淺談硅酸鹽水泥中硫酸鹽的類型與作用

(陜西省建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院， 陜西 西安 710032)

淺談硅酸鹽水泥中硫酸鹽的類型與作用

楊 洋

(陜西省建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院， 陜西 西安 710032)

在硅酸鹽水泥中，雖然硫酸鹽的含量較低，但種類較多且應(yīng)用復(fù)雜，因此，將硫酸鹽類型與作用進行細分，有益于水泥的生產(chǎn)加工和使用。本文通過對國內(nèi)外相關(guān)工作經(jīng)驗進行總結(jié)，闡述了硅酸鹽水泥中硫酸鹽的種類，并對硫酸鹽在硅酸鹽水泥中具體作用進行論述。

硅酸鹽水泥；硫酸鹽；類型與作用

前言：長期以來，人們對水泥中硫酸鹽的類型和作用進行了大量的研究工作，在以往的研究過程中也只是根據(jù)SO3的含量來進行簡單分析。隨著監(jiān)測分析技術(shù)的日益發(fā)展以及人們對水泥生產(chǎn)應(yīng)用需求的提升，很多問題都需要相關(guān)人員做深入研究。通過分析發(fā)現(xiàn)，硫酸鹽不僅在水泥中可以產(chǎn)生積極作用，同時還存在著潛在危害。通過研究，可以確保水泥在實際生活中得到合理應(yīng)用，也可以防治一些污染問題出現(xiàn)。

1 硅酸鹽水泥中的硫酸鹽

1.1 硫酸鹽的主要類型

對于硅酸鹽水泥原料來說，主要包括熟料和混合材，由于經(jīng)過了高溫處理，水泥中大量硫元素通常以六價形式存在，這也說明了水泥中主要礦物元素以硫酸鹽為主。其中硫酸鹽的分類也可以有多種類型，為了方便研究，通常人們都按照陽離子類型、溶解性能高低和晶體存在的具體形式進行分類。對于硅酸鹽水泥中可能存在的硫酸鹽類型，主要來源就是外摻石膏和熟料，二者都含有豐富的硫元素。由于六價硫化學(xué)屬性不穩(wěn)定，造成了硫酸鹽在形成過程中彼此之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，特別是在水泥生產(chǎn)過程中助磨劑的加入。這種助磨劑具有很強催化效果，促進硫酸鹽之間的化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生出了更多的硫酸鹽，但并不是所有水泥中都具有上述類型的硫酸鹽[1]。

相關(guān)研究人員認為，水泥熟料中除了含有大量的硫酸鉀和硫酸鈉以外，還有結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的K6Na2(SO4)4以及K1Ca2（SO4）3等存在。在以往科學(xué)研究過程中，一般都是通過熱力學(xué)計算來實現(xiàn)對硅酸鹽水泥的詳細研究，隨著科技的不斷發(fā)展，在近幾年的研究中加入了很多新的測試手段，已經(jīng)有學(xué)者提出了熟料中的硫酸鹽基本都是以復(fù)鹽形式存在，或者以混合鹽形式存在。但針對于硫鋁酸鈣和硫硅酸鈣這種更為復(fù)雜的硫酸鹽是否存在，學(xué)者們說法還未得到統(tǒng)一。在研究中，學(xué)者們通過高溫加熱，觀察酸鹽礦物？存在情況，并通過長達10天的高溫作用，發(fā)現(xiàn)了少量的硫硅酸鈣和硫鋁酸鈣。

另外，通過溫度持續(xù)升高，直到1300℃時，依然有硫酸鈣沒有分解，這也充分說明了熟料中含有大量硫酸鹽成分。另外，用選擇性富集方法進行實驗研究發(fā)現(xiàn)，熟料中含有大量的硫酸鉀和硫酸鈣，而且，在SO3含量為2%的熟料中，還會出現(xiàn)3CaO·3Al2O3·CaSO4等物質(zhì)，對于此物質(zhì)可能存在的地方，相關(guān)人員也沒有做出最后確定，只是大致確定了有可能存在于貝利特中。我國在此問題研究過程中也沒有落后，經(jīng)過劉寶元等人的共同努力，發(fā)現(xiàn)了當SO3在硅酸鹽中的固溶量達到一定數(shù)值時，C2S固溶SO3的數(shù)量是最大的。從上述研究中我們可以得出結(jié)論，水泥中硫酸鹽的復(fù)鹽形式可能有很多種，因為根據(jù)硫酸鉀和硫酸鈣經(jīng)過高溫作用以后發(fā)生的變化，就可以形成很多復(fù)鹽形式[2]。

1.2 硅酸鹽水泥中的硫酸鹽變化

對于硅酸鹽水泥中的硫酸鹽來說，主要有兩大來源，一是熟料中，二是外摻石膏，隨著人們對水泥的需求量不斷提升，導(dǎo)致了水泥工業(yè)廢料數(shù)量不斷上漲，這讓水泥中的硫酸鹽來源發(fā)生了很大變化，而原生硫酸鹽的增加，就是這種變化最好的說明。

