S-AC新型混凝土膨脹劑的生產(chǎn)和應(yīng)用研究

　　摘要:介紹了一種新型混凝土膨脹劑S-AC ，其膨脹熟料是用預(yù)熱分解窯生產(chǎn), 及S-AC膨脹劑的性能試驗(yàn),試驗(yàn)表明S-AC膨脹劑，膨脹性能高、收縮回落值低，膨脹性能穩(wěn)定，有效降低了水泥的水化熱，能補(bǔ)償混凝土各齡期的收縮,提高混凝土的抗裂性、密實(shí)性、抗碳化性等，是配制高膨脹、低收縮高性能混凝土的理想材料。

　　關(guān)鍵詞:S-AC膨脹熟料  膨脹劑  低收縮  抗碳化

　　一.前言

　　目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的通用膨脹劑產(chǎn)品，基本只能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的I型產(chǎn)品質(zhì)量要求，加之許多銷售膨脹劑的廠家沒(méi)有膨脹熟料的生產(chǎn)能力，通常采用硬石膏加一些煤矸石、工業(yè)鋁渣、煅燒高嶺土、明礬石或粉煤灰等低活性的鋁質(zhì)材料生產(chǎn)膨脹劑產(chǎn)品，導(dǎo)致生產(chǎn)出來(lái)的膨脹劑產(chǎn)品膨脹率大多處于I型合格產(chǎn)品的邊緣，只有少數(shù)膨脹劑廠家采購(gòu)或自已煅燒含鋁質(zhì)膨脹熟料，由于含鋁質(zhì)膨脹熟料的活性和礦物組成不穩(wěn)定，用其配制膨脹劑的性能波動(dòng)較大，生產(chǎn)成本較高，同時(shí)鋁質(zhì)膨脹熟料需水量大，并且21d空氣中的干縮率大，配制出的膨脹劑在工程應(yīng)用過(guò)程中，會(huì)嚴(yán)重影響混凝土的施工性能，表現(xiàn)為混凝土坍落度損失快，混凝土早期養(yǎng)護(hù)苛刻，混凝土的干縮率大，會(huì)導(dǎo)致一些項(xiàng)目上使用了膨脹劑配制的補(bǔ)償收縮混凝土也存在開(kāi)裂的現(xiàn)象。

　　公司在游教授指導(dǎo)下,參考國(guó)外膨脹熟料（日本CSA膨脹劑）的主要礦物組成，經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)研究，研制開(kāi)發(fā)一種高性能鈣-鐵質(zhì)膨脹熟料，在新型干法水泥生產(chǎn)線（預(yù)熱分解窯）中燒制成功，將膨脹熟料與硬石膏、高鋁煤矸石、明礬石、焦寶石、偏高嶺土及水化熱抑制劑等特種功能材料粉磨至比表面積250-350m²/kg。該S-AC膨脹劑各種性能指標(biāo)優(yōu)于混凝土膨脹劑國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)II型產(chǎn)品的指標(biāo)要求。目前，我公司已建立日產(chǎn)1200噸高性能鈣-鐵質(zhì)膨脹熟料生產(chǎn)基地，年產(chǎn)膨脹熟料約40萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)可年產(chǎn)100萬(wàn)噸S-AC膨脹劑，這將大大提高我公司混凝土膨脹劑的質(zhì)量和技術(shù)服務(wù)水平。

　　二.S-AC膨脹熟料生產(chǎn)及其膨脹劑的生產(chǎn)流程

　　主要原材料的控制指標(biāo)：

　　鈣質(zhì)原料：SiO2＜1.0%，CaO＞53.0%

　　鐵質(zhì)原料：Fe2O3＞65.0%，SiO2＜8.0%

　　頁(yè)巖原料：SiO2＞50.0%，Al2O3＞20.0%

　　硬石膏：SO3＞52.0%

　　煤矸石、焦寶石、偏高嶺土：Al2O3＞30.0%

　　明礬石： Al2O3 和SO3 合量＞35.0%

　　燃煤：灰分＜12%，發(fā)熱量＞6000kJ/kg

　　水化熱抑制劑

　　（1）S-AC膨脹熟料生產(chǎn)流程

　　日產(chǎn)膨脹熟料1200噸生產(chǎn)線[Page]

