铝酸盐水泥及其在耐火材料中的应用马维华

　2012年10月

内蒙古科技与经济

Octo ber 2012

　第19期总第269期

Inner M o ngo lia Science T echnolo gy &Economy N o .19T o tal N o .269

铝酸盐水泥及其在耐火材料中的应用

马维华,李　婕

(内蒙古建筑职业技术学院建筑工程学院,内蒙古呼和浩特　010070)

摘　要:介绍了铝酸盐水泥的生产方法、矿物组成、水化与硬化特点、强度变化特点及铝酸盐水泥在耐火材料中的应用。

关键词:铝酸盐水泥;水化;硬化;强度;耐火材料

中图分类号:T Q 172.7 文献标识码:A 文章编号:1007—6921(2012)19—0104—02 自1824年英国人Joseph 和Aspdin 获得称谓波特兰水泥专利权算起,短短180余年,水泥生产几乎遍及全世界。目前,水泥已经成为当今世界不可缺少

的重要产品[1]

。他对工程设计、施工技术、新材料开发等领域的发展与变革起了重要的作用,促进了工程建设的发展与进步。但随着现代工业的发展,单一品种的硅酸盐水泥已经不能满足使用需求,继而逐渐出现了各种不同品种的水泥。如铝酸盐系列水泥、硫铝酸盐系列水泥、氟铝酸盐系列水泥、铁铝酸盐系列水泥等,其中铝酸盐水泥可以用于耐火浇注料中,是比较好的结合剂。

铝酸盐水泥1865年后期在法国出现,1913年法国的拉法基公司(L af arge )首先进行了商业性的生产,用的生产方法是熔融法。在我国,铝酸盐水泥的生产比较晚,新中国成立前落后的中国建材工业没有多品种水泥,更没有铝酸盐水泥。建国以后,中国建材科学研究院水泥品种使于50年代中期组成铝酸盐水泥专家组,积极开发中国多品种水泥,并派出专家组到当时的苏联学习特种铝酸盐水泥的生产。直至1965年5月我国第一条2.5m ×78m 烧高铝水泥熟料的回转窑进行投料试车[2]。1　铝酸盐水泥简介

1.1　铝酸盐水泥的生产方法

铝酸盐水泥生产时有两种方法:烧结法和熔融法。

烧结法对原料的要求比较严格,要求SiO 2和Fe 2O 3等杂质的含量要少。在我国,矾土和石灰石比较多,矾土中SiO 2和Fe 2O 3的含量比较低,所以比较适合用烧结法生产。铝酸盐水泥的烧结范围窄,烧成温度一般在1300℃～1330℃。大约在900℃开始形成CA;在950℃～1000℃开始形成C 12A 7;在1000℃～1100℃才开始形成CA 2。熟料的烧结范围只有70℃～80℃。使用烧结法时,可以使用硅酸盐水泥的生产设备,烧成时需要的热耗低,粉磨时电耗低。但烧结法生产时对原料的质量要求高,生料需混合均匀、煅烧制度要控制严格。

熔融法生产铝酸盐水泥时生料不用经过磨细,

只需将生料在高炉、电炉、反射炉、转炉或化铁炉中熔融,通过熔融即可以让生料混合均匀。熔融法生产时,生料混合物的熔融温度大约在如下范围:1300℃～1400℃。用电炉法生产时,因为石灰石受热分解会释放出CO 2气体,在较短的时间内大量气体存在于电炉中,有可能引起爆炸,因此,用电炉法生产时,石灰石要预先经过煅烧。除此之外,矾土也要预先干燥,目的是除去其中的水分。用高炉法生产时,可同时得到生铁和铝酸盐水泥,其中部分SiO 2被还原成硅元素,F e 2O 3被还原,成为金属铁。

熔融法生产铝酸盐水泥时不需要对原料进行磨细,可以使用品味低的矾土,即便矾土中杂质(SiO 2、F e 2O 3)含量较高时,生产出的铝酸盐水泥质量也会比较好,但熔融法生产出的铝酸盐水泥熟料硬度大、烧成热耗大,粉磨时电耗大。1.2　铝酸盐水泥的矿物组成

铝酸一钙(CA )、二铝酸一钙(CA 2)、

七铝酸十二钙(C 12A 7)是铝酸盐水泥的主要矿物。铝酸一钙(CA )又是CA -50、CA -60的主要矿物,它属于单斜晶系、无色长条片状或柱状晶体,水化硬化的速度很快,是提供铝酸盐水泥早期强度的主要成分。二铝酸一钙(CA 2)是CA-70的主要矿物,它属于四方晶系、无色针状或柱状晶体,水化硬化速度慢,早期强度低、后期强度高。七铝酸十二钙(C 12A 7)在铝酸盐水泥中含量较少,水化速度很快,超量会引起水泥快凝。

