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        簡述水泥的組成、水化反應(yīng)及化學(xué)腐蝕作用

        2015-12-22 12:03:03賈海濤侯帥張立泉張功輝王輝黃素哲
        商品混凝土 2015年12期
        關(guān)鍵詞:鋁酸鈣礬石水泥石

        賈海濤,侯帥,張立泉,張功輝,王輝,黃素哲

        (中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證中心鐵道建筑檢驗(yàn)站,北京 100016)

        簡述水泥的組成、水化反應(yīng)及化學(xué)腐蝕作用

        賈海濤,侯帥,張立泉,張功輝,王輝,黃素哲

        (中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證中心鐵道建筑檢驗(yàn)站,北京 100016)

        水泥顆粒與水接觸后,即開始水化反應(yīng)。反應(yīng)從顆粒的表面逐層進(jìn)行,水化產(chǎn)物主要為:水化硅酸鈣凝膠、水化鐵酸鈣凝膠、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣和鈣礬石?;瘜W(xué)腐蝕對(duì)水泥石的破壞原理,主要包括 4 種。侵蝕性介質(zhì)就是隨著外界水分從孔道滲入水泥石中的,它們可與氫氧化鈣和水化鋁酸鈣反應(yīng),從而對(duì)水泥石起到破壞作用。

        礦物組成;水化反應(yīng);水泥石;化學(xué)腐蝕

        0 前言

        水泥是極其重要的建筑材料,在工程施工中得到廣泛應(yīng)用。保證水泥的生產(chǎn)質(zhì)量并合理使用,就為工程質(zhì)量提供了有力的保障。本文簡要介紹了水泥的組成及其水化原理,并著重列舉了化學(xué)腐蝕對(duì)水泥結(jié)構(gòu)物的破壞作用,希望對(duì)工程中水泥的合理使用、保障水泥結(jié)構(gòu)使用壽命,起到促進(jìn)作用。

        1 水泥的組成

        水泥主要由石灰質(zhì)和粘土質(zhì)原料按約 3:1 的比例混合燒制而成,原料磨細(xì)后的生料粉,入窯煅燒成為熟料,再加入適量石膏研磨,成為水泥,即“兩磨一燒”工序[1]。

        1.1 礦物組成

        制成的水泥是細(xì)度為 3~30μm 的粉體,主要由 4 種礦物組成,這些礦物分別由二氧化硅(SiO2)、三氧化二鋁(Al2O3)、三氧化二鐵(Fe2O3)、氧化鈣(CaO)這 4 種化學(xué)成分構(gòu)成。

        表1 水泥的礦物組成

        1.2 石膏

        是為延緩水泥的凝結(jié)時(shí)間而加入的調(diào)凝劑,主要使用生石膏(CaSO4·2H2O),摻量一般為水泥質(zhì)量的3%~5%,在水泥水化開始后 24 小時(shí)內(nèi)耗盡。由于鋁酸三鈣的水化速度很快,大量放熱,會(huì)造成水泥的急速凝結(jié)(即閃凝),使水泥無法正常使用。石膏能迅速與水化鋁酸鈣(鋁酸三鈣的水化產(chǎn)物)反應(yīng),生成水化硫鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O,即鈣礬石),其難溶于水,并沉積在水泥顆粒表面,從而放慢了鋁酸三鈣的水化速度,也就延緩了水泥的凝結(jié)。

        1.3 混合材料

        是為改善水泥性質(zhì),而在熟料磨細(xì)時(shí)加入的人工或天然礦物材料。其中,非活性混合材主要起填充作用,品種有石英砂、石灰石、粘土等;活性混合材可生成水化產(chǎn)物,對(duì)水泥起到增強(qiáng)、增密、耐腐蝕等作用,品種有礦渣、粉煤灰、火山灰等(由于這些材料的質(zhì)量、細(xì)度都遜于混凝土摻合料,所以作用也較弱)。

