提高礦渣水泥早期強(qiáng)度的試驗研究

王福軍 孫 博 齊 繼 修啟迪 常義杰

(1:吉林建筑工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130118;2:長春市市政工程設(shè)計研究院，長春 130021)

0 引言

礦渣水泥是在硅酸鹽水泥熟料中加入部分的?；郀t礦渣后，再加入適量的石膏共同磨細(xì)而形成的.其性能上很多方面都優(yōu)于硅酸鹽水泥.但唯有一點不足就是早期強(qiáng)度低.眾所周知，石灰石是生產(chǎn)水泥的一種重要組分材料，但以混合材料的形式在普通硅酸鹽水泥和復(fù)合硅酸鹽水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用已有很長的歷史［1］.大量實踐證明，石灰石作為水泥混合材料不影響水泥所應(yīng)有的性能.但長期以來，人們一直把它當(dāng)作填充作用的非活性組份而應(yīng)用.據(jù)有關(guān)資料證明，在水泥中有少量的石灰石組份存在，能提高礦渣水泥的早期強(qiáng)度，但石灰石屬非活性混合材，按國標(biāo)規(guī)定摻加量不能超過水泥重量的10%，可采用雙摻法，即摻10%以下的石灰石作混合材，同時摻適量的礦渣來生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥.

1 摻入石灰石提高水泥強(qiáng)度的機(jī)理

水泥與水拌和后，立即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，水泥的各個組份開始溶解.經(jīng)過一極短瞬間，填充在顆粒之間的液相已不再是純水，而是含有各種離子的溶液，主要為:硅酸鈣→Ca2+，OH-鋁酸鈣→Ca2+，AL(OH)4-硫酸鈣→Ca2+，S堿的硫酸鹽→K+，Na+，S［2］.

以上是未摻石灰石的水泥水化時液相之中含有的各種離子，而摻有石灰石的水泥在水化時，除以上離子外，還應(yīng)有:碳酸鈣→Ca2+，C-.

由于C3S水化并迅速溶出Ca(OH)2，生產(chǎn)水泥時所摻入起緩凝作用的石膏也很快溶解于水，特別是在水泥粉磨時，部分二水石膏可能脫水成半水石膏或可溶性硬石膏，其溶解速率更大.熟料中的堿溶解也快，70%～80%的K2SO4可以在幾分鐘內(nèi)溶出.因此，水泥的水化作用在開始后，基本上是在含堿氫氧化鈣、硫酸鈣的飽合溶液中進(jìn)行的［3］.而摻有石灰石的水泥在水化時，CaCO3一部分與水泥中鋁酸鹽、鐵鋁酸鹽組份發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而有一部分則仍以碳酸鈣的形式保留其中，因此，此水泥水化時，基本上是在含堿的氫氧化鈣、硫酸鈣、碳酸鈣的飽和溶液中進(jìn)行.

根據(jù)目前的水化理論，摻石灰石的礦渣硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物主要有:①氫氧化鈣六方板狀晶體;②水化鋁(鐵)酸鈣固溶體;③水化硫鋁(鐵)酸鈣固溶體;④水化碳鋁酸鈣;⑤水化硅酸鈣主要是鈣硅(C∕S)比=1.5―1.8纖維狀微晶體［4］.

硬化水泥漿體是水化產(chǎn)物中多種形貌的水化硅酸鈣(C—S—H)，夾雜六板狀的氫氧化鈣(Ca(OH)2)和針狀的鈣礬石(C3A，3CaSO4·H2O)及水化碳鋁酸鈣(C3A，3CaCO3·32H2O)，單硫型水化硫鋁酸鈣(C3A，3CaSO4·12H2O)、單碳型水化碳鋁酸鈣(C3A，CaCO3·11H2O)等晶體交織在一起而構(gòu)成，它們密集連生交叉結(jié)合，又受到顆粒間的范德華力或化學(xué)鍵的影響，成為由無數(shù)晶體編織而成的毛氈而產(chǎn)生強(qiáng)度［5］.

