铁铝酸水泥的研究现状与发展前景

铁铝酸水泥的特性与应用0前言我国水泥被分为通用硅酸盐水泥和特种水泥两大部分，由于可靠的性能和低廉的价格，通用硅酸盐水泥广泛用于一般土木建筑工程。但通用硅酸盐水泥无法满足特殊工程的技术要求，例如快凝、快硬、耐火，紧急工程的修补堵漏或者具有某些良好施工性能。由于特种水泥的生产成本较高，工艺相对复杂对原料的品位要求严格，不如普通硅酸盐水泥应用广泛，但是它在化工、冶金、石油等行业的应用是普通水泥达不到的。目前对特种水泥的分类方法很多，根据水泥熟料中所包含的主要矿物相分为硅酸盐水泥(C3S、铝酸盐水泥(CA)、硫铝酸盐水泥(C4A3)等;根据水泥的应用情况分为道路水泥、彩色水泥、砌筑水泥等根据水泥的功能分为:防辐射水泥、耐高温水泥、耐腐蚀水泥、快硬高强度水泥等。中国建材科学研究院70年代发明了以C4A3S-和B-C2S为主要矿物组成的硫铝酸盐水泥，在此基础上，1985年又成功地研制T以C4A3S-、C4AF、^C2S为主要矿物组成的铁铝酸盐水泥新品种系列，并于1987年12月荣获国家创造发明二等奖，该水泥系列是中国特有的新品种水泥系列。作为第三系列水泥之一铁铝酸盐水泥具有早强、高强、耐腐蚀、抗渗、抗冻、耐磨和抗海水冲刷，后期强度潜伏力较大并可在负温下施工的优良特性，其力学性能优于普通水泥，可以广泛应用于混凝土结构施工中。铁铝酸盐水泥在水化过程中有稍微的膨胀性且对新老混凝土的胶结能力强克服了普通硅酸盐水泥混凝土硬化收缩产生开裂的缺点，可用于混凝土表面破坏的修补。1研究现状1.1熟料矿物组成分析铁铝酸盐水泥的主要矿物相为铁相、无水硫铝酸钙和硅酸钙，并含有少量的C12A7相和其他“杂质”矿物相。铁铝酸盐水泥熟料不同于硅酸盐水泥、铝酸盐水泥等最明显的地方在于铁相含量。铁相是C2F,C6A2F,C4AF,C6AF等矿物的总称，经研究发现在铁铝酸盐中还可固熔镁、硅、碱金属以及钦、锰、铭等的氧化物形成更复杂的物相。铁铝酸四钙是铁相固溶体中最具代表的水硬性矿物其化学式为4Ca0-A1203-Fe203简写成C4AF，由于三氧化二铁的引入致熔点较低1415C。C4AF具有较好的水化性能且水化强度能持续增长28d单矿物耐压强度为40.74MPa,水化至96d时强度可增加到65.70MPa。由于该相能在提高水泥的韧性和耐硫酸盐腐蚀等方面具有很好的效果，因此高铁水泥一般用在腐蚀性大的工程上保证其具有较好的耐久性。它的水化速度快于C3S而较远慢于C3A，不会导致水泥出现急凝现象且在四种铁相里水化放热量最低，其水化反应及其产物与C3A很相似。铁相的水化过程受温度影响较大在20对以上，六方片状的C4(A,F)H13要转变成C3(A,F)H6，这种晶型转变会产生体积膨胀，所以铁相含量高的水泥都具有微膨胀性，与普通硅酸盐水泥硬化后的体积收缩相反.高铁水泥熟料在掺入适量的石膏后能显著降低C4AF水化过程产生的膨胀应力，这在抑制水泥石浆体过度膨胀而开裂具有较好作用。C12A7的化学式为12CaO・7Al2O3,属于立方晶系，通常呈现出绿色，熔点是1415^-1495^。具有较高活性的C12A7水化和凝结硬化速度也是非常迅速，初凝时间仅为5min，终凝为7min，根本来不及施工。但强度发展不如CA高，28d强度为15.0MPa且后期容易倒缩与CA相似受温度影响较大。当水泥熟料中的C12A7含量较多时，水泥易出现快凝，施工性差甚至后期强度倒缩的现象，对水泥硬化强度产生不良影响；少量的C12A7能促进C4AF和CA的水化进程，因此必须严格控制该相在铁铝酸盐水泥中的含1.2熟料化学组成分析其他种类水泥都尽量降低或严格控制铁的含量，而铁铝酸盐水泥熟料中三氧化二铁(Fea03)的含量却高于13wt%，大量三氧化二铁(Fea03)的引入势必对熟料的烧成、窑皮的损毁产生不利影响，因此三氧化二铁(Fea03)含量高的水泥一般采用电熔法生产。