石灰石粉鋁酸鹽水泥復(fù)合體系的水化反應(yīng)

沈敘言 劉家文 王沖 鄭喬木 鄒璐遙

摘 要：石灰石粉具有水化活性，能與硅酸鹽水泥中的C3A、鋁酸鹽水泥中的CA、CA2等鋁酸鹽礦物發(fā)生反應(yīng)，水化產(chǎn)物為水化碳鋁酸鈣。利用微量熱儀法、膠砂強度和X射線衍射（XRD），研究不同比例的石灰石粉鋁酸鹽水泥復(fù)合體系的水化反應(yīng)，結(jié)果表明：石灰石粉會加快鋁酸鹽水泥的水化進程，水化過程誘導(dǎo)期縮短，放熱速率峰值下降;復(fù)合體系中石灰石粉占比越高，早期水化反應(yīng)速率越快，但水化反應(yīng)放熱量越低;相對而言，復(fù)合體系中石灰石粉摻量為20%時石灰石粉參與反應(yīng)程度最高，且摻量為20%時石灰石粉對復(fù)合體系強度有顯著貢獻。隨復(fù)合體系中石灰石粉比例增加，鋁酸鹽水泥水化產(chǎn)物越來越不明顯;石灰石粉摻量為20%～40%時，水化碳鋁酸鈣XRD特征峰相對最明顯，復(fù)合體系中石灰石粉與鋁酸鹽水泥存在一個最佳的比例范圍。研究表明，石灰石粉與鋁酸鹽水泥間會發(fā)生明顯的水化反應(yīng)，石灰石粉與鋁酸鹽水泥復(fù)合有望制得一種新型膠凝材料。

關(guān)鍵詞：石灰石粉;鋁酸鹽水泥;復(fù)合體系;水化反應(yīng);水泥

中圖分類號： TQ172.1 ?文獻標(biāo)志碼：A ? 文章編號：2096-6717（2019）05-0125-07

Abstract：imestone powder （LP） actually has hydration activity and can reacts with aluminate minerals， such as C3A in Portland cement， and CA and CA2 in aluminate cement （AC）. The hydration product is calcium carboaluminate hydrate. In this paper， in order to study the hydration reaction， composite systems， which consist of limestone powder and aluminate cement， were analyzed by micro calorimeter， strength test and XRD. The results show that， LP could accelerate the hydration process of the system， and lead to a shorter induction period， an earlier and lower hydration heat peak in the hydration of aluminate cement. The more LP in the composite system， the faster the early hydration， but the lower the hydration heat of the composite system. 20% replacement of limestone powder is the most reactive and contributes significantly to the strength of the composite system. The more limestone powder in the composite system， the less hydration products of the aluminate cement. When the limestone powder content is 20%～40%， the XRD peak of calcium carboaluminate hydrate is relatively obvious. Accordingly， there is a optimal range of AC∶LP in the composite system. It is concluded that a significant hydration reaction occurs between limestone powder and aluminate cement. The composite of limestone powder and aluminate cement is expected to produce a new type of cementitious material.

Keywords：limestone powder; aluminate cement; composite system; hydration; cement

石灰石粉是將以碳酸鈣為主要成分的石灰石磨至一定細度得到的粉狀材料，其來源廣泛，價格低廉，已經(jīng)被廣泛用于水泥混合材和混凝土摻合料中。石灰石粉一般被認為是一種惰性材料，但研究表明，石灰石粉摻入硅酸鹽水泥中可以加速硅酸鹽水泥的水化[1-3]。一定摻量范圍內(nèi)，石灰石粉可以改善水泥基材料的流變性[4]、機械強度[5-6]、孔隙率[5]和耐久性[7]等性能。石灰石粉能改善水泥基材料性能的原因，除顆粒本身的物理填充效應(yīng)和晶核效應(yīng)外，還有活性效應(yīng)，即石灰石粉能與硅酸鹽水泥中的鋁酸三鈣（C3A）發(fā)生反應(yīng)，生成水化碳鋁酸鈣晶體[8-10]。

