低碱度硫鋁酸鹽水泥
· 摘 要 低碱度硫鋁酸鹽水泥是以硫鋁酸鹽水泥熟料為基礎研製成的一種專門用於製造玻璃纖維增強水泥砂漿(或混凝土)的新品種。本文採用SIC方法研究了玻璃纖維在該低碱度水泥中的強度保留率。同· 時採用SEM研究了玻璃纖維受侵蝕的情況。所有結果均表示該種水泥中的強度對玻璃纖維有在非常微弱的侵蝕,· 並証明用該水泥製造的GRC制品的壽命可超過100年。
1、 前 言
由玻璃纖維和水泥砂漿(或混凝土)匹配而成的復合材料稱作玻璃纖維增強水泥(或混凝土),其英文名稱為:Glass Fibre Reinforced Cement (or Concrete);簡稱為“GRC”。顯然,用抗碱玻璃纖維和普通硅酸鹽水泥製造的GRC制品的強度和韌性會隨着時間而降低,這主要是因為強碱性的(pH = 13 ~ 14)硬化普通硅酸鹽水泥砂漿仍然侵蝕抗碱玻璃纖維。在本世紀年代,為了提高GRC制品的長期耐久性,國內外許多研究工作者做了大量工作。在本文里,將要介紹的低碱度硫鋁酸鹽水泥是一種新型的特別用來提高GRC制品長期耐久性的低碱度水泥。我們擁有這項發明的 。
2、實驗和結果
2.1低碱度硫鋁酸鹽水泥的組成和性能
硫鋁酸鹽水泥熟料的主要礦物組成是C4A3和 C2S,在此基礎上,通過摻加適當的外加劑和硬石膏,我們開發了這種低碱度水泥。到1997年,年出口量達20萬噸。低碱度水泥的化學組成和性能列于表1、表2和表3。
表1 低碱硫鋁酸鹽水泥的化學組成
組 成 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO SO3
(%) 3~7 19~22 1~2 41~44 14~16
表2 低碱度硫鋁酸鹽水泥的強度和凝結時間(20±2℃水養)
水泥標號 水灰比 灰砂比 抗壓強度(MPa) 抗折強度(MPa) 凝結時間(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,低碱度硫鋁酸鹽水泥28天自由膨脹率是0.00%~0.10%;水泥漿液(灰水比為1:10)1小時的PH值在10.5左右。
表3 水泥干縮率(20±3℃水養、空氣相對溫度60±5%)
水泥品種 灰砂比 干縮率(%)
1天 3天 7天 14天 21天 28天 42天 56天
快硬硫鋁酸鹽水泥 1:2.5 0.03. 0.04 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.07
低碱度硫鋁酸鹽水泥 1:2.5 0.01 0.02 0.03 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04
快硬硫鋁酸鹽水泥 1:0.5 0.04 0.06 0.07 0.08 0.08 0.08 0.09 0.10
低碱度硫鋁酸鹽水泥 1:0.5 0.03 0.05 0.05 0.0 0.07 0.06 0.06 0.08
2.2 低碱度硫鋁酸鹽水泥侵蝕玻璃纖維的實驗
在本實驗中採用SIC方法。SIC方法的試樣大小見圖1。
圖1 SIC試樣
加速老化的試驗結果見表4、表5和圖2、圖3(試樣經80℃水煮)
表4 SIC方法結果
水泥品種 玻璃纖維 玻璃纖維抗拉強度(KN)
原始 脫模 1天 3天 7天 14天 21天 28天
低碱度硫鋁酸鹽水泥 Cem-fil I 4.28 4.16 3.68 3.73 3.01 3.24 2.70 2.38
普通硅酸鹽水泥 Cem-fil I 4.28 3.28 2.29 1.71 1.33 1.08 1.31 0.91
表5 SIC方法結果
水泥品種 玻璃纖維 玻璃纖維抗拉強度保留率(%)
原始 脫模 1天 3天 7天 14天 21天 28天
低碱度硫鋁酸鹽水泥 Cem-fil I 100 97.20 85.98 87.15 70.33 75.70 63.08 55.61
普通硅酸鹽水泥 Cem-fil I 100 76.64 53.50 39.95 31.07 25.23 30.61 21.26
圖2 玻璃纖維抗拉強度變化情況
圖3 玻璃纖維抗拉強度保留率變化情況
從表5可以看出,用低碱度硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥對Cem-fil I抗碱玻璃纖維侵蝕后,其1天強度保留率分別為85.98%和53.50%,28天強度保留率分別為55.61%和21.26%。因為在80℃水中1天相當于自然老化時間4~5年,所以,如果以玻璃纖維強度下降50%計算,玻璃纖維在低碱度硫鋁酸鹽水泥中的耐久性可超過100年,而在硅酸鹽水泥中只能承受4~5年。同時,掃描電鏡的結果(見圖4)也証明瞭低碱度硫鋁酸鹽水泥對玻璃纖維只有輕微侵蝕。
(a)低碱度硫鋁酸鹽水泥對玻璃纖維的侵蝕情況
(b)普通硅酸鹽水泥對玻璃纖維的侵蝕情況
圖4 玻璃纖維的SEM照片
3、討論
低碱度硫鋁酸鹽水泥對玻璃纖維只有輕微侵蝕,玻璃纖維主要是受低碱度硫鋁酸鹽水泥的礦物組成和水化特征的影響。關於硫鋁酸鹽水泥系統,主要發生如下不化反應:、
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)
很明顯可以看出,由於有富餘Al2O3、SO3的存在,在系統里沒有Ca(OH)2 ,所以低碱度硫鋁酸鹽水泥是一種以硫鋁酸鹽水泥熟料為基礎,通過摻加一些外加劑而制得的低碱度水泥。這種低碱度硫鋁酸鹽水泥系統具有低碱性,以及對玻璃纖維微弱的侵蝕。根據以上結果,我們達到了大大增強GRC制品耐久性的目的。另外,德國海德堡公司于1995年採用我們生產的低碱度硫鋁酸鹽水泥與Cem-fil II抗碱玻璃纖維復合,研究了其耐久性。其結果見表6。
表6 加速老化試驗結果
試件狀態 抗折初裂強度(LOP) 抗折極限強度(MOR) 受拉區延伸率(ε)
(MPa) 相對值 (MPa) 相對值 % 相對值
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、結 論
(1)低碱度硫鋁酸鹽水泥是一種低碱性、高強(尤其是旱期強度)、低自由膨脹率和干縮率的水泥。
(2)由低碱度硫鋁酸鹽水泥和抗碱玻璃纖維製造的GRC制品壽命可超過100年。
(3)由於具有各種優異性能,低碱度硫鋁酸鹽水泥將是一種理想的GRC制品專用水泥。