低碱度硫铝酸盐水泥
水泥 王燕谋 李绍政 苏慕珍 徐井军 张凤琴 2005-06-13
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关键词 侵蚀性，耐久性，硫铝酸盐水泥，GRC
1、 前 言
由玻璃纤维和水泥砂浆（或混凝土）匹配而成的复合材料称作玻璃纤维增强水泥（或混凝土），其英文名称为：Glass Fibre Reinforced Cement (or Concrete)；简称为“GRC”。显然，用抗碱玻璃纤维和普通硅酸盐水泥制造的GRC制品的强度和韧性会随着时间而降低，这主要是因为强碱性的（pH = 13 ～ 14）硬化普通硅酸盐水泥砂浆仍然侵蚀抗碱玻璃纤维。在本世纪年代,为了提高GRC制品的长期耐久性,国内外许多研究工作者做了大量工作。在本文里，将要介绍的低碱度硫铝酸盐水泥是一种新型的特别用来提高GRC制品长期耐久性的低碱度水泥。我们拥有这项发明的专利。
2、实验和结果
2.1低碱度硫铝酸盐水泥的组成和性能
硫铝酸盐水泥熟料的主要矿物组成是C4A3
和 C2S，在此基础上，通过掺加适当的外加剂和硬石膏，我们开发了这种低碱度水泥。到1997年，年出口量达20万吨。低碱度水泥的化学组成和性能列于表1、表2和表3。
表1 低碱硫铝酸盐水泥的化学组成
|
组 成 |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
SO3 |
|
（%） |
3～7 |
19～22 |
1～2 |
41～44 |
14～16 |
表2 低碱度硫铝酸盐水泥的强度和凝结时间（20±2℃水养）
|
水泥标号 |
水灰比 |
灰砂比 |
抗压强度（MPa） |
抗折强度（MPa） |
凝结时间（MPa） | |||
|
1天 |
7天 |
1天 |
7天 |
1天 |
7天 | |||
|
425 |
0.42 |
1:2.5 |
32.0 |
42.5 |
4.5 |
6.0 |
≮25 |
≯180 |
|
525 |
0.42 |
1:2.5 |
39.0 |
52.5 |
5.0 |
6.5 |
≮25 |
≯180 |
另外，低碱度硫铝酸盐水泥28天自由膨胀率是0.00%～0.10%；水泥浆液（灰水比为1:10）1小时的PH值在10.5左右。
表3 水泥干缩率（20±3℃水养、空气相对温度60±5%）
|
水泥品种 |
灰砂比 |
干缩率（%） | |||||||
|
1天 |
3天 |
7天 |
14天 |
21天 |
28天 |
42天 |
56天 | ||
|
快硬硫铝酸盐水泥 |
1:2.5 |
0.03. |
0.04 |
0.06 |
0.06 |
0.06 |
0.06 |
0.06 |
0.07 |
|
低碱度硫铝酸盐水泥 |
1:2.5 |
0.01 |
0.02 |
0.03 |
0.04 |
0.04 |
0.04 |
0.04 |
0.04 |
|
快硬硫铝酸盐水泥 |
1:0.5 |
0.04 |
0.06 |
0.07 |
0.08 |
0.08 |
0.08 |
0.09 |
0.10 |
|
低碱度硫铝酸盐水泥 |
1:0.5 |
0.03 |
0.05 |
0.05 |
0.0 |
0.07 |
0.06 |
0.06 |
0.08 |
2.2 低碱度硫铝酸盐水泥侵蚀玻璃纤维的实验
在本实验中采用SIC方法。SIC方法的试样大小见图1。
图1 SIC试样
加速老化的试验结果见表4、表5和图2、图3（试样经80℃水煮）
表4 SIC方法结果
|
水泥品种 |
玻璃纤维 |
玻璃纤维抗拉强度（KN） | |||||||
|
原始 |
脱模 |
1天 |
3天 |
7天 |
14天 |
21天 |
28天 | ||
|
低碱度硫铝酸盐水泥 |
Cem-fil I |
4.28 |
4.16 |
3.68 |
3.73 |
3.01 |
3.24 |