　　熟料生產(chǎn)線出窯膨脹熟料

　　熟料生產(chǎn)線檢測(cè)中心

　　游教授親臨現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)

　?。?）S-AC膨脹劑的生產(chǎn)流程

　　S-AC膨脹劑粉磨流程圖

　　三源公司S-AC膨脹劑生產(chǎn)線實(shí)景圖

　　三源公司S-AC膨脹劑生產(chǎn)線中心控制室

　　三源公司S-AC膨脹劑生產(chǎn)線全自動(dòng)生產(chǎn)控制系統(tǒng)[Page]

　　三.S-AC熟料及膨脹劑的性能檢測(cè)

　　1）S-AC膨脹熟料XRD衍射圖和SEM圖片　　

　　S-AC膨脹熟料XRD衍射圖

　　S-AC膨脹熟料的XRD分析表明熟料中的主要礦物為：

　　f-CaO，次要礦物為C3S以及C4AF?；瘜W(xué)分析熟料的組成為

　　f-CaO ：50～55%，C3S：25～35%，C4AF：15～20%

　　S-AC膨脹熟料的SEM圖

　　立升重1350～1380 g/L

　　球形狀的f-CaO晶粒尺寸在10微米左右，f-CaO晶粒被C3S和C4AF包裹著，延遲了f-CaO的水化速度。

　　立升重1380～1420 g/L

　　球形狀的f-CaO晶粒尺寸在15微米左右，由于f-CaO晶粒尺寸隨著煅燒的溫度越高，其晶粒尺寸增大。

　?。?）摻S-AC膨脹劑水泥石XRD衍射圖和TEM圖片

　　摻S-AC膨脹劑水泥石XRD衍射圖

　　對(duì)比水泥和水泥中摻10%S-AC膨脹劑水泥的水化28d的XRD結(jié)果顯示：S-AC膨脹劑主要結(jié)晶性水化產(chǎn)物為氫氧化鈣和鈣礬石，水化產(chǎn)物單純。圖譜中只有氫氧化鈣和鈣礬石的衍射峰強(qiáng)度增大，說(shuō)明摻S-AC膨脹劑后水泥產(chǎn)物體系中只有氫氧化鈣和鈣礬石物相含量的增加，沒(méi)有其它新晶體生成，屬于硅酸鹽水泥體系。

　　水泥石與摻S-AC膨脹劑水泥石的SEM圖

　水泥石的SEM圖　　　摻S-AC膨脹劑水泥石的SEM圖

　　對(duì)比水泥中和摻10%S-AC膨脹劑水泥漿體水化產(chǎn)物SEM圖片，水化產(chǎn)物中能觀察到摻S-AC膨脹劑的水泥石中生成了大量的鈣礬石和氫氧化鈣晶體，大多生長(zhǎng)在一些孔隙中，提高了混凝土的密實(shí)度。氧化鈣為早期膨脹源，具有較高的膨脹能力，石膏和高鋁煤矸石、明礬石、焦寶石、偏高嶺土等鋁質(zhì)材料水化生成的鈣礬石為中、后期膨脹源，具有較好的補(bǔ)償作用。

　?。?）摻S-AC膨脹劑砂漿水化熱曲線

　　　水化熱曲線[Page]

　　S-AC膨脹劑加入了水化熱抑制劑，能控制膨脹劑的反應(yīng)速率，降低了水泥的水化熱，延遲最高溫升的到達(dá)時(shí)間，有效降低絕熱溫升，有利于減少膨脹能早期的消耗，提高了膨脹劑在膠砂或混凝土中的有效膨脹,減少了空氣中的干縮率。

