铝酸钙水泥高性能混凝土.doc

铝酸钙水泥高性能混凝土 Karen L. Scrivenera,*, Jean-Louis Cabironb, Roger LetourneuxbaLafarge, LaboratoireCentral de Recherche, 95 Rue du Montmurier, 38291 St. Quentin Fallavier, FranceLafarge Aluminates, Paris, FranceReceived 16 September 1998; accepted 11 May 1999摘要 铝酸钙水泥有一个完全不同的化学波特兰水泥然而，主要由于其较高的成本，他们不直接与波特兰水泥在一起。然而基于这些水泥混凝土具有很高的具体应用的性能。下面是文章中讨论的重点：抗酸性，特别是生物腐蚀和耐磨液压结构。这种应用扩展到胶凝材料的应用中。 1999 Elsevier Science Ltd. All rightsreserved.关键词：铝酸钙水泥、高性能混泥土、抗酸性、抗磨性、耐震性。1、 引言 “高性能”往往是等同的，确切的说，随着高性能的出现，虽然越来越重视耐久性。不管怎样，这点在运用于具体建筑结构必须坚定的。一个公认的观点，混泥土水泥有替代和抗争其他材料的能力。如金属或塑料，或结合他们实现高水平的性能。 铝酸钙水泥是比波特兰水泥贵很多的（大约4到5倍），于是没有竞争，后者在任何应用程序在常规或高性能混凝土由波特兰水泥制成的表现令人满意。不管怎样铝酸钙水泥也有应用在独特的性能，使它们能够被用在重要场合中它们往往有竞争力。这种高性能混凝土延伸应用到凝胶材料中。 本文介绍的基本化学和微观结构铝酸钙水泥混凝土，这是对于这些独特性能的材料的负责。下面是两个高性能应用的详细介绍：使用在污水处理网络，其中硫酸发电的细菌是一个问题，和运用在大坝建设中抵抗磨损的关键。这两个例子说明在特殊情况下不能一概而论，从耐久性强度和性能测试必须具体适应使用条件。2、 化学微观结构 波特兰和铝酸钙水泥基本差异（铝酸钙水泥）在于使凝结和硬化性质的活跃期。波特兰水泥在形成硅酸三钙和硅酸二钙的时候包涵氧化钙和氧化硅这些重要的氧化物。在与水反应的时候，无定形硅酸钙水合物和结晶氢氧化钙是主水合物组成。对照来看，铝酸钙水泥主要是氧化钙和氧化铝，很少有硅。这些联合给以铝酸一钙为主要活性相的水泥，与水反应为铝酸钙水合物。铝酸钙水泥的两个主要的应用领域（这不在本文讨论）在难治性混凝土用于工业过程中涉及的高的温度和所谓的“化学”，它往往是一个组成部分复杂的混合物，矿物和有机成分应用如自流层和瓷砖水泥。除了这些主要领域，还有一个巨大的多样性的应用，其中之一是使用传统的混凝土在恶劣的环境中提供良好的耐久性。 尽管存在着一些特殊的波特兰水泥，如抗硫酸盐或白色水泥，钙铝硅酸盐水泥的化学成分范围远小于家庭日常生活中使用的水泥。标准等级的水泥包含约4050% 氧化铝和石灰石、铝土矿一般完全融化在反应炉。成分等级中含有多达80%的氧化铝是用于烧结耐火材料的。表1给出了近似化学成分的标准等级，在这里这是用于混凝土讨论。 在与水反应形成水合物的性质依赖于水化的温度，如图1所示在较低温度下十水铝酸钙是第一个水合物形成，中间温度八水铝酸二钙和三水氧化铝，和在较高的温度六水铝酸三钙和三水氧化铝。稳定阶段是六水铝酸三钙和三水氧化铝，和这些在其他阶段的转换的速度必然依赖于温度和水分。六水铝酸三钙的密度是最高的铝酸钙水合物，导致在一定程度水化中有一个较高的孔隙率。然而，转换反应，也导致释放水，可进一步反应剩余的无水材料。因为这个原因铝酸钙水泥混凝土的强度发展曲线，在小部分在环境温度下具有形式如图2，随着最初的迅速增加到一个早期强度高处（相当于CAH10和C2AH8）在进一步增强前是一个缓慢下降到最低处（在变化为C3AH6和AH3的时候）的形式。控制初始水灰（瓦特/丙）率是对于应用和设计确保最低强度是足够的必须永远是对的这一长期强度根据非常重要的。