鋁酸鈣水泥高性能混凝土

1、鋁酸鈣水泥高性能混凝土KarenL.ScriveneraJeanLouisCabironbRogerLetourneuxbaLafargeLabatoireCentraldeRecherche95RueduMontmurier38291St.QuentinFallavierFranceLafargeAluminatesParisFranceReceived16September1998accepted11May1999摘要鋁酸鈣水泥有一

2、個(gè)完全不同的化學(xué)波特蘭水泥然而，主要由于其較高的成本，他們不直接與波特蘭水泥在一起。然而基于這些水泥混凝土具有很高的具體應(yīng)用的性能。下面是文章中討論的重點(diǎn)：抗酸性，特別是生物腐蝕和耐磨液壓結(jié)構(gòu)。這種應(yīng)用擴(kuò)展到膠凝材料的應(yīng)用中。?19991999ElsevierElsevierScienceScienceLtd.Ltd.AllAllrightsreserved.rightsreserved.關(guān)鍵詞：鋁酸鈣水泥、高性能混泥土、抗酸性、抗磨性

3、、耐震性。1、引言“高性能”往往是等同的，確切的說，隨著高性能的出現(xiàn)，雖然越來越重視耐久性。不管怎樣，這點(diǎn)在運(yùn)用于具體建筑結(jié)構(gòu)必須堅(jiān)定的。一個(gè)公認(rèn)的觀點(diǎn)，混泥土水泥有替代和抗?fàn)幤渌牧系哪芰?。如金屬或塑料，或結(jié)合他們實(shí)現(xiàn)高水平的性能。鋁酸鈣水泥是比波特蘭水泥貴很多的（大約4到5倍），于是沒有競爭，后者在任何應(yīng)用程序在常規(guī)或高性能混凝土由波特蘭水泥制成的表現(xiàn)令人滿意。不管怎樣鋁酸鈣水泥也有應(yīng)用在獨(dú)特的性能，使它們能夠被用在重要場(chǎng)合中它們往

4、往有競爭力。這種高性能混凝土延伸應(yīng)用到凝膠材料中。本文介紹的基本化學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)鋁酸鈣水泥混凝土，這是對(duì)于這些獨(dú)特性能的材料的負(fù)責(zé)。下面是兩個(gè)高性能應(yīng)用的詳細(xì)介紹：使用在污水處理網(wǎng)絡(luò)，其中硫酸發(fā)電的細(xì)菌是一個(gè)問題，和運(yùn)用在大壩建設(shè)中抵抗磨損的關(guān)鍵。這兩個(gè)例子說明在特殊情況下不能一概而論，從耐久性強(qiáng)度和性能測(cè)試必須具體適應(yīng)使用條件。2、化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)波特蘭和鋁酸鈣水泥基本差異（鋁酸鈣水泥）在于使凝結(jié)和硬化性質(zhì)的活躍期。波特蘭水泥在形成硅酸三鈣

5、和硅酸二鈣的時(shí)候包涵氧化鈣和氧化硅這些重要的氧化物。在與水反應(yīng)的時(shí)候，無定形硅酸鈣水合物和結(jié)晶氫氧化鈣是主水合物組成。對(duì)照來看，鋁酸鈣水泥主要是氧化鈣和氧化鋁，很少有硅。這些聯(lián)合給以鋁酸一鈣為主要活性相的水泥，與水反應(yīng)為鋁酸鈣水合物。鋁酸鈣水泥的兩個(gè)主要的應(yīng)用領(lǐng)域（這不在本文討論）在難治性混凝土用于工業(yè)過程中涉及的高的溫度和所謂的“化學(xué)”，它往往是一個(gè)組成部分復(fù)雜的混合物，礦物和有機(jī)成分應(yīng)用如自流層和瓷磚水泥。除了這些主要領(lǐng)域，還有一個(gè)

