高强低钙硅酸盐水泥的应用
时间：2021-01-09 08:01:01 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：随着不断发展现代城市化建设，我国建筑行业获得了巨大的发展，一方面我国建筑行业因为巨大的市场需求被给予了大量的发展机会，然而另一方面提高地社会生产水平也对建筑行业的施工材料和施工技术提出了更高的要求。施工材料的质量对于一个建筑施工项目而言，是可以影响建筑项目工程质量的重要原因，所以我们必须进行开发与使用不同的新型建筑材料。硅酸盐水泥是进行新型材料运用的重要发展方向，其在节约建筑用材成本和提升项目工程建筑质量等都有着亮眼的表现。
关键词：高强低钙硅酸盐水泥；碳化；应用分析
1 前言
水泥自1824年诞生至今，已有190多年的历史，是目前用量最大、用途最广的人造建筑材料。普通硅酸盐水泥以硅酸三钙（C3S：50%～65%，质量分数）为主要矿物，熟料烧成温度较高，通常为1450℃。在不考虑其他热损失的前提下，熟料烧成热耗来源于两方面：熟料矿物（主要是阿利特矿物）的高温形成；生料中碳酸盐的分解，其中碳酸盐分解热耗占熟料理论热耗的46%左右。因此，普通硅酸盐水泥熟料烧成能耗高的根本原因在于其高钙矿物设计。此外，高钙矿物设计还导致了优质石灰石和优质煤资源的过多消耗，以及温室气体CO2的大量排放，从而加剧了水泥工业的能源、资源消耗及环境负荷。碳化是水泥基材料在使用过程中自然发生的反应。但是，由于自然条件下，水泥基材料碳化速率较慢，碳化程度较低，水泥基材料碳化在整个水泥制备过程中对二氧化碳排放总量的影响一般会被忽略。近些年，加速碳化技术得到迅速发展，利用加速碳化技术激发低钙硅酸盐矿物的硬化活性不仅能大大降低矿物烧成能耗、减少烧成过程中的二氧化碳排放量，同时低钙矿物加速碳化过程能够吸收大量的二氧化碳气体。
2 硅酸钙矿物碳化反应过程
2.1 碳化反应过程
硅酸钙的碳化反应是一个放热反应，碳化过程放出大量热。此外碳化过程是一个受扩散控制的过程：反应开始，二氧化碳扩散速率较快，颗粒表层迅速形成大量碳化产物，包裹在颗粒表层形成碳化产物层，随着反应的进行，碳化产物层不断增厚，进而阻碍二氧化碳的扩散，反应速率大大降低。
硅酸钙的碳化反应是一个涉及气-液-固三相的反应过程。硅酸三钙的碳化过程具体分9步，分别如下：CO2的气相扩散；CO2的固相渗透扩散；CO2在孔溶液中溶解；CO2水化形成H2CO3，反应速率较慢，控速步骤；H2CO3电离形成H+，HCO3–，CO32–，电离速度较快，孔溶液pH值从11降到8；硅酸钙溶解释放Ca2+和SiO44–离子，由于此过程是一个循环过程，反应速率较快，同时释放大量热；CaCO3晶体成核，通过适当提高温度、引入颗粒细小的“晶种”等途径可以提高成核速率；固相沉淀，碳化初期形成文石、球霰石晶体，但是最终都转化为不定型的方解石；二次碳化，C-S-H凝胶能够逐渐碳化，最终形成S-H和CaCO3。
2.2 碳化过程影响因素
碳化过程与矿物的碳化活性和CO2的扩散速率密切相关，影响碳化过程的因素包括：碳化活性，如胶凝材料类型及组成、水化程度；CO2扩散速率，如孔结构（颗粒大小及级配、水固比、成型压力）、碳化条件（二氧化碳分压、相对湿度等）。
3 高强低钙盐酸水泥概述