鋁酸鹽水泥是以鋁酸鈣為主要成分的水硬性膠凝材料，其熟料中鋁酸鈣的含量比硅酸鹽水泥更高，有學(xué)者將石灰石粉作為鋁酸鹽水泥的混合材，發(fā)現(xiàn)一定摻量的石灰石粉可以抑制鋁酸鹽水泥后期的倒縮[11-13]。楊宏章等[14]發(fā)現(xiàn)，石灰石粉的摻入可以提高鋁酸鹽水泥的強度和耐熱性能。另外，Kakali等[15]發(fā)現(xiàn)石灰石粉能抑制鈣礬石向單硫鋁酸鈣的轉(zhuǎn)化。同樣，在摻入石灰石粉的鋁酸鹽水泥中也存在水化碳鋁酸鈣晶體[16-17]。

由此可見，以碳酸鈣為主要成分的石灰石粉可以與鋁酸鹽礦物發(fā)生水化反應(yīng)，但其水化特性尚未得到系統(tǒng)研究。筆者利用微量熱儀法和膠砂強度指標(biāo)分析了碳酸鈣鋁酸鹽礦物復(fù)合體系的水化放熱特性，利用XRD分析水化產(chǎn)物及其結(jié)構(gòu)。

1 原材料與方法

1.1 原材料

CA-50鋁酸鹽水泥由鄭州登峰熔料有限公司生產(chǎn)，比表面積為501 m2/kg，其化學(xué)組成見表1，XRD圖譜見圖1;石灰石粉為四川寶興800目石灰石粉，比表面積為556 m2/kg。鋁酸鹽水泥和石灰石粉的粒徑分布曲線見圖2。圖2顯示，石灰石粉的粒徑均在100 μm以下（鋁酸鹽水泥有95.43%在100 μm以下），二者大部分顆粒粒徑在10～80 μm之間，石灰石粉略細于鋁酸鹽水泥顆粒。細骨料為細度模數(shù)2.5的機制中砂。

1.2 試驗方法

1.2.1 水化熱測試 水化熱測試采用美國TA公司生產(chǎn)的HEAT Detector of TAM air微量熱儀。采用凈漿試樣，實驗配合比如表2所示。將各組鋁酸鹽水泥和石灰石粉置于容器中干拌均勻，稱取相應(yīng)質(zhì)量粉料，同時加水，均勻攪拌1 min后，放入已預(yù)先穩(wěn)定的微量熱儀通道內(nèi)開始測定水化熱。

1.2.2 強度分析 復(fù)合體系膠砂試件配合比見表3。用40 mm×40 mm×160 mm的模具成型膠砂試件。24 h后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至規(guī)定齡期取出，按照《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671—1999），測試其抗折強度和抗壓強度。

1.2.3 水化產(chǎn)物分析 凈漿試塊所用配合比如表2所示。將各組鋁酸鹽水泥和石灰石粉干拌均勻，加水?dāng)嚢瑁?0 mm×40 mm×40 mm的模具成型。凈漿試塊養(yǎng)護至規(guī)定齡期后，取出敲碎，用無水乙醇浸泡終止水化。烘干后，將試樣磨細至通過0.08 mm方孔篩，采用PANalytical Empyrean型X射線衍射儀進行5～70°的5 min快掃。

2 結(jié)果與分析

2.1 水化熱分析

復(fù)合體系的水化速率曲線如圖3所示。結(jié)果顯示，石灰石粉會加快復(fù)合體系的水化過程，水化過程誘導(dǎo)期縮短，第2個峰提前出現(xiàn)，放熱速率峰值下降。與不摻石灰石粉的A0相比，摻入20%～80%的石灰石粉（A2、A4、A6、A8）復(fù)合體系的放熱峰分別提前56、96、190、192 min，說明復(fù)合體系中石灰石粉占比越高，早期水化越快。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因有[1]：1）晶核效應(yīng)。石灰石粉作為成核場所，降低成核位壘，誘導(dǎo)水化產(chǎn)物析晶，加速水泥水化;2）活性效應(yīng)。石灰石粉與鋁酸鹽水泥的礦物發(fā)生水化反應(yīng)，這會改變鋁酸鹽水泥的水化歷程，縮短鋁酸鹽水泥水化的誘導(dǎo)期，促進鋁酸鹽水泥的水化。