6、巨大的多樣性的應(yīng)用，其中之一是使用傳統(tǒng)的混凝土在惡劣的環(huán)境中提供良好的耐久性。盡管存在著一些特殊的波特蘭水泥，如抗硫酸鹽或白色水泥，鈣鋁硅酸鹽水泥的化學(xué)成分范圍遠(yuǎn)小于家庭日常生活中使用的水泥。標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的水泥包含約40–50%氧化鋁和石灰石、鋁土礦一般完全融化在反應(yīng)爐。成分等級(jí)中含有多達(dá)80%的氧化鋁是用于燒結(jié)耐火材料的。表1給出了近似化學(xué)成分的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，在這里這是用于混凝土討論。在與水反應(yīng)形成水合物的性質(zhì)依賴于水化的溫度，如圖1所示在較

7、低溫度下十水鋁酸鈣是第一個(gè)水合物形成，中間溫度八水鋁酸二鈣和三水氧化鋁，和在較高的溫度六水鋁酸三鈣和三水氧化鋁。穩(wěn)定階段是六水鋁酸三鈣和三水氧化鋁，和這些在其他階段的轉(zhuǎn)換的速度必然依賴于溫度和水分。六水鋁酸三鈣的密度是最高的鋁酸鈣水合物，導(dǎo)致在一定程度水化中有一個(gè)較高的孔隙率。然而，轉(zhuǎn)換反應(yīng)，也導(dǎo)致釋放水，可進(jìn)一步反應(yīng)剩余的無水材料。因?yàn)檫@個(gè)原因鋁酸鈣水泥混凝土的強(qiáng)度發(fā)展曲線，在小部分在環(huán)境溫度下具有形式如圖和具有鋁酸鈣水泥類似的組成做

8、出來的。這種骨料顯然與水泥漿體有非常良好的粘接。因此攻擊面是很均勻，具有充分中和能力的骨料總可以實(shí)現(xiàn)中和。3.2.生物腐蝕特定情況下酸攻擊可以發(fā)生在有細(xì)菌積聚的污水的下水道中。厭氧細(xì)菌生活在污水中將硫酸鹽和污水轉(zhuǎn)變?yōu)榱蚧瘹洌@反過來滋養(yǎng)的另一種形式的好氧菌，特別是在下水道的頂部轉(zhuǎn)換硫化氫為硫磺酸。這就是所謂的生物腐蝕。在混凝土表面的酸堿度可能達(dá)到pH低于2。這種酸循環(huán)是在特定的環(huán)境下變的更加惡化（長時(shí)間停留的污水，溫度升高，豐富的廢水，

9、低通氣，和湍流）當(dāng)這些條件特別嚴(yán)重或存在結(jié)合，波特蘭水泥內(nèi)襯迅速惡化并沒有給予足夠的性能。這種復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)條件在實(shí)驗(yàn)室中是很難復(fù)制的，而是在漢堡大學(xué)的一個(gè)模擬室了，從而在加速降解過程的20倍以上的優(yōu)化條件下thiobacille茁壯成長。圖7顯示了波特蘭水泥砂漿，鋁酸鈣水泥砂漿和加了骨料的鋁酸鈣水泥砂漿測(cè)試結(jié)果。從這種添加劑的作用可以看出不但在總體退化程度衡量的體重有所減輕，而且對(duì)pH值的改變有緩沖作用。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)得到了證實(shí)

10、。在下水道進(jìn)入孔處停留的砂漿塊狀物和退化的數(shù)量來衡量體重減輕的標(biāo)準(zhǔn)和混凝土深層中和。表2顯示的各種數(shù)據(jù)為加有硅質(zhì)和合成集料的鋁酸鈣水泥，波特蘭水泥以及加有砂漿和硅質(zhì)砂的波特蘭水泥的比較。當(dāng)被酸腐蝕時(shí)，轉(zhuǎn)換和未轉(zhuǎn)換水合物都為水合氧化鋁凝膠阻擋孔隙，所以轉(zhuǎn)換的程度沒有影響的速度攻擊，所示結(jié)果如表3[4]。在混凝土襯砌情況下適用于鑄鐵管管道安裝前，水管受到了蒸養(yǎng)處理前設(shè)置一個(gè)加速固化的工藝來保證形成的水合物處于穩(wěn)定的階段。鋁酸鈣水泥應(yīng)用在惡化

