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(qiáng)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(duì)阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥性能的影響，采用XRD等測(cè)試方法對(duì)水化產(chǎn)物的組成進(jìn)行了初步分析。結(jié)果表明：當(dāng)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(shí)，可以較好的改善阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的力學(xué)性能，并對(duì)水泥的水化硬化過(guò)程也有一定影響。
關(guān)鍵詞：阿利特硫鋁酸鋇鈣 礦渣 粉煤灰 石灰石
中圖分類號(hào)：TQ172 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
0 前言
以阿利特（C3S）和貝利特（C2S）為主導(dǎo)礦相的硅酸鹽水泥早期強(qiáng)度偏低，后期強(qiáng)度增進(jìn)率高。以硫鋁酸鋇鈣為主導(dǎo)礦相的含鋇硫鋁酸鹽水泥早期強(qiáng)度高，強(qiáng)度增進(jìn)率較低[1-5]。如果在硅酸鹽水泥熟料中引入少量的早強(qiáng)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(qiáng)度進(jìn)一步提高，并具有較高的強(qiáng)度增進(jìn)率。近來(lái)，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(diǎn)研究了礦渣、粉煤灰和石灰石對(duì)阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥力學(xué)性能的影響，利用該水泥熟料中硫鋁酸鋇鈣礦物對(duì)混合材的激發(fā)作用，試圖增加水泥中混合材摻量，進(jìn)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(yàn)方法
1.1 原料
阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料來(lái)自淄博某水泥廠生產(chǎn)；礦渣、粉煤灰分別來(lái)自濟(jì)南鋼鐵廠、濟(jì)南黃臺(tái)電廠；石灰石和石膏來(lái)自山水集團(tuán)?；瘜W(xué)成分見表1。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
在熟料中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的石膏，磨細(xì)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(shí)后在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)30次，在20℃、95%以上的相對(duì)濕度條件下養(yǎng)護(hù)24h，脫模后放入20℃的水中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，測(cè)抗壓強(qiáng)度。
用德國(guó)布魯克D8-ADVANCE型X射線衍射儀測(cè)定水化產(chǎn)物組成。
2 結(jié)果與分析
2.1 礦渣對(duì)阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥性能的影響
2.1.1水泥凝結(jié)時(shí)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(cè)定其標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和凝結(jié)時(shí)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(shí)間規(guī)律相同，即初凝、終凝時(shí)間均隨其摻入量的增加所延長(zhǎng)。隨著礦渣摻入量的增大，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量變化不太顯著，當(dāng)?shù)V渣摻量達(dá)到20%時(shí)，阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的初、終凝時(shí)間分別延長(zhǎng)了13min和55min。這是因?yàn)閾饺氲V渣后，水泥熟料的含量相對(duì)減少，并且在水泥水化過(guò)程中，首先是水泥熟料礦物水化，然后礦渣才參加水化反應(yīng)。因此，水泥的水化速度減慢，凝結(jié)時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)。
2.1.2水泥抗壓強(qiáng)度的分析
圖2給出了摻入礦渣后對(duì)水泥抗壓強(qiáng)度的影響。
由圖2可以看出，當(dāng)?shù)V渣摻量小于10%時(shí)，隨著礦渣的摻入，水泥各齡期抗壓強(qiáng)度均有所增加，當(dāng)摻量超過(guò)10%后，抗壓強(qiáng)度才有一定程度的降低，特別是早期強(qiáng)度降低的較為明顯。當(dāng)摻量為10%時(shí)，水泥的各齡期抗壓強(qiáng)度最大，1d、3d和28d強(qiáng)度分別增加了2.8、9.1和6.6MPa。這是因?yàn)榘⒗?硫鋁酸鋇鈣水泥拌水后，水泥熟料水化過(guò)程中生成氫氧化鈣，隨著水化的進(jìn)行，在氫氧化鈣和硫酸鹽的共同激發(fā)下，礦渣參加反應(yīng)并形成更多的水化產(chǎn)物。這說(shuō)明阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥對(duì)礦渣有較強(qiáng)的激發(fā)能力，適應(yīng)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(méi)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(duì)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(qiáng)、快硬性能奠定了基礎(chǔ)。隨著水化齡期的延長(zhǎng)，AFt、CH、C-S-H生成量也增加，說(shuō)明適量的礦渣摻量對(duì)阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的水化具有促進(jìn)作用，有利于水泥早期強(qiáng)度的提高。
2.2 粉煤灰對(duì)阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥性能的影響
