高強(qiáng)低鈣硅酸鹽水泥的應(yīng)用

齊浩

摘 要：隨著不斷發(fā)展現(xiàn)代城市化建設(shè)，我國(guó)建筑行業(yè)獲得了巨大的發(fā)展，一方面我國(guó)建筑行業(yè)因?yàn)榫薮蟮氖袌?chǎng)需求被給予了大量的發(fā)展機(jī)會(huì)，然而另一方面提高地社會(huì)生產(chǎn)水平也對(duì)建筑行業(yè)的施工材料和施工技術(shù)提出了更高的要求。施工材料的質(zhì)量對(duì)于一個(gè)建筑施工項(xiàng)目而言，是可以影響建筑項(xiàng)目工程質(zhì)量的重要原因，所以我們必須進(jìn)行開發(fā)與使用不同的新型建筑材料。硅酸鹽水泥是進(jìn)行新型材料運(yùn)用的重要發(fā)展方向，其在節(jié)約建筑用材成本和提升項(xiàng)目工程建筑質(zhì)量等都有著亮眼的表現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)低鈣硅酸鹽水泥；碳化；應(yīng)用分析

1 前言

水泥自1824年誕生至今，已有190多年的歷史，是目前用量最大、用途最廣的人造建筑材料。普通硅酸鹽水泥以硅酸三鈣（C3S：50%～65%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為主要礦物，熟料燒成溫度較高，通常為1450℃。在不考慮其他熱損失的前提下，熟料燒成熱耗來(lái)源于兩方面：熟料礦物（主要是阿利特礦物）的高溫形成；生料中碳酸鹽的分解，其中碳酸鹽分解熱耗占熟料理論熱耗的46%左右。因此，普通硅酸鹽水泥熟料燒成能耗高的根本原因在于其高鈣礦物設(shè)計(jì)。此外，高鈣礦物設(shè)計(jì)還導(dǎo)致了優(yōu)質(zhì)石灰石和優(yōu)質(zhì)煤資源的過(guò)多消耗，以及溫室氣體CO2的大量排放，從而加劇了水泥工業(yè)的能源、資源消耗及環(huán)境負(fù)荷。碳化是水泥基材料在使用過(guò)程中自然發(fā)生的反應(yīng)。但是，由于自然條件下，水泥基材料碳化速率較慢，碳化程度較低，水泥基材料碳化在整個(gè)水泥制備過(guò)程中對(duì)二氧化碳排放總量的影響一般會(huì)被忽略。近些年，加速碳化技術(shù)得到迅速發(fā)展，利用加速碳化技術(shù)激發(fā)低鈣硅酸鹽礦物的硬化活性不僅能大大降低礦物燒成能耗、減少燒成過(guò)程中的二氧化碳排放量，同時(shí)低鈣礦物加速碳化過(guò)程能夠吸收大量的二氧化碳?xì)怏w。

2 硅酸鈣礦物碳化反應(yīng)過(guò)程

2.1 碳化反應(yīng)過(guò)程

硅酸鈣的碳化反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，碳化過(guò)程放出大量熱。此外碳化過(guò)程是一個(gè)受擴(kuò)散控制的過(guò)程：反應(yīng)開始，二氧化碳擴(kuò)散速率較快，顆粒表層迅速形成大量碳化產(chǎn)物，包裹在顆粒表層形成碳化產(chǎn)物層，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，碳化產(chǎn)物層不斷增厚，進(jìn)而阻礙二氧化碳的擴(kuò)散，反應(yīng)速率大大降低。

硅酸鈣的碳化反應(yīng)是一個(gè)涉及氣-液-固三相的反應(yīng)過(guò)程。硅酸三鈣的碳化過(guò)程具體分9步，分別如下：CO2的氣相擴(kuò)散；CO2的固相滲透擴(kuò)散；CO2在孔溶液中溶解；CO2水化形成H2CO3，反應(yīng)速率較慢，控速步驟；H2CO3電離形成H+，HCO3–，CO32–，電離速度較快，孔溶液pH值從11降到8；硅酸鈣溶解釋放Ca2+和SiO44–離子，由于此過(guò)程是一個(gè)循環(huán)過(guò)程，反應(yīng)速率較快，同時(shí)釋放大量熱；CaCO3晶體成核，通過(guò)適當(dāng)提高溫度、引入顆粒細(xì)小的“晶種”等途徑可以提高成核速率；固相沉淀，碳化初期形成文石、球霰石晶體，但是最終都轉(zhuǎn)化為不定型的方解石；二次碳化，C-S-H凝膠能夠逐漸碳化，最終形成S-H和CaCO3。

2.2 碳化過(guò)程影響因素

碳化過(guò)程與礦物的碳化活性和CO2的擴(kuò)散速率密切相關(guān)，影響碳化過(guò)程的因素包括：碳化活性，如膠凝材料類型及組成、水化程度；CO2擴(kuò)散速率，如孔結(jié)構(gòu)（顆粒大小及級(jí)配、水固比、成型壓力）、碳化條件（二氧化碳分壓、相對(duì)濕度等）。