11、的進(jìn)入孔和下水道，相對(duì)較高的環(huán)境溫度下發(fā)生細(xì)菌腐蝕會(huì)導(dǎo)致混凝土在幾年或更少時(shí)間后轉(zhuǎn)換。這里有許多現(xiàn)實(shí)中的例子。在澳大利亞和南非在20世紀(jì)50年代這些含有固體點(diǎn)混凝土污水管道被安裝，在上世紀(jì)50年代的KualaLumpur以離心機(jī)分離使波特蘭管道布滿鋪上鋁酸鈣水泥砂漿，及應(yīng)用在開羅在上世紀(jì)80年代和90年代在美國。所有的這些到現(xiàn)在都展現(xiàn)了良好的性能。對(duì)于這樣的申請(qǐng)，鋁酸鈣水泥混凝土和砂漿主要的競爭對(duì)手是環(huán)氧樹脂涂料。這些涂料在某些方面可以

12、提供更良好的性能，但更昂貴，容易會(huì)起泡和分層。4、耐磨性混凝土的耐磨性，這是有關(guān)在特定的條件下，盡管存在著一些試驗(yàn)方法還是難以量化，因?yàn)閷?shí)際情況可能不同，以及由于不同結(jié)構(gòu)的組合發(fā)生的轉(zhuǎn)換退化。然而觀察用在耐磨環(huán)境下的鋁酸鈣水泥混凝土性能良好的表現(xiàn)導(dǎo)致它被越來越多地用于容易磨損液壓水壩（溢洪道閘門，大門，和沖洗隧道的襯里）。這些反過來又成為各種測(cè)驗(yàn)方法來評(píng)估各種才來的性能。圖8顯示一些試驗(yàn)?zāi)湍?，空化，與沖擊性能的方法。這些是基本的經(jīng)驗(yàn)方法

13、。比較其中的一些測(cè)試結(jié)果，如表4所示。這些表明，含有合成集料的鋁酸鈣水泥混凝土比波特蘭水泥混凝土（甚至更高性能混凝土，硅粉）和相似的花崗巖塊明顯優(yōu)越，已被廣泛應(yīng)。文獻(xiàn)的應(yīng)用可以追溯到1984的瑞士，包括運(yùn)用在瑞士，法國，瑞典，秘魯，和菲律賓。最近在印度試驗(yàn)混凝土在快速流動(dòng)的條件下磨蝕的試驗(yàn)（快速流動(dòng)的水，50米秒，帶電細(xì)粉）表明，降解30–50毫米高性能的波特蘭水泥硅灰混凝土與鋼纖維，相當(dāng)于鋁酸鈣水泥合成集料水泥的2–5毫米。這些在性能

14、方面的結(jié)果必須與安裝成本相對(duì)比，如表5所示處于比較基礎(chǔ)的層面上（相對(duì)于傳統(tǒng)的混凝土）?？梢钥闯鲚^高材料成本的鋁酸鈣水泥轉(zhuǎn)變成一個(gè)安裝成本大于傳統(tǒng)混凝土兩年半的時(shí)間，但比經(jīng)常受磨損的花崗巖塊和大大低于鋼或鑄鐵的板快只有一半的安裝成本。因此，鋁酸鈣水泥混凝土在成本效益的基礎(chǔ)提供了一個(gè)可行的解決方案，這說明了將鋁酸鈣水泥推廣到凝膠材料的方式保存了這些材料的優(yōu)勢(shì)（即，在室溫溫度下將液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w）混凝土負(fù)責(zé)抵抗機(jī)械磨損的顯微特征不是眾所周知。在