高強低鈣硅酸鹽水泥的應用

齊浩

摘 要：隨著不斷發展現代城市化建設，我國建筑行業獲得了巨大的發展，一方面我國建筑行業因為巨大的市場需求被給予了大量的發展機會，然而另一方面提高地社會生產水平也對建筑行業的施工材料和施工技術提出了更高的要求。施工材料的質量對于一個建筑施工項目而言，是可以影響建筑項目工程質量的重要原因，所以我們必須進行開發與使用不同的新型建筑材料。硅酸鹽水泥是進行新型材料運用的重要發展方向，其在節約建筑用材成本和提升項目工程建筑質量等都有著亮眼的表現。

關鍵詞：高強低鈣硅酸鹽水泥；碳化；應用分析

1 前言

水泥自1824年誕生至今，已有190多年的歷史，是目前用量最大、用途最廣的人造建筑材料。普通硅酸鹽水泥以硅酸三鈣（C3S：50%～65%，質量分數）為主要礦物，熟料燒成溫度較高，通常為1450℃。在不考慮其他熱損失的前提下，熟料燒成熱耗來源于兩方面：熟料礦物（主要是阿利特礦物）的高溫形成；生料中碳酸鹽的分解，其中碳酸鹽分解熱耗占熟料理論熱耗的46%左右。因此，普通硅酸鹽水泥熟料燒成能耗高的根本原因在于其高鈣礦物設計。此外，高鈣礦物設計還導致了優質石灰石和優質煤資源的過多消耗，以及溫室氣體CO2的大量排放，從而加劇了水泥工業的能源、資源消耗及環境負荷。碳化是水泥基材料在使用過程中自然發生的反應。但是，由于自然條件下，水泥基材料碳化速率較慢，碳化程度較低，水泥基材料碳化在整個水泥制備過程中對二氧化碳排放總量的影響一般會被忽略。近些年，加速碳化技術得到迅速發展，利用加速碳化技術激發低鈣硅酸鹽礦物的硬化活性不僅能大大降低礦物燒成能耗、減少燒成過程中的二氧化碳排放量，同時低鈣礦物加速碳化過程能夠吸收大量的二氧化碳氣體。

2 硅酸鈣礦物碳化反應過程

2.1 碳化反應過程

硅酸鈣的碳化反應是一個放熱反應，碳化過程放出大量熱。此外碳化過程是一個受擴散控制的過程：反應開始，二氧化碳擴散速率較快，顆粒表層迅速形成大量碳化產物，包裹在顆粒表層形成碳化產物層，隨著反應的進行，碳化產物層不斷增厚，進而阻礙二氧化碳的擴散，反應速率大大降低。

硅酸鈣的碳化反應是一個涉及氣-液-固三相的反應過程。硅酸三鈣的碳化過程具體分9步，分別如下：CO2的氣相擴散；CO2的固相滲透擴散；CO2在孔溶液中溶解；CO2水化形成H2CO3，反應速率較慢，控速步驟；H2CO3電離形成H+，HCO3–，CO32–，電離速度較快，孔溶液pH值從11降到8；硅酸鈣溶解釋放Ca2+和SiO44–離子，由于此過程是一個循環過程，反應速率較快，同時釋放大量熱；CaCO3晶體成核，通過適當提高溫度、引入顆粒細小的“晶種”等途徑可以提高成核速率；固相沉淀，碳化初期形成文石、球霰石晶體，但是最終都轉化為不定型的方解石；二次碳化，C-S-H凝膠能夠逐漸碳化，最終形成S-H和CaCO3。

2.2 碳化過程影響因素

碳化過程與礦物的碳化活性和CO2的擴散速率密切相關，影響碳化過程的因素包括：碳化活性，如膠凝材料類型及組成、水化程度；CO2擴散速率，如孔結構（顆粒大小及級配、水固比、成型壓力）、碳化條件（二氧化碳分壓、相對濕度等）。

