胶凝材料学24

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1、主讲人：王思组员：陈峻2012年12月5日碱-激发天然石灰-火山灰水泥Contents简介性能及特点结论天然火山灰细度对强度的影响激发剂种类和掺量的影响Na2SO4激发剂的影响1简介用碱作为胶凝材料的组分可追溯到1930年，当时德国的Kuhl研究了磨细矿渣粉和氢氧化钾溶液混合物的凝结特性。1940年首次对由矿渣和氢氧化钠或由矿渣、碱及碱性盐组成的无熟料水泥进行了广泛的实验室研究。石灰—火山灰砂浆是最早的建筑材料之一。在古罗马时代，它就被广泛运用于水渠，拱桥，护岸和楼房等砌筑结构。在古希腊和古罗马时代留下了许多纪念性建筑物。这些古老的建筑代表了石灰-火山灰砂浆的优异性能。罗马

2、斗兽场雅典赫菲斯托斯神庙石灰-天然火山灰水泥的最大特点之一就是在自然养护环境中增长缓慢。19世纪，由于波特兰水泥的发明，导致石灰-火山灰水泥用量显著减少。然而，由于其成本低和耐久性好，石灰-火山灰水泥较适用于一些特殊工程。在过去的50年内，它被用于制造建材制品以及一些其他应用，特别是在发展中国家。2性能及特点3激发剂种类和掺量的影响大多数碱化合物都可以作为石灰-天然火山灰水泥的激发剂。然而，不同化合物的激发效果是不一样的。表1碱激发剂对石灰-火山灰水泥浆体强度的影响表1列出了掺有4%Na2SO4、NaOH及Na2CO3和6%NaSiO3·5H2O的石灰-天然火山灰水泥在25

3、℃条件下养护3d和在50℃下养护4d的强度数据。与参比水泥相比，碱激发剂能提高抗压强度5%~60%，其中掺有Na2SO4的水泥强度最高。因为Na2SO4是一种常用的化工产品，且价格合理，所以它可作为石灰-天然火山灰水泥的一种最有效的激发剂。表1同时列出了这些水泥的非蒸发水数据。与参比水泥相比，所有碱-激发石灰-火山灰水泥（除Na2CO3激发水泥外）的非蒸发水含量都比较低。研究表明石灰-火山灰水泥的早期强度增长与Na2SO4掺量呈线性关系。如图1所示，在28~90d中，当Na2SO4的掺量从小于1%增加到2%~4%之间时，水泥净浆强度是参比水泥的3倍左右，在7d、28d和90

4、d时，是参比水泥的1.5倍左右。尽管4%是最佳掺量，但是掺量从2%增加到4%带来的强度增加须考虑其成本的增加。图14Na2SO4激发剂的影响硫酸钠在自然界中主要以无水芒硝（Na2SO4）和芒硝（Na2SO4·10H2O）两种矿物形式存在。硫酸钠可以是天然矿物，也可以来自不同的生产过程。许多研究已经证明，硫酸钠是硅酸盐水泥基和石灰基胶凝材料的有效激发剂。在胶凝系统中，添加硫酸盐通常能促进早期及后期形成钙矾石。可看到，即使加热之后，Na2SO4的最大溶解度也只有30%，除Na2SO4·10H2O，还有另一含水化合物是Na2SO4·7H2O，但它不稳定，在自然界中找不到。Na2S

5、O4·10H2O含55.9%的结晶水，为无色不透明晶体，通常形成大量风化的针状单斜晶体，熔点为32.4℃，比室温高一点。图2Na2SO4-H2O系统的相图在23~65℃的温度范围内，Na2SO4激发水泥中的Ca(OH)2在初始快速反应期内的消耗速率要快一些。所以，Na2SO4的加入加速了早期火山灰反应。虽然后期仍然能在Na2SO4激发的水泥中检测到少量的Ca(OH)2，但远少于参比样中Ca(OH)2含量。胶凝材料的水化动力学过程可用经改进的Jander方程来描述：4.1Na2SO4对火山反应的影响式中-------反应程度；K-------反应常数；t-------反应时间

6、；N-------反应级数。⑴如果反应是由表面颗粒反应，或是由反应物溶解，或是由反应产物沉淀所控制的，则N﹤1;⑵如果反应是由反应物在多孔反应产物层中的扩散所控制的，则1﹤N﹤2；⑶如果反应是由反应物在致密反应产物层中的扩散所控制的，则N﹥2。如图所示，是石灰-火山灰水泥中的反应程度与时间的对数关系图，这些直线的斜率代表了反应级数。表2两种水泥浆体在不同温度下的反应级数N和阶段表2列出了两种水泥浆体在不同温度下的反应级数N和火山灰反应阶段。对于参比水泥而言，不管养护温度如何，都不能检测到第I阶段。这表明第I阶段在测定游离石灰前就结束了。25~30℃范围内，参比水泥的火山灰

7、反应表现出相同的规律。第II阶段大约在养护3d后结束，第I阶段由此开始。养护温度升高到65℃时，只能辨别第III阶段。当有Na2SO4存在时，Ca(OH)2首先和Na2SO4反应，其过程可以用以下方程来表示：Na2SO4+Ca(OH)2+2H2O→CaSO4•2H2O↓+2NaOH这个反应使得溶液的碱度比饱和的Ca(OH)2溶液的碱度更高。实验室的测试结果表明，掺入4%Na2SO4使得溶液的PH值从12.50上升到12.75。溶液碱度的提高能使得Ca(OH)2的溶解速率和溶解度降低。4.2Na2SO4存在时的火山灰