传统的硅酸盐水泥成分主要是C3S、C2S、C3A和C4AF，它们与水反应速度不同，C3A反应速度最快，其次是C3S和C4AF，而C2S与水的反应速度最慢。传统硅盐酸水泥在工程建设中应用很广，但是其中存在的问题也不容忽视，水泥遇水会释放大量热量，抗裂性与耐久性较差，影响了建筑的使用寿命。低钙水泥的特性正好弥补了高钙水泥的缺陷，它具有放热低、耐久性好的优势，近年来，受到了国内外研究人员的关注，并且展开了大量的实验研究。根据其中硅酸含量的不同，低钙水泥可以分为硅酸盐水泥体系与非硅酸盐水泥体系。在非硅酸盐水泥体系的低钙水泥中，加入了早强矿物，能够有效解决C2S遇水反应慢的问题，同时也提高了早期强度，但是，此类水泥节能减排效果不佳，其推广也受到了影响。高强低钙盐酸水泥具有较低的遇水热化性能，同时有着理想的抗腐蚀性和耐磨性，收缩性非常小，其早期强度已经足够满足工程的需求，所以在建筑领域得到了广泛应用。在高强低钙盐酸水泥中，CaO、C2S含量要比C3S的含量低将近10%，烧成温度也要低约100℃。高强低钙硅酸盐水泥就充分利用了这一优势，有效降低了C3S的含量，提高了烧成效率，解决了碳酸钙的形成问题，为节能减排做出了重要贡献。
4 高强低钙硅酸盐水泥的应用研究
4.1 矿物组成优化研究
硅酸盐水泥各组成部分比例对其性能有着重要影响，其各成分之间能够相互作用。在这些成分当中，C2S 和 C3S 的比例对于硅酸盐水泥性能的影响最大，因此，合理分配这两个成分的比例，对于提高水泥整体性能有着重要意义。通过实验数据，可以得知，高强低钙硅酸盐水泥要求 C2S 的含量在 40% 以上，但是如果过高会影响熟料矿物的烧成质量，也对水泥在使用过程中的早期强度产生影响，为了解决上述问题，需要重视各组成成分问题的研究。由于硅酸盐水泥熟料的组成成分复杂，是由于复杂的矿物集合体组成，因此，在熟料强度上，其影响因素也是多种多样，当然，并非简单的强度叠加就可以计算出实际的强度，各个物质之间还存在促进作用，为了提高高强低钙硅酸盐水泥的强度，需要合理对其中各部分的组成进行优化，采取最为科学的配比方式。
4.2 热力程控研究
从化学角度来看，物质内部分布越均匀热，力学稳定性就越好，在物质内部键强和键长的变化都会影响物质的热稳定性。熟料在烧成以前，其成分分布比较分散，活性高、稳定性差。但是随着烧成过程的进行，其内部结构自动校正，最终达到稳定状态。在煅烧过程中，矿物晶型不断转型，但是随着温度逐渐降低，晶体转变程度也逐渐变小，最后趋于稳定，所以说水泥在生产过程中，热力程控是一項重要的任务。
4.3 掺杂改性研究
在水泥中掺入一定比例的杂质可以改变其液相性质和晶体的晶格完整程度，有效改善熟料矿物的水化活性变化。目前国内外相关专家已经对在熟料中掺假杂质来提高 C2S 矿物活性做出了诸多的研究，但是仍然没有对低钙硅酸盐水泥早期强度低的问题制定出行之有效的解决方案。此外，研究显示，通过添加适量的早强剂、矿物掺合料、激发剂等等，可以提高晶体从溶液中的析出速率，从而有效提升水泥的早期强度，但是一般的外加剂只能够促进铁铝酸盐与铝酸盐之间的水化，难以促进其他物质的水化，因此，目前国内外还在针对这一问题开展研究。关于高强低钙硅酸盐水泥，国内外已经做了多项研究工作，但是还尚未解决低钙硅酸盐水泥在早期强度差的问题，有学者认为，晶体本身就有着自身的缺陷，添加外加剂，只能够改变其活性，不会影响晶体本身的属性。总而言之，以内部矿物活化为基础，分析高强低钙硅酸盐水泥水化过程，改善其水化速率是下阶段研究人员重点关注的问题。
总之，在全球绿色环保、节能减排的大环境下，在水泥制作过程中减少碳的排放量、降低原燃料的消耗量是生产发展的必然方向。研究人员对矿物组成优化、热力程控、掺杂改性等方面进行了研究，这些都对高强低钙硅酸盐水泥的发展做出了重要的贡献。但是我国对于低钙硅酸盐水泥早期强度低的问题解决还没有有效的手段，还需要进一步研究与完善。
参考文献：
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