摘 要：阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥是一種新型水泥材料，具有早期強度高、體積收縮小等特性，且燒成溫度低。本文主要研究了礦渣、粉煤灰和石灰石對阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥性能的影響，采用XRD等測試方法對水化產(chǎn)物的組成進行了初步分析。結(jié)果表明：當阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥中礦渣、粉煤灰、石灰石的摻量分別為10%、20%、5%時，可以較好的改善阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的力學性能，并對水泥的水化硬化過程也有一定影響。
關鍵詞：阿利特硫鋁酸鋇鈣 礦渣 粉煤灰 石灰石
中圖分類號：TQ172 文獻標識碼：A
0 前言
以阿利特（C3S）和貝利特（C2S）為主導礦相的硅酸鹽水泥早期強度偏低，后期強度增進率高。以硫鋁酸鋇鈣為主導礦相的含鋇硫鋁酸鹽水泥早期強度高，強度增進率較低[1-5]。如果在硅酸鹽水泥熟料中引入少量的早強型礦相硫鋁酸鋇鈣，形成新的熟料礦相體系，將使傳統(tǒng)硅酸鹽水泥的早期強度進一步提高，并具有較高的強度增進率。近來，程新[6-8]等人在較低溫度下合成了阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥，該水泥具有良好的性能。本文重點研究了礦渣、粉煤灰和石灰石對阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥力學性能的影響，利用該水泥熟料中硫鋁酸鋇鈣礦物對混合材的激發(fā)作用，試圖增加水泥中混合材摻量，進而降低生產(chǎn)成本，減輕環(huán)境污染，降低水泥水化熱，改善水泥及混凝土的耐久性。
1原料及試驗方法
1.1 原料
阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料來自淄博某水泥廠生產(chǎn)；礦渣、粉煤灰分別來自濟南鋼鐵廠、濟南黃臺電廠；石灰石和石膏來自山水集團。化學成分見表1。
1.2 實驗方法
在熟料中加入質(zhì)量分數(shù)為5%的石膏，磨細后制得水泥。將水泥以0.3 水灰比加水并攪拌均勻，放入2㎝×2㎝×2㎝的試模，插搗密實后在振動臺上振動30次，在20℃、95%以上的相對濕度條件下養(yǎng)護24h，脫模后放入20℃的水中養(yǎng)護至規(guī)定齡期，測抗壓強度。
用德國布魯克D8-ADVANCE型X射線衍射儀測定水化產(chǎn)物組成。
2 結(jié)果與分析
2.1 礦渣對阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥性能的影響
2.1.1水泥凝結(jié)時間的分析
分別在阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥中摻入0%、5%、10%、15%和20%的礦渣，測定其標準稠度用水量和凝結(jié)時間，結(jié)果見圖1。
由圖1可見，摻入礦渣后，阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的初凝和終凝時間規(guī)律相同，即初凝、終凝時間均隨其摻入量的增加所延長。隨著礦渣摻入量的增大，標準稠度用水量變化不太顯著，當?shù)V渣摻量達到20%時，阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的初、終凝時間分別延長了13min和55min。這是因為摻入礦渣后，水泥熟料的含量相對減少，并且在水泥水化過程中，首先是水泥熟料礦物水化，然后礦渣才參加水化反應。因此，水泥的水化速度減慢，凝結(jié)時間也相應延長。
2.1.2水泥抗壓強度的分析
圖2給出了摻入礦渣后對水泥抗壓強度的影響。
由圖2可以看出，當?shù)V渣摻量小于10%時，隨著礦渣的摻入，水泥各齡期抗壓強度均有所增加，當摻量超過10%后，抗壓強度才有一定程度的降低，特別是早期強度降低的較為明顯。當摻量為10%時，水泥的各齡期抗壓強度最大，1d、3d和28d強度分別增加了2.8、9.1和6.6MPa。這是因為阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥拌水后，水泥熟料水化過程中生成氫氧化鈣，隨著水化的進行，在氫氧化鈣和硫酸鹽的共同激發(fā)下，礦渣參加反應并形成更多的水化產(chǎn)物。這說明阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥對礦渣有較強的激發(fā)能力，適應性較好。
2.1.3水化產(chǎn)物的XRD分析
圖3是A2水化樣和參比樣A0的XRD分析。由圖3可知：摻入礦渣后，阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的水化產(chǎn)物種類沒有改變，還是AFt、Ca(OH)2、C-S-H凝膠等，只是各水化產(chǎn)物的相對含量不同，這些水化產(chǎn)物的形成為阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥早強、快硬性能奠定了基礎。隨著水化齡期的延長，AFt、CH、C-S-H生成量也增加，說明適量的礦渣摻量對阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的水化具有促進作用，有利于水泥早期強度的提高。
2.2 粉煤灰對阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥性能的影響
2.2.1水泥凝結(jié)時間的分析
圖4給出了摻入粉煤灰后水泥的標準稠度和凝結(jié)時間。