在60年的实践和实验室的经验表明，良好的长期耐久性要求的水灰比最多0.4，并在这就需要一个没有减水剂水泥含量超过400千克/立方米。 由于快速水化反应，在水化初期有大量热释放。这样释放的后果是，部分超过几十厘米厚的部位温度将达到高达70或出现固化。因此，转换反应几乎瞬间发生，导致强度发展连续不断的增强（图2）。 影响水灰比和混凝土在未转化的转化在背散射电子显微下可以看到相当生动地画面（图3、4、5）。水在20导致结构致密，所有的水灰比在0.3到0.7之间低的孔隙率。然而，在70控制转换结构在0.4水灰比处密集，而在0.7处出现大孔的组织结构不良。进一步分析水化的细节在铝酸钙水泥中可以找到其他功能 1 , 2 。 当然，转换可能会影响其他性能，虽然化学影响水合物类型物理影响的孔隙度是经常混淆。例如，在转换过程中的酸碱度的改变是最小的不会导致钝化的加固（不变点的转换和转换相组合在25是CAH10+C2AH8+aq, pH=12.13,C3AH6+AH3+ aq, pH=11.97)在实践中由于存在少量碱金属，酸碱度价值会更高，然而，可能出现的由于碳化钝化（如波特兰水泥），这可能在多孔混凝土是更迅速的。3、 耐化学腐蚀3.1.酸侵蚀 酸性环境中提供最好的化学攻击液压水泥的条件，在自然界这是最基本的。所有的混凝土，铝酸钙水泥和波特兰水泥都将在这些条件和能力提供一个可接受的使用寿命取决于几个因素，主要是供应率的酸和能力的混凝土中和酸。影响孔隙率取决在服务条件和在某些情况下可能是一个重要参数。 波特兰水泥是容易受到酸的攻击，因为氢氧化钙迅速溶解和开放孔隙度的进一步渗透，然后在深度的增加继续攻击混凝土。该肽凝胶也脱钙离开无结构的二氧化硅形成凝胶。在酸性攻击下典型的波特兰水泥混凝土表面变得非常粗糙和厚度发生损失通过攻击的水泥浆体和由此产生的骨料弹出。 铝酸钙水泥的良好性能关键在于水合物的性质，特别是氧化铝水合物（通常结晶形式的是三水氧化铝，AH3，但是这一阶段往往是结晶程度很差的铝酸钙水泥浆体，所以一般氧化铝水合物是首选）。氧化铝水合物PH值稳定下降到3或4以及溶解含有钙成分的其他水合物导致形成更多的填充物，在这一阶段填充毛孔，保护混凝土遭受进一步的腐蚀和一般的光滑攻击，表面有较少的损失。如式（1）C3AH6 + 6H1 3Ca21 + 2A1(OH)3 + 6H2O在pH值大约3.5以下是氧化铝水合物溶解，但是在这样的情况下做酸中和发现如式（2） AH3 6H1 2A131 + + 6H2O总的来说，中和反应显现平衡如式（3） C3AH6 + 2AH3 + 24H1 3Ca21 + 6A131 + 24H2O在这些低pH值将存在于表面和不受影响的混凝土内部之间的区域内，其中沉积氧化铝水合物提供障碍渗透酸。图5显示了一个显微照片从一个30岁的下水管道衬料显示这种致密的微观结构主要含有水合氧化铝。 比较波特兰和铝酸盐水泥中和酸能力如图6。实验测定中和能力是很困难的，因为传统的滴定程序中的值返回接近中性，在滴定的时候对于氧化铝没有衡量的参照。图6中数据显示具有中和能力的酸钙水泥砂浆含有合成骨料。这种骨料是由一个类似铝酸钙水泥生产工艺和具有铝酸钙水泥类似的组成做出来的。这种骨料显然与水泥浆体有非常良好的粘接。因此攻击面是很均匀，具有充分中和能力的骨料总可以实现中和。3.2.生物腐蚀 特定情况下酸攻击可以发生在有细菌积聚的污水的下水道中。厌氧细菌生活在污水中将硫酸盐和污水转变为硫化氢，这反过来滋养的另一种形式的好氧菌，特别是在下水道的顶部转换硫化氢为硫磺酸。这就是所谓的生物腐蚀。在混凝土表面的酸碱度可能达到pH低于2。这种酸循环是在特定的环境下变的更加恶化（长时间停留的污水，温度升高，丰富的废水，低通气，和湍流）当这些条件特别严重或存在结合，波特兰水泥内衬迅速恶化并没有给予足够的性能。 这种复杂的现场条件在实验室中是很难复制的，而是在汉堡大学的一个模拟室了，从而在加速降解过程的20倍以上的优化条件下thiobacille茁壮成长。