        活性混合材的主要成分是二氧化硅和三氧化二鋁,它們可與氫氧化鈣[Ca(OH)2]反應(yīng),生成具有水硬性的水化硅酸鈣(3CaO·2SiO2·3H2O)和水化鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·6H2O):

        以上反應(yīng)被稱為火山灰反應(yīng),因?yàn)檫@些反應(yīng)都發(fā)生在水泥水化之后,也稱二次反應(yīng)。另外,石膏可與新生成的水化鋁酸鈣反應(yīng),生成鈣礬石,其具有強(qiáng)度(反應(yīng)發(fā)生在水泥硬化之前,所以對(duì)水泥的強(qiáng)度有益)。活性混合材本身不具有膠凝性,只有在氫氧化鈣和石膏存在時(shí),才會(huì)生成膠凝產(chǎn)物,并具有強(qiáng)度。因此,氫氧化鈣和石膏也叫做活性混合材的激發(fā)劑。

        “專門用途的水泥,稱為專用水泥;某種性能比較突出的水泥,稱為特性水泥;建筑工程常用的水泥,稱為“通用水泥[2]”。GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》[3]中,就是根據(jù)使用混合材的種類、摻量不同,把通用水泥分為 6 個(gè)品種,可依據(jù)工程的不同特點(diǎn)選用。

        1.4 有害物質(zhì)

        除 4 種主要礦物外,水泥中還含有少量有害物質(zhì),即能對(duì)水泥硬化產(chǎn)物(水泥石)、水泥結(jié)構(gòu)物中的骨料、鋼材造成破壞的物質(zhì):游離氧化鈣(f-CaO)、游離氧化鎂(f-MgO)、三氧化硫(SO3)、堿(包含 K2O、Na2O,統(tǒng)一記為 R2O)及氯離子(Cl),國標(biāo)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)有害物質(zhì)的含量都有明確規(guī)定。

        游離氧化鈣和游離氧化鎂在熟料煅燒過程中,結(jié)構(gòu)變得極其致密,所以在水泥硬化后才會(huì)緩慢水化:CaO + H2O→Ca(OH)2、MgO + H2O→Mg(OH)2,水化時(shí)體積膨脹,不均勻的膨脹會(huì)引起水泥石開裂。石膏摻量過高,沒能在水泥硬化前耗盡,余下的三氧化硫繼續(xù)與水化鋁酸鈣反應(yīng),生成的鈣礬石體積膨脹很多,從而引起水泥石脹裂。以上都是水泥體積安定性不良的原因,即在水泥硬化后,內(nèi)部產(chǎn)生不均勻膨脹而造成的水泥石開裂。安定性不良的水泥,不得使用。游離氧化鈣引起的安定性不良可用沸煮法檢驗(yàn),游離氧化鎂引起的可用壓蒸法檢驗(yàn),石膏引起的需長時(shí)間在溫水中浸泡才能發(fā)現(xiàn)。

        堿含量超標(biāo),則可能與骨料發(fā)生堿-骨料反應(yīng)。需要在濕度足夠時(shí)、骨料中又含有堿活性礦物,發(fā)生反應(yīng)后的產(chǎn)物可吸水膨脹,導(dǎo)致水泥石與骨料的粘結(jié)破裂,最終結(jié)構(gòu)物開裂。

        氯離子,會(huì)腐蝕結(jié)構(gòu)物中的鋼材,即鋼筋銹蝕。氧氣和水分充足時(shí),銹蝕作用即會(huì)發(fā)生,鐵銹的體積要比原來增大很多,從而使鋼材與水泥石剝離,致使結(jié)構(gòu)物破壞。

        2 水化反應(yīng)

        水泥顆粒與水接觸后,即開始水化反應(yīng)(溫度低于-10℃,反應(yīng)終止)。反應(yīng)從顆粒的表面逐層進(jìn)行,水化產(chǎn)物主要為:水化硅酸鈣凝膠(在水化產(chǎn)物中占比 50% 以上)、水化鐵酸鈣凝膠(CaO·Fe2O3·H2O)、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣和鈣礬石。反應(yīng)式如下:

