高强度复合硅酸盐水泥的研制

高强度复合硅酸盐水泥的研制陈连发，耿树东*（吉林化工学院化工与材料工程学院，吉林吉林132022；）摘要：本文研究一种高强度复合硅酸盐水泥。利用矿渣和硅质渣制备一种高强度的复合硅酸盐水泥，探讨不同掺量对水泥性能的影响，获得水泥基材料性能的互补效应。研究混合材对复合水泥体系的化学成分与物理性能的影响。通过对试验数据的分析，获得最优的混合材配比方案。关键词：复合水泥；矿渣；硅质渣；化学分析；配比中图分类号：TQ172.71+60前言复合硅酸盐水泥(以F简称复合水泥)是我国通用水泥中的一个较新的品种，它是在混合材水泥的基础上发展起来的。与混合材水泥相比，它的特点是使用两种或两种以上的混合材复合掺入水泥熟料，而且混合材的选择范围更宽[1]。更重要的是，复合水泥注重于多种混合材的物理化学效应的优势互补，选择性能优势互补的复合混合材生产复合水泥,能够改善水泥的性能,提高水泥质量,两种混合材相互弥补,使复合水泥具有较高的早、后期强度。作为结构材料，由于复合水泥是以拓宽混合材应用范围和进一步改善水泥性能为特点，符合材料未来发展的环境和资源的两大主题，使之成为近年来国内外研究的热点[2]。1实验1.1实验原材料本实验采用的水泥熟料来自冀东水泥水泥厂，矿渣来自中国吉林铁合金厂生产的粒化高炉矿渣，硅质渣来自中国吉林铁合金厂，二水石膏（CaSO4·2H2O）由冀东水泥厂生产。水泥熟料、矿渣、硅质渣的化学组成见表1。二水石膏中SO3的百分含量为47.63%。表1原材料的化学成分试验材料SiO2Al2O3Fe2O3SO3CaOMgOfCao烧失量水泥熟料21.326.543.80.7261.122.062.122.76矿渣36.2614.261.180.1839.248.360.32硅质渣72.4215.340.222.123.860.723.46fCao—代表活性氧化钙1.2水泥熟料的率值率值作为生产控制的一种指标，可以比较方便地表示化学成分和矿物组成之间的关系，明确地表示对水泥熟料的性能和煅烧的影响。我国目前所采用的是硅率SM、铝率IM和石灰饱和系数KH等三个率值。计算公式如下[3]：作者简介:陈连发（1962-）,男,黑龙江齐齐哈尔人,吉林化工学院副教授主要从事无机非金属材料方面的研究.联系方式:13704410803.32322)(OFeOAlSiOnSM（硅率控制在1.7～2.7之间）3232)(OFeOAlPIM（铝率控制在0.9～1.7之间）232328.235.065.1SiOOFeOAlCaOKH（石灰饱和系数控制在0.82～0.94之间）经过计算本课题中所用水泥熟料各项率值符合指标。1.3原材料的处理硅酸盐水泥的制备是将96％的熟料与4％的二水石膏混合后共同粉磨而成的。硅质渣加少量的水作为研磨剂单独粉磨至与上述水泥细度相当，矿渣则经过粉磨制成矿渣细粉。按照设计的配比分别与硅酸盐水泥混匀而成为复合水泥。1.4复合水泥配掺实验水泥熟料、矿渣、硅质渣全部经过105℃烘干，并用0.08mm标准筛筛除粗颗粒，按比例配合，然后按国家标准GB177-85《水泥胶砂强度检验方法》测定复合水泥的水泥砂浆3d、7d、28d三个龄期的抗折强度和抗压强度。原材料细度、熟料与混合材的配比情况和强度测试结果。见表2、表3、表4。表2原材料细度分析结果细度硅酸盐水泥石膏矿渣粉硅质渣80μm方口筛筛余（%）4.682.763.865.02表3复合水泥试样的配比%编号水泥矿渣硅质渣T1100T29010T39010T485105T575205T6801010T7702010表4水泥各龄期强度试样抗折强度/MPa耐压强度/MPa3d7d28d3d7d28dT15.05.57.125.336.355.6T25.85.28.628.444.362.0T35.36.47.324.234.854.2T46.06.37.929.042.760.5T55.96.47.426.143.263.3T65.86.58.328.744.866.1T75.96.48.126.243.165.81.5试样化学成分的测试对各试样（除空白试样T1）中的SO3、SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO、K2O和Na2O的百分含量进行测量。采用常用无机化学的分析方法，对按不同掺量配比试样中的同一化学成分进行化学分析，并列于同一表格中进行分析和总结。用于下面对宏观性能的讨论和最佳掺量的确定。2实验结果与讨论2.1养护龄期不同对强度的影响为了便于讨论和分析同一试样养护龄期不同对强度的影响，由表4可得到各试样在不同龄期的强度分布直观图(图1）。图1水泥试样的强度结果从图1中看出．同一试样，在不同龄期，强度相差较大。3天、7天强度发展来看，各试样在3天、7天的强度增长较为迅速，随着养护龄期的增加，强度增长速度变慢。在适宜的温度、湿度条件下，水泥强度增长可持续若干年，其增长规律为3-7天内最为迅速；28天达70%左右，以后增长缓慢。