　　四.S-AC膨脹劑砂漿性能試驗(yàn)

　?。?）S-AC，UEA，HEA砂漿限制膨脹率對(duì)比　　

　　S-AC膨脹劑比UEA和HEA膨脹劑的限制膨脹率大，摻S-AC限制膨脹劑水中7d的膨脹率高于0.05%，21d干空中限制膨脹率高于-0.010%，符合混凝土膨脹劑GB23439-2009規(guī)定的Ⅱ型產(chǎn)品指標(biāo)。

　?。?）不同水泥品種砂漿限制膨脹率對(duì)比　　

　　相同強(qiáng)度等級(jí)四種不同廠家的普通硅酸鹽水泥和基準(zhǔn)水泥，摻10%S-AC的砂漿其限制膨脹率的差距較小，結(jié)果說(shuō)明 S-AC膨脹劑對(duì)水泥的適應(yīng)性較好。

　　五.混凝土性能測(cè)試

　　混凝土配合比（kg/m³）： UEA， HEA， S-AC摻量為10%　　

　?。?）混凝土施工性能　

　　摻S-AC相對(duì)于摻UEA和HEA的混凝土，30min，60min后塌落度損失較小，施工性能較好。

　　（2）S-AC，UEA，HEA混凝土限制膨脹率及各個(gè)齡期強(qiáng)度對(duì)比　　

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　?。?） S-AC，UEA，HEA混凝土碳化深度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比　　

　　混凝土的各個(gè)齡期的強(qiáng)度都達(dá)到了設(shè)計(jì)等級(jí)，摻S-AC膨脹劑的混凝土強(qiáng)度較高。相同摻量下，S-AC比UEA，HEA的限制膨脹率要大，混凝土限制膨脹率的增加會(huì)明顯提高其抗裂性能，對(duì)減少混凝土的有害裂縫起到關(guān)鍵作用，能夠提高混凝土的耐久性能。

　　在三個(gè)不同等級(jí)混凝土中分別加入U(xiǎn)EA，HEA和S-AC膨脹劑，都能改善混凝土的抗碳化性能，而且混凝土的碳化深度隨著碳化時(shí)間的延長(zhǎng)而變大。本公司開(kāi)發(fā)S-AC膨脹劑含有適量f-CaO，它是早期膨脹源，又可對(duì)混凝土"補(bǔ)鈣"，相對(duì)于摻UEA，HEA膨脹劑的混凝土的抗碳化能力較好。其作用機(jī)理為一是密實(shí)混凝土；二是f-CaO水化生成Ca(OH)2，與水泥通過(guò)溶解析晶過(guò)程生成的Ca(OH)2不同，在碳化過(guò)程中形成CaCO3后，固體體積膨脹，會(huì)使混凝土表面結(jié)構(gòu)更密實(shí)，這對(duì)提高混凝土的抗碳化性能具有重要作用。

　　六.結(jié)論

　　1. S-AC混凝土膨脹劑的水化產(chǎn)物為氫氧化鈣和鈣礬石相，結(jié)果表明S-AC混凝土膨脹劑屬于鈣礬石-氧化鈣雙膨脹源的膨脹劑。氧化鈣為早期膨脹源，具有較高的膨脹能力，而有石膏和高鋁煤矸石、明礬石、焦寶石、偏高嶺土等鋁質(zhì)材料水化生成的鈣礬石為中、后期膨脹源，具有較好的補(bǔ)償作用。

　　2.S-AC混凝土膨脹劑加入了水化熱抑制劑組分，降低了水泥的水化熱，有利于減少膨脹能早期的消耗，提高了補(bǔ)償收縮的有效能力。

　　3.摻S-AC混凝土膨脹劑砂漿具有高膨脹、低收縮性能。

　　4.摻S-AC混凝土膨脹劑混凝土抗壓強(qiáng)度、抗碳化性能都得到提高，適合配制特殊補(bǔ)償收縮混凝土。