        若石膏耗盡時(shí),仍有未水化的鋁酸三鈣存在,則會(huì)和鈣礬石反應(yīng),生成單硫型水化硫鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O):

        隨著水化產(chǎn)物的不斷增加,凝膠體互相搭接,游離水分不斷減少,水泥與水?dāng)嚢璩傻臐{體逐漸凝結(jié),進(jìn)而硬化并產(chǎn)生強(qiáng)度,形成水泥石。其實(shí),水泥水化是個(gè)漫長的過程,較大的顆粒很難完全水化。但水泥強(qiáng)度在初期發(fā)展較快,28d 內(nèi)已完成大部分的增長,之后速度明顯放慢。

        3 化學(xué)腐蝕

        水泥結(jié)構(gòu)物在使用過程中,會(huì)受到外界侵蝕性介質(zhì)的腐蝕,從而降低使用年限甚至完全破壞。侵蝕過程往往是物理和化學(xué)作用交互發(fā)生,幾種腐蝕同時(shí)出現(xiàn)。在此,著重介紹化學(xué)腐蝕對(duì)水泥石的破壞原理,主要包括4種。硬化后的水泥石并不完全密實(shí),還存在很多拌合水消耗后(水化和蒸發(fā))留下的毛細(xì)孔道,以及攪拌進(jìn)入空氣留下的氣孔。侵蝕性介質(zhì)就是隨著外界水分從孔道滲入水泥石中的,它們可與氫氧化鈣和水化鋁酸鈣反應(yīng),從而對(duì)水泥石起到破壞作用。

        3.1 碳酸水腐蝕

        雨水、泉水、地下水中含有一些二氧化碳(CO2),可與氫氧化鈣反應(yīng),生成碳酸鈣(CaCO3):Ca(OH)2+ CO2+ H2O→CaCO3+ 2H2O。水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等水化產(chǎn)物只能在一定堿度下,才能穩(wěn)定存在。氫氧化鈣的耗失,使水泥石堿度下降,導(dǎo)致水化產(chǎn)物隨即分解溶蝕,水泥石破壞。在二氧化碳充足時(shí),還可生成碳酸氫鈣[Ca(HCO3)2]:CaCO3+ CO2+ H2O→Ca(HCO3)2。碳酸氫鈣易溶于水,可導(dǎo)致水泥石破壞(與水泥結(jié)構(gòu)物的碳化類似,碳化是專指在空氣中發(fā)生的反應(yīng))。

        3.2 一般酸腐蝕

        工業(yè)廢水、地下水、酸雨中常含有鹽酸(HCl)、硝酸(HNO3)、氫氟酸(HF)、醋酸(CH3COOH)等有機(jī)酸,這些酸類均可與氫氧化鈣反應(yīng),生成易溶物。如鹽酸與氫氧化鈣反應(yīng):2HCl + Ca(OH)2→CaCl + 2H2O,氯化鈣(CaCl)易溶于水,水泥石受到侵蝕。

        3.3 鎂鹽腐蝕

        海水和地下水中常含有氯化鎂(MgCl2)等鎂鹽,它們能與水泥石中的氫氧化鈣起置換反應(yīng),生成易溶的氯化鈣和略有膨脹性的氫氧化鎂[Mg(OH)2]:MgCl2+ Ca(OH)2→CaCl + Mg(OH)2,從而破壞水泥石結(jié)構(gòu)。