由圖4可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，水泥標準稠度用水量增大，水泥初凝時間縮短，凝結(jié)速度加快。這可能是粉煤灰中Al2O3的含量較多，在CH和C2.75B1.25A3的共同激發(fā)作用下，形成了鋁酸鹽或硫鋁酸鹽水化產(chǎn)物，導致水泥凝結(jié)速度加快。當摻量S達到20%并繼續(xù)增加粉煤灰摻量，由于水泥中熟料的相對含量減小，使得水泥的初凝時間又延長。但隨著粉煤灰摻量的增加，水泥的終凝時間逐漸延長。
2.2.2水泥抗壓強度的分析
粉煤灰 本身沒有水硬膠凝性，但經(jīng)磨細后，并在水泥水化過程中，能與氫氧化鈣或硫酸鹽礦物發(fā)應生成水化產(chǎn)物，從而改善水泥的性能。圖5是不同粉煤灰摻量條件下阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥各齡期的抗壓強度。
從圖5可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，水泥1d強度下降幅度較大，但摻量從10%增加到25%時，1d強度下降不明顯。同時可以看出，當粉煤灰摻量小于20%時，其3d、7d和28d強度不但沒有降低，反而有一定程度的增加，特別是水泥的28的強度有所增加，說明阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥對粉煤灰的活性激發(fā)效果較好。綜合分析其力學性能，確定粉煤灰的適宜摻量為20%。
2.2.3水化產(chǎn)物的XRD分析
圖6是B3水化樣和參比樣B0的XRD分析。由圖6可知： 水化1d時水化產(chǎn)物中出現(xiàn)了較多的C-S-H、AFt、C-H等，這些水化產(chǎn)物的形成為阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥早強、快硬性能奠定了基礎。隨著水化齡期的延長，水化產(chǎn)物的衍射峰變強。同時可以發(fā)現(xiàn)，摻入粉煤灰后水化28d時產(chǎn)物的衍射峰比空白試樣要強。這說明有部分CH與粉煤灰的活性組分發(fā)生了反應，形成了水化產(chǎn)物。
2.3 石灰石對阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥性能的影響
2.3.1水泥凝結(jié)時間的分析
圖7給出了摻入石灰石后水泥的標準稠度用水量和凝結(jié)時間。
由圖7可見，隨著石灰石摻量的增加，阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的初凝時間逐漸縮短，終凝時間逐漸延長。當摻量為20%時，初凝時間比純水泥縮短了11min。石灰石的存在對Ca(OH)2的結(jié)晶起晶核作用，可誘導C3S水化，導致初凝速度加快，但由于石灰石的存在，可能會參與形成部分三碳鹽，其包裹在熟料礦物表面，形成保護膜，延緩該礦物水化，因此使終凝時間稍有延長。
2.3.2水泥抗壓強度的分析
在適宜的摻量條件下，石灰石可以提高水泥的強度并改善其它性能，水泥中摻加石灰石是水泥工業(yè)增產(chǎn)節(jié)能的有效途徑之一。
圖8給出了不同石灰石摻量下阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥各齡期的抗壓強度。從圖8可以看出，水泥的各齡期抗壓強度均有不同程度的增加。當石灰石摻量為5%時，其1d、3d和28d抗壓強度分別提高4.3、4.0和5.4Mpa,當摻入量大于5%時，水泥各齡期強度隨摻入量的增加開始下降。摻入的石灰石有物理和化學兩方面作用，物理作用主要是改善水泥級配，石灰石顆粒填充在硬化漿體孔隙中，優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，提高水泥石致密度；其化學作用主要體現(xiàn)在與阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥體系中C3S和C3A作用，生成更加致密的水化產(chǎn)物，從而使水泥強度增強。但過量石灰石的摻入，將使膠凝材料組分相對降低，即所謂的熟料稀釋，從而使水泥強度下降。同時石灰石的燒失量很大，大量摻入后，會導致水泥的燒失量也上升，所以摻量不宜過高。綜合分析其力學性能，確定石灰石的適宜摻量為5%。
2.3.3 XRD分析
取抗壓強度最好的C1水化樣做XRD分析，并與C0作為對照，見圖9。
由圖9可以看出，摻加石灰石的試樣，隨水化齡期的延長，Ca(OH)2衍射峰強度卻逐漸增強，有文獻[9]指出，碳酸鈣對阿利特的水化起晶核作用，降低形成新核的勢壘，加速阿利特水化，同時碳酸鈣對Ca(OH)2的結(jié)晶起晶核作用，并使Ca(OH)2結(jié)晶細小，分布均勻。同齡期摻入石灰石的水泥中的AFt、C-S-H和Ca(OH)2衍射峰強度比不摻的水泥中衍射峰強度高，說明摻加石灰石的水泥中AFt、C-S-H和Ca(OH)2結(jié)晶程度好或者含量更高。這是水泥中摻入石灰石后強度提高的主要原因。
3 結(jié)論
?。?）混合材對阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的凝結(jié)時間均有一定影響，摻入礦渣后，水泥初凝時間和終凝時間隨著摻量的增加有所延長；摻入粉煤灰后對初凝時間影響不大，但終凝時間隨著摻量的增加而延長；摻入石灰石后，水泥初凝時間縮短，早期凝結(jié)加速，終凝時間延長。
?。?）礦渣的最佳摻量為10%，在最佳摻量條件下，阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的1d、3d、7d和28d抗壓強度分別達到35.5、45.5、64.0和77.6MPa；粉煤灰最佳摻量為10%,在最佳摻量條件下，阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的1d、3d、7d和28d抗壓強度分別達到22.7、38.2、61.1和74.3MPa; 石灰石的最佳摻量為5%,在最佳摻量條件下，阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的1d、3d、7d和28d抗壓強度分別達到36.0、38.4、56.2和76.2MPa。
參考文獻
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