3 高強低鈣鹽酸水泥概述

傳統的硅酸鹽水泥成分主要是C3S、C2S、C3A和C4AF，它們與水反應速度不同，C3A反應速度最快，其次是C3S和C4AF，而C2S與水的反應速度最慢。傳統硅鹽酸水泥在工程建設中應用很廣，但是其中存在的問題也不容忽視，水泥遇水會釋放大量熱量，抗裂性與耐久性較差，影響了建筑的使用壽命。低鈣水泥的特性正好彌補了高鈣水泥的缺陷，它具有放熱低、耐久性好的優勢，近年來，受到了國內外研究人員的關注，并且展開了大量的實驗研究。根據其中硅酸含量的不同，低鈣水泥可以分為硅酸鹽水泥體系與非硅酸鹽水泥體系。在非硅酸鹽水泥體系的低鈣水泥中，加入了早強礦物，能夠有效解決C2S遇水反應慢的問題，同時也提高了早期強度，但是，此類水泥節能減排效果不佳，其推廣也受到了影響。高強低鈣鹽酸水泥具有較低的遇水熱化性能，同時有著理想的抗腐蝕性和耐磨性，收縮性非常小，其早期強度已經足夠滿足工程的需求，所以在建筑領域得到了廣泛應用。在高強低鈣鹽酸水泥中，CaO、C2S含量要比C3S的含量低將近10%，燒成溫度也要低約100℃。高強低鈣硅酸鹽水泥就充分利用了這一優勢，有效降低了C3S的含量，提高了燒成效率，解決了碳酸鈣的形成問題，為節能減排做出了重要貢獻。

4 高強低鈣硅酸鹽水泥的應用研究

4.1 礦物組成優化研究

硅酸鹽水泥各組成部分比例對其性能有著重要影響，其各成分之間能夠相互作用。在這些成分當中，C2S 和 C3S 的比例對于硅酸鹽水泥性能的影響最大，因此，合理分配這兩個成分的比例，對于提高水泥整體性能有著重要意義。通過實驗數據，可以得知，高強低鈣硅酸鹽水泥要求 C2S 的含量在 40% 以上，但是如果過高會影響熟料礦物的燒成質量，也對水泥在使用過程中的早期強度產生影響，為了解決上述問題，需要重視各組成成分問題的研究。由于硅酸鹽水泥熟料的組成成分復雜，是由于復雜的礦物集合體組成，因此，在熟料強度上，其影響因素也是多種多樣，當然，并非簡單的強度疊加就可以計算出實際的強度，各個物質之間還存在促進作用，為了提高高強低鈣硅酸鹽水泥的強度，需要合理對其中各部分的組成進行優化，采取最為科學的配比方式。

4.2 熱力程控研究

從化學角度來看，物質內部分布越均勻熱，力學穩定性就越好，在物質內部鍵強和鍵長的變化都會影響物質的熱穩定性。熟料在燒成以前，其成分分布比較分散，活性高、穩定性差。但是隨著燒成過程的進行，其內部結構自動校正，最終達到穩定狀態。在煅燒過程中，礦物晶型不斷轉型，但是隨著溫度逐漸降低，晶體轉變程度也逐漸變小，最后趨于穩定，所以說水泥在生產過程中，熱力程控是一項重要的任務。

4.3 摻雜改性研究

在水泥中摻入一定比例的雜質可以改變其液相性質和晶體的晶格完整程度，有效改善熟料礦物的水化活性變化。目前國內外相關專家已經對在熟料中摻假雜質來提高 C2S 礦物活性做出了諸多的研究，但是仍然沒有對低鈣硅酸鹽水泥早期強度低的問題制定出行之有效的解決方案。此外，研究顯示，通過添加適量的早強劑、礦物摻合料、激發劑等等，可以提高晶體從溶液中的析出速率，從而有效提升水泥的早期強度，但是一般的外加劑只能夠促進鐵鋁酸鹽與鋁酸鹽之間的水化，難以促進其他物質的水化，因此，目前國內外還在針對這一問題開展研究。關于高強低鈣硅酸鹽水泥，國內外已經做了多項研究工作，但是還尚未解決低鈣硅酸鹽水泥在早期強度差的問題，有學者認為，晶體本身就有著自身的缺陷，添加外加劑，只能夠改變其活性，不會影響晶體本身的屬性。總而言之，以內部礦物活化為基礎，分析高強低鈣硅酸鹽水泥水化過程，改善其水化速率是下階段研究人員重點關注的問題。

總之，在全球綠色環保、節能減排的大環境下，在水泥制作過程中減少碳的排放量、降低原燃料的消耗量是生產發展的必然方向。研究人員對礦物組成優化、熱力程控、摻雜改性等方面進行了研究，這些都對高強低鈣硅酸鹽水泥的發展做出了重要的貢獻。但是我國對于低鈣硅酸鹽水泥早期強度低的問題解決還沒有有效的手段，還需要進一步研究與完善。

參考文獻：

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