圖4是復(fù)合體系的水化放熱量測試結(jié)果，顯然，隨著復(fù)合體系中石灰石粉占比的升高，復(fù)合體系的水化放熱量呈下降趨勢，其原因與體系中鋁酸鹽水泥占比降低有關(guān)，復(fù)合體系的水化放熱總量既包括鋁酸鹽水泥與水之間的水化反應(yīng)，也來自于石灰石粉與鋁酸鹽水泥之間的化學(xué)反應(yīng)。圖4結(jié)果能反映出體系中鋁酸鹽水泥占比越多，水化放熱越大，不過，可以注意到圖4中A0試樣和A2試樣放熱量非常接近，表明復(fù)合體系中水化放熱總量并不完全隨鋁酸鹽水泥含量等比例下降，石灰石粉與鋁酸鹽水泥之間的化學(xué)反應(yīng)放熱在其中發(fā)揮了作用。

將A2、A4、A6和A8復(fù)合體系的水化放熱量減去等質(zhì)量的鋁酸鹽水泥的放熱量（以A0放熱量為基準(zhǔn)），其結(jié)果可反映出石灰石粉參與水化反應(yīng)釋放的水化熱大小，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果顯示，石灰石粉與鋁酸鹽水泥之間的反應(yīng)放熱非常明顯，即使考慮到由于晶核效應(yīng)對鋁酸鹽水泥水化反應(yīng)的促進，其明顯的水化熱差值，完全可以證明石灰石粉與鋁酸鹽水泥之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。隨復(fù)合體系中石灰石粉占比升高，石灰石粉參與反應(yīng)的放熱量降低。在復(fù)合體系中，A2試樣中石灰石粉占比最低，此時放熱量卻最高，其放熱量主要自來于石灰石粉與鋁酸鹽水泥之間的化學(xué)反應(yīng)，此時復(fù)合體系中石灰石粉參與水化反應(yīng)程度最高;而在A6、A8復(fù)合體系中，石灰石粉占比較高，石灰石粉反應(yīng)放熱量低。這表明石灰石粉的水化反應(yīng)需要足夠的鋁酸鹽礦物。

2.2 強度分析

復(fù)合體系膠砂試件抗折強度與抗壓強度隨復(fù)合體系中鋁酸鹽水泥與石灰石粉質(zhì)量的比值（AC∶LP）變化規(guī)律如圖6所示。

從圖6（a）可以看出，隨AC∶LP增大，膠砂試件的3 d抗折強度呈升高趨勢，不過，石灰石粉占比20%時（AC∶LP=4∶1），試件抗折強度只比純鋁酸鹽試件略低;而28 d抗折強度呈先升高后降低的趨勢，在AC∶LP=4∶1處最大，為7.7 MPa，比純鋁酸鹽水泥試件（AC∶LP=1∶0）高4.1%。而在石灰石粉摻量40%～80%范圍內(nèi)，復(fù)合體系的抗折強度下降非常明顯。

從圖6（b）可以看出，隨復(fù)合體系中AC∶LP增大，復(fù)合體系膠砂試件3、28 d抗壓強度均呈升高趨勢。這自然與當(dāng)AC∶LP較小時，與石灰石粉反應(yīng)的鋁酸鹽水泥較少，大部分石灰石粉不參與反應(yīng)有關(guān);不過，抗壓強度結(jié)果也顯示，石灰石粉占比20%時，試件抗壓強度也只比純鋁酸鹽水泥略低。

石灰石在復(fù)合體系中雖不具備火山灰反應(yīng)活性，但可與鋁酸鹽水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此，也具有化學(xué)活性，并且因具有顆粒填充作用，使得石灰石粉具有一定的增強作用。石灰石在復(fù)合體系中對強度的影響可參照蒲心誠[18]混凝土礦物摻合料的火山灰效應(yīng)所用比強度方法。參照此種分析方法，復(fù)合體系中，單位鋁酸鹽水泥產(chǎn)生的強度與純鋁酸鹽水泥組的強度之差，即是此時石灰石粉對復(fù)合體系強度的貢獻值，表達式如式（1）所示。RLR=Rq-RAC

（1）式中：RLP為石灰石粉對復(fù)合體系強度的貢獻值，MPa;R為復(fù)合體系試件強度絕對值，MPa;q為復(fù)合體系水泥用量（純鋁酸鹽水泥試件為1）;RAC為純鋁酸鹽水泥試件強度，MPa。