從漿體組成看，C—S—H在強(qiáng)度發(fā)展中起著最主要的作用.而鈣礬石和單硫型水化硫鋁酸鈣及水化碳鋁酸鈣對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要在早期［6］，而后期作用不太明顯.這同有關(guān)試驗相符.另外，還有部分石灰石，以CaCO3的形式存在于水泥漿體中.在水化過程中起微集料的作用，能分散熟料顆粒，促使早期加速水化，形成水化硅酸鈣，因而也促進(jìn)了水泥早期強(qiáng)度的增長.

2 試驗原材料及試驗方法

2.1 試驗原材料

試驗過程中所用的熟料、礦渣、石膏及石灰石均為亞泰集團(tuán)生產(chǎn)礦渣水泥時所用的材料，其化學(xué)成分見表1.

表1 試驗用各種原材料化學(xué)組成 (%)

2.2 試驗方法

試驗根據(jù)石灰石0，3，5，8的替代量共制10組式樣，其細(xì)度按0.08 mm方孔篩篩余量來衡量，控制在5 %左右.同時，實驗中還要監(jiān)測石灰石的燒失量及氧化鋁的總含量.水泥凈漿凝結(jié)時間試驗，按JC477—2005的試驗方法進(jìn)行;水泥膠砂強(qiáng)度試驗，按JC477—2005的試驗方法進(jìn)行，并測定7 d，28 d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度.

3 試驗結(jié)果與分析

對已確定的10組試樣進(jìn)行物理性能檢驗，其檢驗結(jié)果見表2.

從表2數(shù)據(jù)可以看出，摻部分石灰石以后，其品質(zhì)指標(biāo)符合國標(biāo)GB1344—85之規(guī)定，初凝時間較不摻石灰石略有延長，終凝時間略有縮短，7 d，28 d的抗折、抗壓強(qiáng)度都有較大程度的提高.

為了更加直觀地分析摻入部分石灰石后，抗折、抗壓強(qiáng)度提高的幅度，我們又給出了試樣強(qiáng)度比值百分?jǐn)?shù)(見表3).

表2 已確定10組試樣物理性能檢驗

表3 試樣強(qiáng)度比值百分?jǐn)?shù)

表中數(shù)據(jù)說明:在礦渣水泥中摻入部分石灰石后，7 d，28 d的抗折強(qiáng)度可分別提高5%，10%;7 d，28 d的抗壓強(qiáng)度可分別提高16%，1%.從試驗的綜合結(jié)果來看，石灰石的最佳摻量為3%.

4 結(jié)論

(1)以石灰石代替部分混合材、石膏，改善水泥性能，提高早期強(qiáng)度在技術(shù)上是可行的，生產(chǎn)工藝也非常簡單，但在配料工藝上應(yīng)單設(shè)計量設(shè)備，以保證石灰石摻入量的比例準(zhǔn)確;

(2)對石灰石的化學(xué)成分應(yīng)控制AI2O3小于2.5%，其他成分可不做要求;

(3)因石灰石的燒失量較大，應(yīng)增加出磨水泥的燒失量檢驗，以保證出廠水泥的燒失量符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求;

(4)由于對石灰石的質(zhì)量要求較寬，所以為一些不便于生料配料用的高硅低鈣石灰石的使用找到了一條出路，擴(kuò)大了石灰石資源使用范圍;

(5)此試驗研究的成功，為施工單位縮短工期，加速模板的周轉(zhuǎn)速度，降低施工費(fèi)用及保證工程質(zhì)量提供了強(qiáng)有力的支持.

［1］陳劍雄，李鴻芳，陳寒斌.摻超細(xì)石灰石粉和鐵礦渣粉超高強(qiáng)混凝土研究［J］.建筑材料學(xué)報，2005，12:672-676.

［2］沈 威.水泥工藝學(xué)［M］.武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2005:106-109.

［3］同濟(jì)大學(xué)材料工程研究所.不同品質(zhì)熟料與輔助性膠凝材料的復(fù)合特性及其對漿體早期結(jié)構(gòu)與性能的影響［R］.973項目研究報告，2010.

［4］王復(fù)生.現(xiàn)代水泥生產(chǎn)基本知識［M］.北京:中國建材工業(yè)出版社，2004:201-204.

［5］I.B.Celik.The effects of particle size distribution and surface areaupon cement strength development［J］.Powder Technology，2009，188(3): 272-276.

［6］AE.謝依金著.水泥混凝土的結(jié)構(gòu)與性能［M］.胡春芝，袁曉敏譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1984:234-246.