熟料中也含有三氧化二铝(A1a03)氧化钙(Ca0)和二氧化硅(SiOa)及碱金属氧化物等成分。下面为各个氧化物的作用：三氧化二铝(A1a03)是保证铁铝酸盐水泥的基本成分，FONDU水泥中A1203含量＞37.0%oA120:含量高低极大程度影响熟料矿物相，当生料中Al2O3含量很低时，熟料易出现C12A7且生成量大，这使熟料出现凝结硬化过快，来不及施工，水化强度低的不良现象;相反，作为一种耐高温氧化物，配入量过多易引起熟料的烧成温度升高，造成能耗增加。氧化钙(Ca0)对水泥矿物相形成和生料易烧性的影响与Al2O3却截然相反，当生料中配入的Ca0含量过低时，不利于液相的生成，熟料烧成温度高;如果配入的Ca0含量过高，熟料中易出现C12A7急凝矿物，还有少量的f-Ca0没有被完全吸收，这两种物相的出现均会导致水泥出现凝结硬化快，强度不高且水泥安定性差的后果。二氧化硅(SiOa)易和氧化钙(Ca0)及三氧化二铝心侣03)在9000C反应生成低温矿物相钙铝黄长石(C2AS)，这种物相不具有水化活性，相反对其他水化物相的“包裹”、“参杂”对水化强度产生不良影响，应控制二氧化硅(SiOa)在生料中的含量，但适量(5wt%)能促进水泥烧结，降低烧成温度，增加液相量。三氧化二铁(Fea03)在硅酸盐水泥熟料中的含量在5-6wt%，形成的C4AF被当作助熔剂矿物，而在铁铝酸盐水泥熟料中含量在15wt%左右，这导致其烧成温度低且范围窄，需严格控制温度，生成的铁相是主要水化矿物相，如果温度烧成温度低，铁相主要为CaF,CF，胶凝性很差，烧成温度过高易导致C4AF分解。2生产应用水平2.1工业生产状况从生产铝酸盐水泥发展到硫铝酸盐水泥，对铝质原料要求A1203含量由70%左右下降到55%。但是，自然界含A12O3达55%的资源毕竟有限，这给大规模生产硫铝酸盐水泥带来一定限制。为了扩大原料资源，70年代末，中国建筑材料科学研究院开展了以Fe2O3，取代部分A12O3的研究。经过多年工作，取得了成功。继硫铝酸盐水泥系列之后，又出现了铁铝酸盐水泥系列。根据大量试验和生产实践结果，其中快硬铁铝酸盐水泥熟料矿物组成被确定为：C4A3S-30%-45%;铁铝酸盐相20%~30%；B-C2S15%~25%。在实际生产中，将生产硫铝酸盐水泥所用的铝矾土被铁矾土及少量铁矿粉校正材料代替，在满足C4AF和C4A3s-矿物匹配条件下，可生产高质量的铁铝酸盐水泥。铁铝酸盐水泥生料一般在普通回转窑内煅烧，要求在氧化气氛中进行，尽量避免还原气氛。其烧成温度较低，控制在1250〜1350对范围内，可见烧成范围较宽，为100oC。生料中虽然含有大量铁，由于矿物都是通过固相反应而形成，液相很少，所以操作比较容易，没有结圈的危险。烧制出来的熟料质地疏松，易磨性很好。与硫铝酸盐水泥熟料相似，通过调节铁铝酸盐水泥熟料与石骨的配合比，可以生产快硬、膨胀和自应力等铁铝酸盐系列水泥。国家建材院研制的高铁硫铝酸盐水泥的煅烧温度只有1300对且易磨性好，远低于普通硅酸盐水泥，这说明铁相含量高的水泥在节能方面具有很大优势。而且它利用低品位的铁铝矾土，这说明铁铝酸盐水泥也可有较大原料利用空间。研制铁铝酸盐水泥强度时曾发现7天到28天之间的抗折强度有倒缩现象。通过大量试验后发现，制备水泥时掺入一定量石灰石可以消除强度倒缩问题，从而解决了铁铝酸盐水泥获得实用性的技术关键。其中快硬铁铝酸盐水泥是由熟料、石灰石和二水石膏三个组分，经混合粉磨而成，粉磨时，比表面积控制在大于4000cm2/go2.2主要特性与用途铁铝酸盐水泥熟料主要矿物为C4A3S-,在性能上与硫铝酸盐水泥有许多类似之处：早强、高强、高抗渗、高抗冻、耐腐蚀等，并可在很大范围内调节其膨胀性能。然而，这两种水泥水化体组分尚存在一定差别，致使水泥性能在共性的基础上还有如下一些不同之处。