2.2混合材种类对水泥强度的影响为了便于讨论和分析将表4中空白试样（T1）和单掺混合材水泥抗压强度实验结果制成柱形图（图2）。图2掺不同混合材水泥抗压强度从图2中看山．单掺硅质渣时有一定的增强作用，加入10%即能增加水泥28天抗压强度6MPa。而单掺矿渣10%时，无增强作用，而且还造成其强度略低于普通硅酸盐水泥，28天抗压强度低于单掺时同百分含量硅质渣，说明在此水化阶段硅质渣要好于矿渣。2.3混合材组合配比对复合水泥强度的影响为了便于讨论和分析将表4中混合材不同组合比例水泥抗压强度实验结果制成柱形图（图3）。图3两种混合材组合不同配比的抗压强度当两种混合材复掺时，复合水泥的抗压强度都超过了硅酸盐水泥，28天抗压强度增长都在5MPa以上。硅质渣掺量为5%时，增加矿渣的量，其强度相应增加；硅质渣掺量为10%时,矿渣细粉在1O％及20％的情况下，强度相当。说明在此水化阶段，硅质渣对强度起到控制作用，矿渣起到辅助作用。根据图2-9结果分析，当矿渣与硅质渣以1：1的比例复合时（T6）,复合水泥28d的强度最高,说明此复掺比例是产生强度优势互补效应的最佳比例。2.4不同掺量对凝结时间的影响实验记录如下表：表5混合材不同掺量对凝结时间的影响试样加水时间初凝时间终凝时间现象T18：159：3510：39水分吸收慢T28：189：2611：02水分吸收快T38：219：4010：58比T1稍慢T48：2410：1211：09比T2稍慢T58：2710：3611：53比T3快，慢于T4T68：3010：0011：50与T4相近T78：3310：2411：32与T3相近单掺硅质渣缩短了水泥的凝结时间，而矿渣则延长了凝结时间。双掺时硅质渣掺量多，凝结时间也缩短。这种现象与两种混合材的特性有关。硅质渣是硫酸铝制造过程中产生的，所有的矾土经过低温煅烧和硫酸处理后，其废渣中含有大量活性无定形SiO2、Al2O3。属于软质火山灰混合材，其需水量较大，且水化活性较高[4]。在水化早期就能参与水泥水化体系中的二次水化反应，因而增加了水泥的需水量，并缩短了凝结时间。另外，为调节水泥凝结时间，在水泥中掺适量(3-5%)石膏，与C3A作用生成钙矾石(3CaO·A12O3·3CaSO4·31H20)和难溶于水、稳定的针状晶体单硫型水化硫铝酸钙(CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O)，C-A-S-H。2.5水化机理硅质渣与矿渣都属丁活性混合材。前者化学组成主要是SiO2、A12O3。后者以CaO、SiO2、A12O3为主，两者在水泥水化体系中都能与砖酸盐水泥熟料水化出的氢氧化钙(CH)发生二次水化反应，生成水化硅酸钙(C-S-H)凝胶与水化硫铝酸钙等有效水化产物。但前者反应较快[5]，在水化早期可促进水化体系形成胶凝结构，缩短了凝结时间，提高了早期强度与后期强度。而矿渣中则含有β-C2S等矿物．其水化速度很慢，如果其细度与硅酸盐水泥细度相当，则其早期强度要大大低于硅酸盐水泥的强度[5]。本研究中矿渣很细，可以提高其水化速度。但矿渣掺量10%时，其水化不充分，二次水化产物在此阶段还不足以达到增强的作用，故强度要低于对比水泥的强度。在136℃～150℃是水化硅酸钙及三硫型水化硫铝酸钙的脱水热效应，481℃是CH脱水的吸热峰[6]。水泥水化28d时，复合水泥体系中CH的吸热峰小于硅酸盐水泥水化体系中CH的吸热峰。说明前者水化体系中CH的含量要小于后者。主要是在前者水化体系中CH与混合材进行了反映。水化28天时，复合水泥浆体中已见不到CH晶体，水化产物主要是C-S-H凝胶，而硅酸盐水泥浆体中仍有较大的CH晶体存在，同时还有未转化的针状钙矾石(三硫型水化硫铝酸钙)存在[6]。说明由于没有混合材，二水石膏的反应也较为缓慢。复合水泥由于两种混合材中都含有活性Al2O3，可以与二水石膏反应生成钙矾石。其反应速度加快，当二水石膏反应完之后，针状钙矾石就转化为单硫水化硫铝酸钙。3结论本文通过对高强度水泥基材料的试验研究，得出以下主要结论：1、运用硅酸盐水泥熟料、矿渣、硅质渣双掺，在普通成型工艺下制备出一种高强度复合水泥，其28天抗压强度可超过对比水泥的强度5MPa以上。2、建议抗压强度最大的矿渣、硅质渣双掺水泥的混合材配比方案为：双掺掺量为20%（矿渣与硅质渣为1：1）、水泥为80%（水泥熟料与二水石膏为96：4）、水灰比为0.45。3、两种混合材中，硅质渣增加了水泥需水量，缩短了水泥的凝结时间。在28天内硅质渣对水泥强度起主要的控制作用，矿渣细粉起辅助作用，两者的互补性很好。4、两种混合材复掺时的增强作用，主要来源于活性组分与水泥水化体系中CH的二次水化反应，生成了水化硅酸钙和水化硫锅酸钙等有效水化产物。5、对高强水泥基材料来说，在适宜的温度、湿度条件下，水泥强度增长可持续若干年，其增长规律为3-7天内最为迅速，7天强度可达28天强度的70%-80%；28天达70%左右，以后强度增长缓慢。