图7显示了波特兰水泥砂浆，铝酸钙水泥砂浆和加了骨料的铝酸钙水泥砂浆测试结果。从这种添加剂的作用可以看出不但在总体退化程度衡量的体重有所减轻，而且对pH值的改变有缓冲作用。 这些实验数据通过现场测验得到了证实。在下水道进入孔处停留的砂浆块状物和退化的数量来衡量体重减轻的标准和混凝土深层中和。表2显示的各种数据为加有硅质和合成集料的铝酸钙水泥，波特兰水泥以及加有砂浆和硅质砂的波特兰水泥的比较。 当被酸腐蚀时，转换和未转换水合物都为水合氧化铝凝胶阻挡孔隙，所以转换的程度没有影响的速度攻击，所示结果如表3 4 。在混凝土衬砌情况下适用于铸铁管管道安装前，水管受到了蒸养处理前设置一个加速固化的工艺来保证形成的水合物处于稳定的阶段。铝酸钙水泥应用在恶化的进入孔和下水道，相对较高的环境温度下发生细菌腐蚀会导致混凝土在几年或更少时间后转换。 这里有许多现实中的例子。在澳大利亚和南非在20世纪50年代这些含有固体点混凝土污水管道被安装，在上世纪50年代的 Kuala Lumpur 以离心机分离使波特兰管道布满铺上铝酸钙水泥砂浆，及应用在开罗在上世纪80年代和90年代在美国。所有的这些到现在都展现了良好的性能。对于这样的申请，铝酸钙水泥混凝土和砂浆主要的竞争对手是环氧树脂涂料。这些涂料在某些方面可以提供更良好的性能，但更昂贵，容易会起泡和分层。4、 耐磨性 混凝土的耐磨性，这是有关在特定的条件下，尽管存在着一些试验方法还是难以量化，因为实际情况可能不同，以及由于不同结构的组合发生的转换退化。然而观察用在耐磨环境下的铝酸钙水泥混凝土性能良好的表现导致它被越来越多地用于容易磨损液压水坝（溢洪道闸门，大门，和冲洗隧道的衬里）。这些反过来又成为各种测验方法来评估各种才来的性能。图8显示一些试验耐磨，空化，与冲击性能的方法。这些是基本的经验方法。比较其中的一些测试结果，如表4所示。这些表明，含有合成集料的铝酸钙水泥混凝土比波特兰水泥混凝土（甚至更高性能混凝土，硅粉）和相似的花岗岩块明显优越，已被广泛应。文献的应用可以追溯到1984的瑞士，包括运用在瑞士，法国，瑞典，秘鲁，和菲律宾。最近在印度试验混凝土在快速流动的条件下磨蚀的试验（快速流动的水，50米/秒，带电细粉）表明，降解3050毫米高性能的波特兰水泥/硅灰混凝土与钢纤维，相当于铝酸钙水泥/合成集料水泥的25毫米。 这些在性能方面的结果必须与安装成本相对比，如表5所示处于比较基础的层面上（相对于传统的混凝土）。可以看出较高材料成本的铝酸钙水泥转变成一个安装成本大于传统混凝土两年半的时间，但比经常受磨损的花岗岩块和大大低于钢或铸铁的板快只有一半的安装成本。因此，铝酸钙水泥混凝土在成本效益的基础提供了一个可行的解决方案，这说明了将铝酸钙水泥推广到凝胶材料的方式保存了这些材料的优势（即，在室温温度下将液体转变为固体） 混凝土负责抵抗机械磨损的显微特征不是众所周知。在建立在硅粉基础上的高性能波特兰的混凝土中，有一个平稳耐磨强度的增长。然而在香港大学进行的测验表明，加有合成集料的铝硅酸水泥拥有两倍于相当量的基本波特兰水泥耐磨强度。认为铝酸钙水泥的优良性能归功于在合成集料和泥浆之间形成了一种优良的界面粘合剂。图9显示，为合成集料和泥浆之间的铝酸钙水泥和正常的波特兰以及波特兰硅灰水泥的背散射电子显微镜图。与界面过渡区（界面）在波特兰水泥混凝土，目前没有迹象增加孔隙度的总量接近。在波特兰水泥混凝土中不像界面过渡层，不存在增加孔隙度来增加合成集料的迹象。壁效应观察在波特兰水泥混凝土，在少量结晶水不能有效包住的较大的合成集料表面的地方，必须出现铝酸钙水泥混凝土。然而，流动性较高的铝离子（与二氧化硅）导致在水合物整个界面出现更广泛沉积。这一点，再加上在一定程度上在其表面本身可以反应，在成熟的混凝土中足以减轻这种效应。此外，在其合成集料表面的部分反应总导致少量被遗弃的反应相（含铁）延伸向泥浆。这可提高泥浆和合成集料的机械互锁。泥浆和合成集料之间的相似性与良好的界面粘结甚至会导致表面磨损，避免形成孔洞