在砂浆配置过程中，用普通硫铝酸盐水泥配制的砂浆和混凝土表面往往会出现“起砂”现象或称“粉化”现象，这是因为表面失水过快而内部的水分来不及补充，以及该种水泥水化液相pH值较低。有些低碱度水泥如无熟料水泥，其配制的砂浆和混凝土构件表面也常常产生类似的起砂现象。而快硬铁铝酸盐水泥配制的砂浆和混凝土表面非但没有起砂现象，而且像高强硅酸盐水泥配制的砂浆和混凝土表面那样洁净、光滑和坚硬，其原因显然应归结于它的水化液相pH值较高。在冬季施工工程中，采用铁铝酸盐水泥系列中的快硬铁铝酸盐水泥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。在冬季施工中最好。该品种与普通硫铝酸盐水泥系列中的快硬硫铝酸盐水泥相比，放热速度快，放热量较集中，更有利于冬季施工。另外，快硬铁铝酸盐水泥没有早期钢筋锈蚀和“起砂”等问题使用安全性更好。在海洋工程方面，铁铝酸盐水泥水化产物中的凝胶体除铝胶外，还有大量铁胶，这些水化特征使水泥石抗海水冲刷和抗腐蚀性能优良，其耐蚀性优于硫铝酸盐水泥。铁铝酸盐水泥经过水化硬化之后，形成的水泥石结构致密，该水泥理论水灰比与实际水灰比很接近加之在不断水化过程中形成C-S-H凝胶，水泥石毛细孔的空间得到不断的充填和密实，使水泥石有一个较好的水胶比，孔隙率比OPC低，而且孑径较小。研究表明铁铝酸盐水泥是一种理想的固化氯离子的胶凝材料，抗氯离子侵蚀性能优于OPC凝土，且随着水胶比的减小，抗氯离子侵蚀性能明显提高。因此，其被称为“最理想的海洋工程用水泥品种”在钢筋保护方面在对长期使用的铁铝酸盐水泥钢筋混凝土制品和建筑物的实际考察中，没有发现钢筋锈蚀现象。这是因为铁铝酸盐水泥水化液相碱度较高，液相pH12~13，钢筋表面形成了钝化膜，保护钢筋不会被锈蚀。并且该种水泥混凝土结构非常致密，内部自由水和氧气含量又较低，所以可以有效防止钢筋锈蚀。在自应力水泥压力管的生产中，自应力硫铝酸盐水泥与自应力铁铝酸盐水泥相比，前者自应力值较高，膨胀稳定期较长，使用安全性较差，以至管子破裂现象时有发生，阻碍了自应力水泥压力管的发展与应用。解决自应力水泥压力管安全性的最佳选择是采用自应力铁铝酸盐水泥。这种水泥虽然自应力值低些，但因为它在水化过程中产生较多的Ca(OH)，加速了AFt的形成，使膨胀稳定期缩短。同样由于水化液相碱度较高，没有钢筋锈蚀问题，使用安全性比自应力硫铝酸盐水泥好得多。3发展趋势3.1水泥性能改进快硬铁铝酸盐水泥大多存在凝结时间过短的问题不能满足日益发展的商品混凝土的要求，因此需要研究延长或调节凝结时间的有效技术途径；对于膨胀自应力铁铝酸盐水泥，应加强对其膨胀机理的理论研究，充分掌握膨胀组分及其含量、水泥的使用或养护条件及混凝土配制工艺对膨胀或自应力混凝土的膨胀量和稳定期的影响，并在此基础稳定产品质量，保证膨胀自应力水泥的安全和有效使用等。此外，适应水泥工业发展的趋势以及现代建设对材料性能要求和供应强度的进一步提高特种水泥的生产将更多地出现以新型干法生产线为主，即逐渐进入集约化和规模化的时期。3.2以节能为中心未来铁铝酸盐水泥还会有大的发展，且一定是以节能减排为核心，遵循可持续发展，减少环境负荷。，首先应从探索水泥矿物的组成入手，研究开发新的节能型矿物即低钙低烧成温度及易磨性好的矿物和矿物体系，并系统地研究其共存条件及工业生产的可能性。其次是综合利用工业废渣，实现节能降耗、变废为宝的生产目标。目前已研究成功利用煤矸石生产快硬早强水泥、利用粉煤灰生产砌筑水泥、利用矿渣生产低热微膨胀水泥。另外，我国每年废弃的金属尾矿数以亿吨计如能以其为原料发展低钙低烧成温度的节能水泥和高效矿化剂，并在性能上与硅酸盐通用水泥相竞争，每年至少可多利用工业废渣和尾矿达100万to4总结如今在中国，铁铝酸盐水泥已成功地应用于各种建筑工程（尤其是冬季施工工程）、海