石灰石粉對復(fù)合體系的抗壓強度影響分析結(jié)果見圖7。

從圖7可以看出，對于抗折強度，僅在AC∶LP=1∶4時，石灰石粉對復(fù)合體系的強度為負面影響，隨AC∶LP增大，石灰石粉對抗折強度的貢獻升高，當(dāng)AC∶LP=4∶1時最高，3、28 d齡期分別為1.2、2.2 MPa;石灰石對抗壓強度的影響總體而言不利，僅在AC∶LP=4∶1時，石灰石粉能對抗壓強度產(chǎn)生積極影響，結(jié)合水化熱分析結(jié)果，認為此時石灰石粉既能使復(fù)合體系試件填充密實，又能更好地參與水化反應(yīng)。

強度影響研究結(jié)果表明，適量石灰石粉對復(fù)合體系的強度有積極貢獻，本試驗條件下復(fù)合體系中石灰石粉最佳摻量為20%。

2.3 水化產(chǎn)物的組成

由于A8復(fù)合體系的反應(yīng)太弱，水化產(chǎn)物少，故分析水化產(chǎn)物組成時不考慮A8復(fù)合體系。A0、A2、A4和A6復(fù)合體系的XRD衍射圖譜如圖8所示。

圖8（a）是鋁酸鹽水泥28 d的XRD圖譜，從圖中可以看出，該鋁酸鹽水泥28 d水化產(chǎn)物主要為CAH10以及Al（OH）3等，由鋁酸鹽水泥中的CA和CA2與水作用生成，C2AS的衍射峰很高，說明C2AS水化活性很弱，很難與水作用。

從圖8（b）、（c）中可以看出：A2和A4復(fù)合體系3、28 d水化產(chǎn)物除CAH10和Al（OH）3這2種鋁酸鹽水泥水化產(chǎn)物外，還發(fā)現(xiàn)非常明顯的水化碳鋁酸鈣產(chǎn)物：3CaO·Al2O3·3CaCO3·32H2O、3CaO·Al2O3·CaCO3·11H2O，說明石灰石粉確實與鋁酸鹽水泥作用，產(chǎn)生了新的水化產(chǎn)物，反應(yīng)方程式如式（2）～式（5）所示。

? 圖8（d）顯示，A6復(fù)合體系3、28 d水化產(chǎn)物主要是CAH10、Al（OH）3和3CaO·Al2O3·CaCO3·11H2O，未發(fā)現(xiàn)3CaO·Al2O3·3CaCO3·32H2O產(chǎn)物，說明石灰石粉與鋁酸鹽水泥反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物種類與二者含量的相對比例有關(guān)，在AC∶LP大于2∶3時，才會穩(wěn)定生成3CaO·Al2O3·3CaCO3·32H2O。

綜合分析圖8試驗結(jié)果亦可以看出，隨復(fù)合體系中石灰石粉比例增加，鋁酸鹽水泥的水化產(chǎn)物CAH10特征峰越來越弱，其生成量也越來越少;而在石灰石粉摻量為20%～40%時，體系中水化碳鋁酸鈣XRD特征峰最明顯，表明復(fù)合體系中存在一個最佳石灰石粉與鋁酸鹽水泥的比例范圍。

石灰石粉中參與反應(yīng)的主要是碳酸鈣，其細度為556 m2/kg，鋁酸鹽水泥中參與反應(yīng)的主要來自于CA和CA2礦物熟料，其中還含有較多非活性礦物成分，因此，基于本研究現(xiàn)有結(jié)果，若能采用更細的石灰石粉，乃至純的超細碳酸鈣材料，同時，采用活性更高的鋁酸鹽熟料，優(yōu)化石灰石粉鋁酸鹽復(fù)合體系的組成與級配，有望制得一種新的以水化碳鋁酸鈣為主要水化產(chǎn)物的膠凝材料體系。

3 結(jié)論

1）石灰石粉會加快復(fù)合體系的水化過程，水化過程誘導(dǎo)期縮短。復(fù)合體系中石灰石粉占比越高，復(fù)合體系的水化放熱量越低;復(fù)合體系中石灰石粉摻量為20%時石灰石粉參與反應(yīng)程度最高。

2）適量石灰石粉對復(fù)合體系的強度有積極貢獻，本試驗條件下復(fù)合體系中石灰石粉最佳摻量為20%。

3）復(fù)合體系中存在一個最佳的石灰石粉與鋁酸鹽水泥比例范圍，若能進一步優(yōu)化石灰石粉鋁酸鹽復(fù)合體系的組成與級配，有望制得一種以水化碳鋁酸鈣為主要水化產(chǎn)物的膠凝材料體系。

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（編輯 胡英奎）