1.3　铝酸盐水泥的水化与硬化特点

铝酸盐水泥的水化反应会受到养护温度的影响,水化反应的温度不同,水化的产物也不一样。在低温时,CA 和水反应主要生成水化铝酸一钙

(CAH 10)、

水化铝酸二钙(C 2AH 8)和铝胶(AH 3),当反应温度超过35℃时会生成水化铝酸三钙(C 3AH 6)和铝胶(AH 3)。CA 2的反应和CA 相似,但在早期的时候,CA 2和水反应生成的铝胶(AH 3)比较多,阻碍了化学反应的进行,所以CA 2早期水化速度慢,强度

·

104·

收稿日期:2012-06-28

作者简介:马维华(1979-),女,讲师,工程硕士。

李婕(1981-),女,讲师,工学硕士。

　马维华,等·铝酸盐水泥及其在耐火材料中的应用2012年第19期

低。C12A7和水反应速度比较快,其含量高会引起水泥快凝。

在铝酸盐水泥的矿物组成中,钙离子具有特殊的重要性。即钙离子(Ca++)矿物结构中的配位数比正常的少,而且不规则,很容易产生“空洞”。具有“空洞”结构的铝酸钙,就具有水硬性。当水泥接触水后,水泥颗粒周围开始形成绒毛状的铝胶,随着时间的延长,数量迅速增加。同时,水或氢氧离子(OH-)进入(或透过铝胶薄膜进入)铝酸钙矿物结构中,则开始形成水化铝酸钙。因为铝胶包裹水泥颗粒和板状或针状水化铝酸钙相互联结与交错生长,所以水泥凝结硬化而获得强度[3]。

铝酸盐水泥的水化产物中CAH10、C2AH8结晶能够形成片状和针状的晶体,互相搭结交错,能形成坚固的结晶联生体,强度较高,但是,铝酸盐水泥的长期强度,经1年～2年,特别是在湿热环境下,会明显下降。原因是由于CAH10、C2AH8都是介稳相,会逐步转变成C3AH6稳定相,这个转化过程是自发的,并由于温度的升高而加速。在晶型转变时,释放出大量的游离水,导致孔隙率增加,强度降低。

1.4　铝酸盐水泥的强度变化特点

铝酸盐水泥早期强度增进较快。12h强度超过30M Pa～60M Pa,相当于同强度等级的硅酸盐水泥的7d强度;3d强度能达到标号强度,但铝酸盐水泥后期强度会降低[4]。关于铝酸盐水泥强度的降低有关学者早有研究,L ea[5]总结出晶型转化导致强度下降的结论。张汉文等[6]通过试验得出结论:铝酸盐水泥由于水化产物的晶型转化,即CAH10及C3AH8转化为C3AH6和Al2O3·3H2O结晶,造成水泥石晶体间结合力降低、孔隙率增大、有害的大孔增多,而导致强度降低。但强度下降不是无止境的,水泥石的后期强度下降并达到最低值,然后再有回升[4]。

2　铝酸盐水泥在耐火材料中的应用

铝酸盐水泥主要用来配制耐火浇注料、耐火混凝土、耐火砂浆,起到结合剂的作用。从20世纪50年代后期,耐火混凝土在我国得到了较大的发展,广泛用于石油、化工、建筑、水电、机械等工业部门中。但由于硅酸盐水泥的耐热性能不好,在250℃时会发生脱水或者分解,造成水泥石强度下降,在受热700℃以上时,水泥石会破坏。所以硅酸盐水泥不能用来做耐火混凝土的结合剂。而铝酸盐水泥的在高温下有较好的耐热性能,可以用于高温部位。铝酸盐水泥硬化后在高温下(1000℃以上)的强度仍比较高,普通铝酸盐水泥的耐火度约为1430℃,但需注意铝酸盐水泥后期强度会降低,所以铝酸盐水泥在用作耐火材料时不能用于长期受力的结构部位。

[参考文献]

[1]　陈雪峰.环境友好碱性耐火材料粘挂窑皮性能

的研究[D].北京:中国建筑材料科学研究总

院硕士学位论文,2006:4～4.

[2]　张宇震.中国铝酸盐水泥的生产与发展[J].水

泥,2003,41(7):42～45.

[3]　韩行禄.不定形耐火材料[M].北京:冶金工业

出版社,2003.

[4]　周梅,刘成丹,赵家臻.高铝水泥及其混凝土的

应用研究[J].阜新矿业学院学报(自然科学

版),1995,14(4):94～98.

[5]　张汉文,陈金川,白瑞峰,等.矾土水泥混凝土

强度下降问题的研究[J].硅酸盐学报,1980,8

(3):259～268.

)

·

105

·