3 高強(qiáng)低鈣鹽酸水泥概述

傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥成分主要是C3S、C2S、C3A和C4AF，它們與水反應(yīng)速度不同，C3A反應(yīng)速度最快，其次是C3S和C4AF，而C2S與水的反應(yīng)速度最慢。傳統(tǒng)硅鹽酸水泥在工程建設(shè)中應(yīng)用很廣，但是其中存在的問題也不容忽視，水泥遇水會(huì)釋放大量熱量，抗裂性與耐久性較差，影響了建筑的使用壽命。低鈣水泥的特性正好彌補(bǔ)了高鈣水泥的缺陷，它具有放熱低、耐久性好的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)，受到了國(guó)內(nèi)外研究人員的關(guān)注，并且展開了大量的實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)其中硅酸含量的不同，低鈣水泥可以分為硅酸鹽水泥體系與非硅酸鹽水泥體系。在非硅酸鹽水泥體系的低鈣水泥中，加入了早強(qiáng)礦物，能夠有效解決C2S遇水反應(yīng)慢的問題，同時(shí)也提高了早期強(qiáng)度，但是，此類水泥節(jié)能減排效果不佳，其推廣也受到了影響。高強(qiáng)低鈣鹽酸水泥具有較低的遇水熱化性能，同時(shí)有著理想的抗腐蝕性和耐磨性，收縮性非常小，其早期強(qiáng)度已經(jīng)足夠滿足工程的需求，所以在建筑領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在高強(qiáng)低鈣鹽酸水泥中，CaO、C2S含量要比C3S的含量低將近10%，燒成溫度也要低約100℃。高強(qiáng)低鈣硅酸鹽水泥就充分利用了這一優(yōu)勢(shì)，有效降低了C3S的含量，提高了燒成效率，解決了碳酸鈣的形成問題，為節(jié)能減排做出了重要貢獻(xiàn)。

4 高強(qiáng)低鈣硅酸鹽水泥的應(yīng)用研究

4.1 礦物組成優(yōu)化研究

硅酸鹽水泥各組成部分比例對(duì)其性能有著重要影響，其各成分之間能夠相互作用。在這些成分當(dāng)中，C2S 和 C3S 的比例對(duì)于硅酸鹽水泥性能的影響最大，因此，合理分配這兩個(gè)成分的比例，對(duì)于提高水泥整體性能有著重要意義。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得知，高強(qiáng)低鈣硅酸鹽水泥要求 C2S 的含量在 40% 以上，但是如果過(guò)高會(huì)影響熟料礦物的燒成質(zhì)量，也對(duì)水泥在使用過(guò)程中的早期強(qiáng)度產(chǎn)生影響，為了解決上述問題，需要重視各組成成分問題的研究。由于硅酸鹽水泥熟料的組成成分復(fù)雜，是由于復(fù)雜的礦物集合體組成，因此，在熟料強(qiáng)度上，其影響因素也是多種多樣，當(dāng)然，并非簡(jiǎn)單的強(qiáng)度疊加就可以計(jì)算出實(shí)際的強(qiáng)度，各個(gè)物質(zhì)之間還存在促進(jìn)作用，為了提高高強(qiáng)低鈣硅酸鹽水泥的強(qiáng)度，需要合理對(duì)其中各部分的組成進(jìn)行優(yōu)化，采取最為科學(xué)的配比方式。

4.2 熱力程控研究

從化學(xué)角度來(lái)看，物質(zhì)內(nèi)部分布越均勻熱，力學(xué)穩(wěn)定性就越好，在物質(zhì)內(nèi)部鍵強(qiáng)和鍵長(zhǎng)的變化都會(huì)影響物質(zhì)的熱穩(wěn)定性。熟料在燒成以前，其成分分布比較分散，活性高、穩(wěn)定性差。但是隨著燒成過(guò)程的進(jìn)行，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)自動(dòng)校正，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在煅燒過(guò)程中，礦物晶型不斷轉(zhuǎn)型，但是隨著溫度逐漸降低，晶體轉(zhuǎn)變程度也逐漸變小，最后趨于穩(wěn)定，所以說(shuō)水泥在生產(chǎn)過(guò)程中，熱力程控是一項(xiàng)重要的任務(wù)。

4.3 摻雜改性研究

在水泥中摻入一定比例的雜質(zhì)可以改變其液相性質(zhì)和晶體的晶格完整程度，有效改善熟料礦物的水化活性變化。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家已經(jīng)對(duì)在熟料中摻假雜質(zhì)來(lái)提高 C2S 礦物活性做出了諸多的研究，但是仍然沒有對(duì)低鈣硅酸鹽水泥早期強(qiáng)度低的問題制定出行之有效的解決方案。此外，研究顯示，通過(guò)添加適量的早強(qiáng)劑、礦物摻合料、激發(fā)劑等等，可以提高晶體從溶液中的析出速率，從而有效提升水泥的早期強(qiáng)度，但是一般的外加劑只能夠促進(jìn)鐵鋁酸鹽與鋁酸鹽之間的水化，難以促進(jìn)其他物質(zhì)的水化，因此，目前國(guó)內(nèi)外還在針對(duì)這一問題開展研究。關(guān)于高強(qiáng)低鈣硅酸鹽水泥，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)做了多項(xiàng)研究工作，但是還尚未解決低鈣硅酸鹽水泥在早期強(qiáng)度差的問題，有學(xué)者認(rèn)為，晶體本身就有著自身的缺陷，添加外加劑，只能夠改變其活性，不會(huì)影響晶體本身的屬性。總而言之，以內(nèi)部礦物活化為基礎(chǔ)，分析高強(qiáng)低鈣硅酸鹽水泥水化過(guò)程，改善其水化速率是下階段研究人員重點(diǎn)關(guān)注的問題。

總之，在全球綠色環(huán)保、節(jié)能減排的大環(huán)境下，在水泥制作過(guò)程中減少碳的排放量、降低原燃料的消耗量是生產(chǎn)發(fā)展的必然方向。研究人員對(duì)礦物組成優(yōu)化、熱力程控、摻雜改性等方面進(jìn)行了研究，這些都對(duì)高強(qiáng)低鈣硅酸鹽水泥的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。但是我國(guó)對(duì)于低鈣硅酸鹽水泥早期強(qiáng)度低的問題解決還沒有有效的手段，還需要進(jìn)一步研究與完善。

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