        3.4 硫酸鹽腐蝕

        海水和鹽漬土中含有硫酸鹽,主要有硫酸鈣(CaSO4)、硫酸鎂(MgSO4)和硫酸鈉(Na2SO4),它們可與氫氧化鈣反應(yīng)生成石膏,如:Na2SO4+ Ca(OH)2+ 2H2O→CaSO4·2H2O + 2NaOH。石膏本身具有膨脹性,且可與水化鋁酸鈣反應(yīng),生成膨脹性更大的鈣礬石,其體積可膨脹到原來的1.5倍,對(duì)水泥石具有嚴(yán)重破壞作用。因鈣礬石呈針狀結(jié)晶形態(tài),故也被稱為“水泥桿菌”。海水中含有大量硫酸鹽和其它鹽類,但海水并不像單純硫酸鹽腐蝕嚴(yán)重,這是因?yàn)楹K泻入x子,石膏與鈣礬石在氯鹽溶液里的溶解度比在水中大,所以危害就小。另外,硫酸鹽還能直接與單硫型水化硫鋁酸鈣反應(yīng),生成鈣礬石[4]:

        預(yù)防措施。為防止和減輕水泥石的腐蝕,主要有以下 3種措施:1 根據(jù)環(huán)境條件選用水泥品種,如在硫酸鹽腐蝕嚴(yán)重的地區(qū),可選用鋁酸三鈣含量低于 5% 的抗硫酸鹽水泥。2提高水泥石結(jié)構(gòu)的密實(shí)度,使侵蝕性介質(zhì)難以滲入水泥石內(nèi)部。3 在水泥結(jié)構(gòu)物的外表面加覆蓋層,隔絕侵蝕性介質(zhì)與水泥石的接觸。4 添加礦物摻合料,使用混凝土外加劑等。

        4 結(jié)語

        本文從水泥水化角度對(duì)水泥概況做了介紹,水泥生產(chǎn)消耗大量能源,并排出大量粉塵和二氧化碳。生產(chǎn) 1 噸水泥,大概要排出 1 噸二氧化碳,可見水泥生產(chǎn)對(duì)環(huán)境造成的巨大負(fù)擔(dān)。今后若干年,水泥仍是最主要的建筑材料,為了節(jié)能減排,工程技術(shù)人員應(yīng)了解水泥的基本知識(shí),使用過程中優(yōu)化混凝土配合比,盡可能減少水泥用量,提高水泥利用率;根據(jù)使用環(huán)境,選擇不同種類水泥,控制水泥中有害物含量,延長建筑物的使用壽命。

        [1] 安文漢.鐵路工程試驗(yàn)與檢測[M].山西:山西科學(xué)技術(shù)出版社,2006.

        [2] 祝根立,朱國民.混凝土外加劑實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)員培訓(xùn)講義[M].北京:2006.

        [3] GB175—2007.通用硅酸鹽水泥[S].

        [4] 袁潤章.膠凝材料學(xué)[M].湖北:武漢理工大學(xué)出版社,2005.

        [通訊地址]北京市朝陽區(qū)酒仙橋北路 1 號(hào),鐵科院東郊分院(100016)

        圖3 預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土施工

        5 結(jié)論

        預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土可真正實(shí)現(xiàn)泡沫混凝土配合比的設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化,避免了泡沫混凝土勻質(zhì)性差、易塌陷開裂等傳統(tǒng)現(xiàn)澆泡沫混凝土的缺陷,有效的保證了泡沫混凝土的施工質(zhì)量。生產(chǎn)工藝上,預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土采用攪拌站拌制凈漿,真正實(shí)現(xiàn)泡沫混凝土工業(yè)化、綠色化生產(chǎn),是對(duì)傳統(tǒng)泡沫混凝土生產(chǎn)工藝的一大突破。

        參考文獻(xiàn)

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        [7] 楊奉源.泡沫混凝土性能的影響因素研究[D].綿陽:西南科技大學(xué),2012.

        [作者簡介]盧佳林(1986-),男,碩士,工程師,主要從事預(yù)拌混凝土及混凝土制品的研究。

        [單位地址]四川省成都市高新區(qū)益州大道中段 555 號(hào)星辰國際 1 棟 9 樓(610041)

        賈海濤(1983-),男,漢族,籍貫北京,工作單位中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證中心,本科,工程師。

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