第九章 特种水泥

第9章特种水泥特性水泥定义和特点具有特殊性能：快凝、快硬、耐热等；满足特殊用途：抢修工程、抗裂防渗工程、水工工程、油气固井工程、耐高温工程、装饰工程等。特种就是这些特性水泥和专用水泥的统称。特性水泥1、快硬高强水泥2、抗硫酸盐型硅酸盐水泥3、油井水泥4、白色水泥5、彩色水泥6、道路水泥7、补偿收缩水泥8、砌筑水泥9、防辐射水泥10、耐高温水泥快硬高强水泥（1）特点：凝结时间短、硬化快、早期强度高以3天强度来划分等级（2）组成：PC系列（硅酸盐水泥）CSA系列（硫铝酸盐水泥）（3）用途：需要快速施工的工程、抢修工程、冬季施工抗硫酸盐型硅酸盐水泥（1）特点：有较强的抵抗硫酸根离子腐蚀的能力、水化热低（2）组成：硅酸盐系列改变熟料矿物组成（降低硅酸三钙≤50%和铝酸三钙含量≤5%）（3）用途：水利工程、地下工程、海港工程、隧道工程、桥梁基础等油井水泥（1）特点：流动性好、快凝初凝、终凝时间间隔短在高温高压环境中凝结硬化（2）组成：硅酸盐系列改变矿物比例（3）用途：用于油田固井白色水泥（1）特点：颜色为白色，白度是重要的性能指标（2）组成：控制Fe含量（3）用途：建筑装饰彩色水泥（1）特点：按照使用要求可配制出红色、绿色等彩色水泥（2）组成：一般为硅酸盐系列（3）制备方法：白水泥+颜料在原材料中配入着色剂烧制（4）用途：建筑装饰道路水泥（1）性能特点：耐磨性好、抗冻性好、抗冲击性好、收缩小、弹性好（2）组成：硅酸盐系列水泥中增加含铁矿物（3）用途：公路路面补偿收缩水泥（1）特点：具有微膨胀性（2）组成：CSA系列（3）用途：防止混凝土开裂砌筑水泥（1）特点：强度要求不高，流动性好（2）组成：硅酸盐系列（3）用途：用于砌筑和抹灰防辐射水泥（1）特点：密度大、水化热小、抗拉强度高（2）组成：含有Ba、Sr等重金属离子（3）用途：用于阻挡或防护原子核反应堆辐射耐高温水泥（1）特点：耐高温、耐腐蚀（2）组成：主要为铝酸盐系列另外还有磷酸盐系列（3）用途：窑炉内衬（电力、石化、冶金、建材）硫铝酸盐水泥第一系列水泥：以C3S矿物为主的各种硅酸盐水泥。第二系列水泥：以CA矿物为主的各种铝酸盐水泥。第三系列水泥：以C4A3Š矿物为主的各种硫铝酸盐水泥。20世纪70年代初，中国发明了普通硫铝酸盐水泥水泥的种类定义硫铝酸盐水泥是以适当成分的石灰石、矾土、石膏为原料，经低温（1300~1350℃）煅烧而成的无水硫铝酸钙（C4A3Š）和硅酸二钙（C2S）为主要矿物组成的熟料，掺加适量混合材（石膏和石灰石等）共同粉磨所制成的具有早强、快硬、低碱度等一系列优异性能的水硬性胶凝材料。硫铝酸盐水泥是中国建筑材料科学院于1975研究和开发的一种特种水泥，它是以3CaO·3Al2O3·CaSO4为主要矿物的水泥。该水泥具有早强、高强、抗冻、抗渗、耐腐蚀和低碱度等优良特性。目前我国硫铝酸盐水泥主要有快硬硫铝酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力硫铝酸盐水泥、高强硫铝酸盐水泥和低碱度硫铝酸盐水泥等五个品种。从无水硫铝酸钙C4A3Š复合矿物研究中已开发出硫铝酸盐水泥系列。这个系列包括普通硫铝酸盐水泥和高铁硫铝酸盐水泥（又称铁硫酸盐水泥）。硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥的生产工艺完全一样，区别仅在于两者的铁相矿物含量高低不同。硫铝酸盐水泥的种类快硬铁铝酸盐水泥R·FAC高强铁铝酸盐水泥H·FAC膨胀铁铝酸盐水泥E·FAC自应力铁铝酸盐水泥S·FAC高铁硫铝酸盐水泥快硬硫铝酸盐水泥R·SAC高强硫铝酸盐水泥H·SAC膨胀硫铝酸盐水泥E·SAC自应力硫铝酸盐水泥S·SAC低碱度快硬硫铝酸盐水泥普通硫铝酸盐水泥①早强高强性能：快硬硫铝酸盐水泥不仅有较高的早期强度，而且有不断增长的后期强度。同时具有满足使用要求的凝结时间。12h～1d抗压强度可达35～50MPa；抗折强度可达6.5～7.5MPa。