2.70 |
2.38 |
|
普通硅酸盐水泥 |
Cem-fil I |
4.28 |
3.28 |
2.29 |
1.71 |
1.33 |
1.08 |
1.31 |
0.91 |
表5 SIC方法结果
|
水泥品种 |
玻璃纤维 |
玻璃纤维抗拉强度保留率（%） | |||||||
|
原始 |
脱模 |
1天 |
3天 |
7天 |
14天 |
21天 |
28天 | ||
|
低碱度硫铝酸盐水泥 |
Cem-fil I |
100 |
97.20 |
85.98 |
87.15 |
70.33 |
75.70 |
63.08 |
55.61 |
|
普通硅酸盐水泥 |
Cem-fil I |
100 |
76.64 |
53.50 |
39.95 |
31.07 |
25.23 |
30.61 |
21.26 |
图2 玻璃纤维抗拉强度变化情况
图3 玻璃纤维抗拉强度保留率变化情况
从表5可以看出，用低碱度硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥对Cem-fil I抗碱玻璃纤维侵蚀后，其1天强度保留率分别为85.98%和53.50%，28天强度保留率分别为55.61%和21.26%。因为在80℃水中1天相当于自然老化时间4~5年，所以，如果以玻璃纤维强度下降50%计算，玻璃纤维在低碱度硫铝酸盐水泥中的耐久性可超过100年，而在硅酸盐水泥中只能承受4~5年。同时，扫描电镜的结果（见图4）也证明了低碱度硫铝酸盐水泥对玻璃纤维只有轻微侵蚀。
(a)低碱度硫铝酸盐水泥对玻璃纤维的侵蚀情况
(b)普通硅酸盐水泥对玻璃纤维的侵蚀情况
图4 玻璃纤维的SEM照片
3、讨论
低碱度硫铝酸盐水泥对玻璃纤维只有轻微侵蚀，玻璃纤维主要是受低碱度硫铝酸盐水泥的矿物组成和水化特征的影响。关于硫铝酸盐水泥系统，主要发生如下不化反应：、
C4A3
+ 2CaSO4 + 38H2O→C3A·3CaSO4·32H2O + 2AH3 （1）
C2S + 2H2O→C-S-H + Ca（OH）2 （2）
3Ca（OH）2+ 3CaSO4 + AH3 + 26H2O→C3A·3CaSO4·32H2O （3）
很明显可以看出，由于有富余Al2O3、SO3的存在，在系统里没有Ca（OH）2 ，所以低碱度硫铝酸盐水泥是一种以硫铝酸盐水泥熟料为基础，通过掺加一些外加剂而制得的低碱度水泥。这种低碱度硫铝酸盐水泥系统具有低碱性，以及对玻璃纤维微弱的侵蚀。根据以上结果，我们达到了大大增强GRC制品耐久性的目的。另外，德国海德堡公司于1995年采用我们生产的低碱度硫铝酸盐水泥与Cem-fil II抗碱玻璃纤维复合，研究了其耐久性。其结果见表6。
表6 加速老化试验结果
|
试件状态 |
抗折初裂强度（LOP） |
抗折极限强度（MOR） |
受拉区延伸率（ε） | |||
|
（MPa） |
相对值 |
（MPa） |
相对值 |
% |
相对值 | |
|
老化前 |
9.96 |
100 |
35.24 |
100 |
10.27 |
100 |
|
80℃水中3天 |
9.79 |
98.3 |
31.04 |
88.1 |
9.73 |
94.7 |
|
80℃水中7天 |
8.33 |
83.6 |
29.43 |
83.5 |
9.52 |
92.7 |
|
80℃水中14天 |
9.65 |
96.9 |
29.93 |
84.9 |
9.28 |
90.4 |
4、结 论
（1）低碱度硫铝酸盐水泥是一种低碱性、高强（尤其是旱期强度）、低自由膨胀率和干缩率的水泥。
（2）由低碱度硫铝酸盐水泥和抗碱玻璃纤维制造的GRC制品寿命可超过100年。
（3）由于具有各种优异性能，低碱度硫铝酸盐水泥将是一种理想的GRC制品专用水泥。
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