8)为主，而铝酸盐水泥后期的水化产物则以3CaO·Al2O3·6H2O (C3AH6)和Al(OH)3 (AH3)为主，这说明，在铝酸盐水泥水化后期，水化产物会从介稳的CAH10和C2AH8向稳定的C3AH6转化[3,4]。

CAH10、C2AH8、C3AH6以及AH3的相对密度如表1所示。从表中可以看出，CAH10和C2AH8的相对密度明显要比C3AH6和AH3的相对密度要大，当水化产物后期发生转化时，水化产物相对密度变大，导致孔隙率上升，结构不稳定。从而使强度发生倒缩。

表1 铝酸盐水泥水化产物密度

同时，CAH10和C2AH8属六方晶型，而C3AH6则属立方晶型。六方晶型比立方晶型有更好的粘结能力。因此，当水化产物发生转化时水化产物同时发生晶型转变，导致水泥强度发生倒缩。

2 强度倒缩解决方法

上述两种原因哪种是强度发生倒缩的主要原因尚未有定论，但其本质上是一致的，都是由于水化产物的转化造成的。因此，只要解决了水化产物的转化问题，强度倒缩问题就迎刃而解了。而解决方案根据最终水化产物是否发生改变又可分为物理方法和化学方法。

2.1 物理方法

物理方法是指对水泥水化产物不会产生根本性的影响，水化产物仍为水化铝酸钙。物理方法一般是指通过对水化温度、水泥水灰比的调整和利用集料的填充效应等对水化产物的转化进行抑制或加速。

2.1.1 温度

铝酸盐水泥水化产物的转化受温度的影响很大，在不同的温度下，会形成不同的水化产物，且水化产物的稳定性也不同。当温度低于20℃时，水化产物为CAH10；当温度为20~60℃时，水化产物以C2AH8为主；当温度高于60℃时，水化产物则为C3AH6。当温度为低于20℃的低温时，水化产物呈现为稳定的CAH10。而当温度升高时，水化产物则会发生以下反应进行转化[3]：

2CAH10=C2AH8+AH3+9H 1

3CAH10=C3AH6+2AH3+18H 2

3C2AH8=2C3AH6+AH3+9H 3

且当温度再次降低后，反应不能逆向发生，即已转化的水化产物不能复原。

因此，为了解决铝酸盐水泥的后期强度倒缩问题，一是可以在常年温度较低的地方进行施工；二是可以在高温下进行铝酸盐水泥预制件的制作，而后再进行使用。

2.1.2 水灰比

水泥水灰比的不同，同样也会对水泥水化产物的种类产生影响。根据水泥水化时发生的反应方程式可以看出，生成稳定的C3AH6所需参与反应的水的量是最少的。

CA+10H=CAH10 4

2CA+11H=C2AH8+AH3 5

3CA+12H=C3AH6+2AH3 6

可以推测当参与反应的水的含量越少时，更易发生反应6，从而直接生成稳定的C3AH6。，并且当水含量过高时，会溶解出水泥中的可溶盐，使其析出而使内部结构恶化。众多实际工程也对这一点进行了佐证，多数坍塌的铝酸盐水泥建筑其水灰比均小于0.6[2]。

2.1.3 减水剂

减水剂减缓水泥后期强度倒缩原理与控制水泥水灰比一致，加入减水剂则可以在减少水灰比的同时，不会降低水泥的工作性能，从而能够在保证水泥一定的工作性能的同时，更好的降低水灰比。不同减水剂对铝酸盐水泥的影响如表2所示[5,6]。

由上表可以看出，除聚羧酸类减水剂外，其他减水剂均能使水泥流动度增加，并且随流动度增加越多，水泥后期抗压强度增加也越多。

2.14 碳纤维

碳纤维的加入对铝酸盐水泥的水化产物并无显著影响，但碳纤维的加入能使铝酸盐水泥的强度有3-23%的提升[7]。除了碳纤维本身对铝酸盐水泥有一定的填充效应，减少了水泥的孔隙率之外，碳纤维作为一种轻质、高强、耐腐、高模量的增强材料，在加入水泥后，能够分担水泥受到的一部分的应力作用。

2.2 化学方法

化学方法是指将水泥水化产物进行改变，使其从不稳定或亚稳定状态的旧水化产物转变为稳定的新水化产物。通常，化学方法一般都伴随着物理方法发生。

2.2.1 硅灰

在铝酸盐水泥水化过程中，硅灰中的活性SiO2可以与铝酸钙发生反应生成钙铝黄长石[8-11]；钙铝黄长石的形成减少了亚稳状态的水化铝酸钙的形成。同时，硅灰中的惰性组分会填入水泥中的孔隙中，减小孔隙率及平均孔径，增加水泥密实度。有效增加水泥的强度。

2.2.2 石膏

石膏会在水化铝酸钙的形成过程中与铝酸钙进行反应，并在早期生成钙矾石（AFt），在反应后期，AFt会与多余的未反应的铝酸钙继续反应生成单硫型水化硫铝酸钙（AFm）[12,13]。一方面，石膏与铝酸钙发生反应生成稳定的水化产物会降低水化铝酸钙的形成，从而降低水化物的后期转化率；另一方面，AFt与AFm 的形成会伴随着体积的膨胀，可以弥补水化后期因水化物转化而造成的体积损失。从而降低铝酸盐水泥的后期强度损失。

2.2.3 石灰石

石灰石会与水泥熟料中铝酸钙反应生成单碳型水化碳铝酸钙，水化碳铝酸钙属六方晶型，其晶体间的结合能力要比属立方晶型的C3AH6强，石灰石粉与铝酸钙反应生成稳定产物的同时，非活性碳酸钙也会填充至水化产物间的孔隙中去，降低平均孔隙率与平均孔径，改善水泥结构。石灰石的掺入从减少C3AH6的生成和改善孔结构两方面同时下手，而改善了铝酸盐水泥后期强度倒缩的问题[14-17]。并且碳酸根的引入，在一定程度上降低了二氧化碳的侵蚀能力，提高了水泥的抗碳化性[18]。

2.3 Mg对铝酸盐水泥的影响

2.3.1 镁铝水滑石

水滑石是一种层状双金属氢氧化物，对阴离子具有一定的捕集能力，可以在