由含有大量硫元素的工業(yè)廢料參與到水泥制作過程中，在高溫加熱之后，會使得熟料中的SO3含量明顯增加，如果在制作階段在加入礦化劑，SO3會比以往高出3%，傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)中，SO3含量最多也就只有0.5%，這是針對于傳統(tǒng)濕法生產(chǎn)來說的，如果利用窖外分解法來進行生產(chǎn)，熟料中的SO3含量會比之前大大增加，如果在通過高溫處理，其含量會接近于水泥中SO3的最終含量，從而使硅酸鹽水泥中的硫酸鹽增多[3]。

2 硫酸鹽在硅酸鹽水泥中的作用

2.1 調(diào)節(jié)凝結(jié)時間

在水泥中加入各種形式的硅酸鹽，可以降低熟料中礦物元素的水化速度，從而有效延遲了水泥整體水化時間，保證水泥在長時間內(nèi)保持特性。

一直以來，很多學(xué)者在這方面做了大量研究，為了就是延長水泥的凝結(jié)時間，確保水泥能夠被人們更好利用。經(jīng)過對研究進行總結(jié)，很多人認為C3A的表面吸附很多硫酸鹽，從而減緩了礦物元素的水化時間，還有很對人認為，部分硫酸鹽溶解程度較高，使得水泥中的硫酸鹽過度飽和，從而有效避免了AFm的產(chǎn)生，更有益于AFt的形成，為此，也能起到減緩水泥凝結(jié)時間的目的。另外，通過可融性硫酸鹽的作用，也會使水泥的終凝時間和初凝時間都會得到延長，這是由于很多硫酸鹽中存在一部分堿性粒子，可以促進水泥的水化速度，而堿性硫酸鹽另一部分硫酸根會減緩水泥水化，單單憑借二者作用，不能達到緩凝目的，但通過熟料中產(chǎn)生的AFt和AFm,就可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)凝結(jié)時間的目的[4]。

2.2 對混凝土的破壞作用

在水泥使用過程中，由于硫酸鹽的作用，在水泥硬化之后容易出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，這種膨脹現(xiàn)象會嚴重影響水泥固定效果，這也是人們在應(yīng)用水泥過程中最頭疼的一個問題。

有人對6種硫酸鹽含量不同的水泥進行實驗，發(fā)現(xiàn)當硫酸鹽中的SO3含量大于3.5%時，其膨脹最為明顯。另外，如果在含有較高的SO3的熟料中，加入2%的硫酸鈉，也會讓水泥產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象，但是，隨著SO3的濃度減小到一定程度以后，如果不對熟料進行硫酸鈉的外摻，則膨脹現(xiàn)象消失，這充分證明了如果硫酸鹽含量過多，會對混凝土產(chǎn)生破壞情況。

2.3 促進強度發(fā)展并激發(fā)混合材活性

在水泥水化過程中，通過硫酸鹽的相互作用，會產(chǎn)生AFm和AFt兩種物質(zhì)，這對于水泥早期強度來說是一種很好保障。Le-rch等人認為，相比于凝結(jié)時間的延長，石膏對于水泥的硬化后的性能保障更為重要，上述人員在1946年便開始了相關(guān)問題研究工作，在水泥中摻入不同含量的SO3，來進行相關(guān)強度和收縮比對，只有在堿分子含量較高時，石膏的加入才會出現(xiàn)一定效果[5]。

對于堿性硫酸鹽來說，有利于提升硫酸根的濃度，可以與水泥中的氫氧化鈣反應(yīng)，從而得到AFt，對于水泥強度有很好促進作用。另外，這種堿性硫酸鹽還可以提高水泥中的PH值，這對于混合材中氧化物的溶解產(chǎn)生巨大促進作用，從而更好實現(xiàn)水泥強度的提升。

總結(jié)：綜上所述，雖然硫酸鹽在水泥中含量很少，卻起到至關(guān)重要的作用。水泥中的硫酸鹽種類多樣，來源較多，雖然人們在相關(guān)研究上取得了一定成就，但是從水泥的實際生產(chǎn)應(yīng)用中來看，人們對硫酸鹽的類型還作用并不十分明確。另外，對于我國水泥來說，SO3的含量明顯比國外低很多，但并不代表熟料中原生硫酸鹽不會增加，所以說對于硫酸鹽的潛在危害，相關(guān)工作人員必須提高重視。

[1]左曉寶,邱林峰,湯玉娟,馮禹翔.氯鹽和硫酸鹽侵蝕下水泥漿體中鋼筋銹蝕過程[J].建筑材料學(xué)報,,:1-9.

[2]丁鑄,王淑平,張鳴,邢鋒.硫酸鹽對礦渣在硅酸鹽水泥中水化活性的激發(fā)作用[J].中國科技信息,2008,(18):69-71.

[3]金雁南,周雙喜.混凝土硫酸鹽侵蝕的類型及作用機理[J].華東交通大學(xué)學(xué)報,2006,(05):4-8.

[4]劉廣民,任南琪,王愛杰,王旭,杜大仲,陳鳴歧.產(chǎn)酸-硫酸鹽還原系統(tǒng)中產(chǎn)酸菌的發(fā)酵類型及其與SRB的協(xié)同作用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2004,(05):782-788.

[5]馬孝軒,陳從慶.混凝土及鋼筋混凝土土壤腐蝕試驗研究[J].港口工程,1992,(06):5-18.

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