齊浩

摘 要：隨著不斷發(fā)展現(xiàn)代城市化建設(shè)，我國建筑行業(yè)獲得了巨大的發(fā)展，一方面我國建筑行業(yè)因?yàn)榫薮蟮氖袌鲂枨蟊唤o予了大量的發(fā)展機(jī)會，然而另一方面提高地社會生產(chǎn)水平也對建筑行業(yè)的施工材料和施工技術(shù)提出了更高的要求。施工材料的質(zhì)量對于一個建筑施工項(xiàng)目而言，是可以影響建筑項(xiàng)目工程質(zhì)量的重要原因，所以我們必須進(jìn)行開發(fā)與使用不同的新型建筑材料。硅酸鹽水泥是進(jìn)行新型材料運(yùn)用的重要發(fā)展方向，其在節(jié)約建筑用材成本和提升項(xiàng)目工程建筑質(zhì)量等都有著亮眼的表現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)低鈣硅酸鹽水泥；碳化；應(yīng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)）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(shè)計。此外，高鈣礦物設(shè)計還導(dǎo)致了優(yōu)質(zhì)石灰石和優(yōu)質(zhì)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(yè)的能源、資源消耗及環(huán)境負(fù)荷。碳化是水泥基材料在使用過程中自然發(fā)生的反應(yīng)。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(shù)得到迅速發(fā)展，利用加速碳化技術(shù)激發(fā)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?xì)怏w。

2 硅酸鈣礦物碳化反應(yīng)過程

2.1 碳化反應(yīng)過程

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

硅酸鈣的碳化反應(yīng)是一個涉及氣-液-固三相的反應(yīng)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(kuò)散；CO2的固相滲透擴(kuò)散；CO2在孔溶液中溶解；CO2水化形成H2CO3，反應(yīng)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(huán)過程，反應(yīng)速率較快，同時釋放大量熱；CaCO3晶體成核，通過適當(dāng)提高溫度、引入顆粒細(xì)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(zhuǎn)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(kuò)散速率密切相關(guān)，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(kuò)散速率，如孔結(jié)構(gòu)（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(qiáng)低鈣鹽酸水泥概述

傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥成分主要是C3S、C2S、C3A和C4AF，它們與水反應(yīng)速度不同，C3A反應(yīng)速度最快，其次是C3S和C4AF，而C2S與水的反應(yīng)速度最慢。傳統(tǒng)硅鹽酸水泥在工程建設(shè)中應(yīng)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(bǔ)了高鈣水泥的缺陷，它具有放熱低、耐久性好的優(yōu)勢，近年來，受到了國內(nèi)外研究人員的關(guān)注，并且展開了大量的實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)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(qiáng)礦物，能夠有效解決C2S遇水反應(yīng)慢的問題，同時也提高了早期強(qiáng)度，但是，此類水泥節(jié)能減排效果不佳，其推廣也受到了影響。高強(qiáng)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(qiáng)度已經(jīng)足夠滿足工程的需求，所以在建筑領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在高強(qiáng)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(qiáng)低鈣硅酸鹽水泥就充分利用了這一優(yōu)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(jié)能減排做出了重要貢獻(xiàn)。

4 高強(qiáng)低鈣硅酸鹽水泥的應(yīng)用研究

4.1 礦物組成優(yōu)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(dāng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得知，高強(qiáng)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(zhì)量，也對水泥在使用過程中的早期強(qiáng)度產(chǎn)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(fù)雜，是由于復(fù)雜的礦物集合體組成，因此，在熟料強(qiáng)度上，其影響因素也是多種多樣，當(dāng)然，并非簡單的強(qiáng)度疊加就可以計算出實(shí)際的強(qiáng)度，各個物質(zhì)之間還存在促進(jìn)作用，為了提高高強(qiáng)低鈣硅酸鹽水泥的強(qiáng)度，需要合理對其中各部分的組成進(jìn)行優(yōu)化，采取最為科學(xué)的配比方式。

4.2 熱力程控研究

從化學(xué)角度來看，物質(zhì)內(nèi)部分布越均勻熱，力學(xué)穩(wěn)定性就越好，在物質(zhì)內(nèi)部鍵強(qiáng)和鍵長的變化都會影響物質(zhì)的熱穩(wěn)定性。熟料在燒成以前，其成分分布比較分散，活性高、穩(wěn)定性差。但是隨著燒成過程的進(jìn)行，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)自動校正，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在煅燒過程中，礦物晶型不斷轉(zhuǎn)型，但是隨著溫度逐漸降低，晶體轉(zhuǎn)變程度也逐漸變小，最后趨于穩(wěn)定，所以說水泥在生產(chǎn)過程中，熱力程控是一項(xiàng)重要的任務(wù)。

4.3 摻雜改性研究

在水泥中摻入一定比例的雜質(zhì)可以改變其液相性質(zhì)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(nèi)外相關(guān)專家已經(jīng)對在熟料中摻假雜質(zhì)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(qiáng)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(qiáng)劑、礦物摻合料、激發(fā)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(qiáng)度，但是一般的外加劑只能夠促進(jìn)鐵鋁酸鹽與鋁酸鹽之間的水化，難以促進(jìn)其他物質(zhì)的水化，因此，目前國內(nèi)外還在針對這一問題開展研究。關(guān)于高強(qiáng)低鈣硅酸鹽水泥，國內(nèi)外已經(jīng)做了多項(xiàng)研究工作，但是還尚未解決低鈣硅酸鹽水泥在早期強(qiáng)度差的問題，有學(xué)者認(rèn)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(nèi)部礦物活化為基礎(chǔ)，分析高強(qiáng)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(diǎn)關(guān)注的問題。

總之，在全球綠色環(huán)保、節(jié)能減排的大環(huán)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(chǎn)發(fā)展的必然方向。研究人員對礦物組成優(yōu)化、熱力程控、摻雜改性等方面進(jìn)行了研究，這些都對高強(qiáng)低鈣硅酸鹽水泥的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。但是我國對于低鈣硅酸鹽水泥早期強(qiáng)度低的問題解決還沒有有效的手段，還需要進(jìn)一步研究與完善。

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