3d抗压强度可达50～70MPa；抗折强度可达7.5～8.5MPa。根据3d水泥胶砂抗压强度确定水泥标号。目前市场出售的水泥标量为425＃、525＃、625＃三种。该两种水泥已有10～20年的生产历史。从5～10年水泥和混凝土长期强度结果可以看出，随养护龄期的增长，强度不断增长，最高强度可达100MPa。硫铝酸盐水泥具有以下特点：②高抗冻性能：快硬硫铝酸盐水泥表现出极好的抗冻性。它具有以下几个特点：a.在0℃～10℃低温下使用，早期强度是硅酸盐水泥的5～8倍。b.在0℃～-20℃负温下使用，加入少量防冻剂，混凝土入模温度维持在5℃以上，则可正常施工。混凝土3～7d强度可达设计标号的70～80%。c.在正负温交替情况下施工，对后期强度增长影响不大。实验室200次冻融循环，混凝土强度损失不明显。抗冻标号可达200＃以上。③耐蚀性能：硫铝酸盐水泥对海水、氯盐（NaCl、MgCl2）、硫酸盐（Na2SO4、MgSO4、(NH4)2SO4）、尤其是它们的复合盐类（MgSO4+NaCl）等，均具有极好的耐蚀性。快硬铁铝酸盐水泥的耐蚀性优于快硬硫铝酸盐水泥。从2年耐腐蚀实验室结果可以看出，耐蚀系数均大于1，明显优于高抗硫硅酸盐水泥和高铝水泥。④高抗渗性能：硫铝酸盐水泥的水泥石结构较致密，因此混凝土抗渗性是同标号硅酸盐水泥混凝土的2～3倍。我国硫铝酸盐水泥应用市场用量及品种硫铝酸盐水泥的应用硫铝酸盐水泥在我国已成功地应用于各种建筑工程（尤其是冬季施工工程）、海港工程、地下工程，各种水泥制品和预制构件，如水泥压力管、高强桩、大型梁柱以及各种GRC制品。玻璃纤维增强水泥制品（GRC制品）该制品生产对水泥的基本要求是水泥的水化液相碱度在整个水化过程中必须保持在一个较低的水平，即小于11.0。为满足这个要求，采用水化液相pH值≤10.5的低碱度硫铝酸盐水泥是最佳选择，目前尚没有任何品种水泥可以代替它。快硬硫铝酸盐水泥水化液相碱度比低碱度硫铝酸盐水泥高，但比快硬铁铝酸盐水泥低，更重要的是水化产物中不存在Ca(OH)2。所以在某些特殊情况下也可以用于GRC制品生产。实验结果表明，快硬铁铝酸盐水泥对玻璃纤维的腐蚀作用较严重，在GRC制品生产中不可使用该种水泥。自应力水泥压力管在自应力水泥压力管的生产中，大多数厂采用自应力硫铝酸盐水泥。冬季施工工程硫铝酸盐水泥用于冬季施工工程可省去通常使用的蒸气保温措施，具有很高的经济效益，目前尚无其他水泥可取代，其应用前景极佳。海洋工程海洋建筑物的修补是硫铝酸盐水泥应用前景十分看好的领域之一。使用的水泥品种应首选快硬铁铝酸盐水泥。实验室研究和海洋工程实际应用效果都表明快硬铁铝酸盐水泥的早强、抗海水腐蚀和抗冲刷性能均优于包括快硬硫铝酸盐水泥在内的任何一种水泥，是目前最理想的海洋工程用水泥品种。硫铝酸盐水泥生产工艺跟传统硅酸盐水泥相比，生料中石灰石的配入量大大降低，用于分解CaCO3的热耗大幅度降低，放出CO2大大降低，且熟料烧成温度较低，理论热耗较低，烧成范围较宽，节约能量。硫铝酸盐水泥生产的工艺特点硫铝酸盐水泥的原燃材料•原材料：•铝质原料（主要提供Al2O3，也提供SiO2和Fe2O3）•石灰质原料（主要提供CaO）•硫系原料（主要提供SO3）•燃料：•烟煤原料和燃料要求矾土：Al2O3＞60%，SiO2＜15%石灰石：CaO＞50%，SiO2＜3.5%二水石膏：SO3＞38%。硬石膏：SO3＞38%工业烟煤：发热量＞23826kJ/kg，灰分＜3.5%，挥发分＞25%原料总有害成分：R2O＜0.5%硫铝酸盐水泥熟料矿物组成相图三个系数：碱度系数Cm，铝硅比N，铝硫比P223232320.70.730.641.41.87CaOTiOCmAlOFeOFeOSiO硫铝酸盐的率值碱度系数Cm：表示熟料中氧化硅、氧化铝和氧化铁饱和形成C4A3Š、C2AF、C2S的程度。Cm的范围一般为0.95-0.98，必须小于1(就在于硫铝酸盐水泥系数中，不能有f-CaO的存在，否则将造成水泥的急凝)。