2.2.1水泥凝結(jié)時(shí)間的分析
圖4給出了摻入粉煤灰后水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度和凝結(jié)時(shí)間。
由圖4可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增大，水泥初凝時(shí)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(dǎo)致水泥凝結(jié)速度加快。當(dāng)摻量S達(dá)到20%并繼續(xù)增加粉煤灰摻量，由于水泥中熟料的相對(duì)含量減小，使得水泥的初凝時(shí)間又延長(zhǎng)。但隨著粉煤灰摻量的增加，水泥的終凝時(shí)間逐漸延長(zhǎng)。
2.2.2水泥抗壓強(qiáng)度的分析
粉煤灰 本身沒(méi)有水硬膠凝性，但經(jīng)磨細(xì)后，并在水泥水化過(guò)程中，能與氫氧化鈣或硫酸鹽礦物發(fā)應(yīng)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(qiáng)度。
從圖5可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，水泥1d強(qiáng)度下降幅度較大，但摻量從10%增加到25%時(shí)，1d強(qiáng)度下降不明顯。同時(shí)可以看出，當(dāng)粉煤灰摻量小于20%時(shí)，其3d、7d和28d強(qiáng)度不但沒(méi)有降低，反而有一定程度的增加，特別是水泥的28的強(qiáng)度有所增加，說(shuō)明阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥對(duì)粉煤灰的活性激發(fā)效果較好。綜合分析其力學(xué)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(shí)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(qiáng)、快硬性能奠定了基礎(chǔ)。隨著水化齡期的延長(zhǎng)，水化產(chǎn)物的衍射峰變強(qiáng)。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，摻入粉煤灰后水化28d時(shí)產(chǎn)物的衍射峰比空白試樣要強(qiáng)。這說(shuō)明有部分CH與粉煤灰的活性組分發(fā)生了反應(yīng)，形成了水化產(chǎn)物。
2.3 石灰石對(duì)阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥性能的影響
2.3.1水泥凝結(jié)時(shí)間的分析
圖7給出了摻入石灰石后水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和凝結(jié)時(shí)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(shí)間逐漸縮短，終凝時(shí)間逐漸延長(zhǎng)。當(dāng)摻量為20%時(shí)，初凝時(shí)間比純水泥縮短了11min。石灰石的存在對(duì)Ca(OH)2的結(jié)晶起晶核作用，可誘導(dǎo)C3S水化，導(dǎo)致初凝速度加快，但由于石灰石的存在，可能會(huì)參與形成部分三碳鹽，其包裹在熟料礦物表面，形成保護(hù)膜，延緩該礦物水化，因此使終凝時(shí)間稍有延長(zhǎng)。
2.3.2水泥抗壓強(qiáng)度的分析
在適宜的摻量條件下，石灰石可以提高水泥的強(qiáng)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(qiáng)度。從圖8可以看出，水泥的各齡期抗壓強(qiáng)度均有不同程度的增加。當(dāng)石灰石摻量為5%時(shí)，其1d、3d和28d抗壓強(qiáng)度分別提高4.3、4.0和5.4Mpa,當(dāng)摻入量大于5%時(shí)，水泥各齡期強(qiáng)度隨摻入量的增加開始下降。摻入的石灰石有物理和化學(xué)兩方面作用，物理作用主要是改善水泥級(jí)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(xué)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(qiáng)度增強(qiáng)。但過(guò)量石灰石的摻入，將使膠凝材料組分相對(duì)降低，即所謂的熟料稀釋，從而使水泥強(qiáng)度下降。同時(shí)石灰石的燒失量很大，大量摻入后，會(huì)導(dǎo)致水泥的燒失量也上升，所以摻量不宜過(guò)高。綜合分析其力學(xué)性能，確定石灰石的適宜摻量為5%。
2.3.3 XRD分析
取抗壓強(qiáng)度最好的C1水化樣做XRD分析，并與C0作為對(duì)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(zhǎng)，Ca(OH)2衍射峰強(qiáng)度卻逐漸增強(qiáng)，有文獻(xiàn)[9]指出，碳酸鈣對(duì)阿利特的水化起晶核作用，降低形成新核的勢(shì)壘，加速阿利特水化，同時(shí)碳酸鈣對(duì)Ca(OH)2的結(jié)晶起晶核作用，并使Ca(OH)2結(jié)晶細(xì)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(qiáng)度比不摻的水泥中衍射峰強(qiáng)度高，說(shuō)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(qiáng)度提高的主要原因。
3 結(jié)論
（1）混合材對(duì)阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的凝結(jié)時(shí)間均有一定影響，摻入礦渣后，水泥初凝時(shí)間和終凝時(shí)間隨著摻量的增加有所延長(zhǎng)；摻入粉煤灰后對(duì)初凝時(shí)間影響不大，但終凝時(shí)間隨著摻量的增加而延長(zhǎng)；摻入石灰石后，水泥初凝時(shí)間縮短，早期凝結(jié)加速，終凝時(shí)間延長(zhǎng)。
?。?）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(qiáng)度分別達(dá)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(qiáng)度分別達(dá)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(qiáng)度分別達(dá)到36.0、38.4、56.2和76.2MPa。
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