232320.64AlOFeONSiO232330.64AlOFeOPSO铝硫比P：表示熟料中氧化铝含量与三氧化硫含量之比，反映了形成C4A3Š的氧化铝与三氧化硫的适当比例。一般控制P＜3.86.铝硅比N：表示熟料中氧化铝含量与氧化硅含量值比，也反映了熟料中C4A3Š、C2S的比例。一般控制N＞3。CaO的配入量：在硫铝酸盐水泥中，形成熟料矿物所需要的CaO是按照不足来设计的，因为如果CaO的配入量过多，超出形成熟料矿物所需要的量，将会形成f-CaO,从而造成熟料的急凝、强度低；同时，高钙条件下，C4A3Š的水化速度会大大加快。SO3的配入量：在硫铝酸盐水泥中，形成熟料矿物所需要SO3的量按照过足来设计的，由于在硫铝酸盐水泥熟料煅烧过程中，SO3总会有所挥发，如果SO3配入量不足，将会直接影响C4A3Š的形成。在配料计算中SO3应过量10%左右。硫铝酸盐水泥的配料原则硫铝酸盐水泥熟料中的矿物主要为C4A3Š、C2S、C4AF，一般还存在少量游离石膏(f-CaSO4)、方镁石(MgO)和钙钛矿(CaO·TiO2即CT)等，煅烧不太正常或配料不当时，还有少量钙黄长石(2CaO·Al2O3·SiO2即C2AS)、硫硅酸钙(4CaO·2SiO2·CaSO4即2C2S·CaSO4)、游离石灰(f-CaO)和铝酸钙(C12A7,CA)等。硫铝酸盐水泥熟料的矿物组成无水硫铝酸钙3CaO•3Al2O3•CaSO4晶体结构：多孔结构（高活性的原因）形貌：六角形板状或四边形柱状晶体尺寸：5~10μmCa2+Al-OS-O硅酸二钙2CaO•SiO2四种晶型形貌：不规则圆形，细小、破碎（工业熟料）尺寸：5~10μm铁相4CaO·Al2O3·Fe2O32CaO·Fe2O3~6CaO·2Al2O3·Fe2O3固溶体斜方晶系，棱柱状形成：2CaO·Fe2O3矿物随温度的升高，不断固溶各类铝酸钙矿物少量矿物游离石膏（游离CaSO4）方镁石（MgO）钙钛矿（CaO·TiO2）煅烧不正常或配料不当时：钙黄长石（2CaO·Al2O3·SiO2）硫硅酸钙（4CaO·SiO2·CaSO4）游离石灰（游离CaO）硫铝酸盐水泥熟料微观形貌水泥名称熟料矿物组成w%普通硫铝酸盐水泥C4A3ŠC2SC4AF55-758-373-10高铁硫铝酸盐水泥C4A3ŠC3AC6AF233-6314-3715-35铝酸盐水泥CAC2AC2AS40-4515-3020-36硅酸盐水泥C3SC2SC3AC4AF42-6015-355-1410-16不同水泥熟料的矿物组成各种水泥熟料化学成分w%水泥名称SiO2Al2O3Fe2O3CaOSO3普通硫铝酸盐水泥熟料3-1330-381-338-458-15高铁硫铝酸盐水泥熟料5-1325-355-1343-507-12铝酸盐水泥熟料＜1050-58＜332-36硅酸盐水泥熟料21-254-82-464-67室温-300℃：原料脱水干燥300-450℃：Ⅲ型无水石膏转变为Ⅱ型无水石膏。450-600℃：矾土的水铝石分解，形成α-Al2O3,物料总同时出现α-SiO2及Fe2O3。850-900℃：碳酸钙分解，产生CaO,随温度升高分解反应加快。950℃以上：C4A3Š和C2AS开始形成。1050℃：C4A3Š和C2AS增加，石灰吸收率达到1/2左右。生料中的α-Al2O3,α-SiO2、CaSO4和CaO的含量迅速减少。熟料的形成过程1150℃：出现β-C2S，石灰吸收率达到2/3.1250℃：C4A3Š继续增加，C2AS消失，同时出现2C2S·CaSO4。除此之外，其它组分消失。物料主要矿物组成为：C4A3Š,C2S,2C2S·CaSO4,f-CaSO4和少量铁相(C6AF2)1300℃：2C2S·CaSO4消失。熟料主要矿物为：C4A3Š,β-C2S,α′-C2S,铁相及CaSO41300-1400℃：矿物无明显变化。1400℃以上：C4A3Š和CaSO4开始分解，熟料出现融块。硫铝酸盐水泥熟料的烧成温度为：(1350