S-AC新型混凝土膨脹劑的生產(chǎn)和應用研究

　　摘要:介紹了一種新型混凝土膨脹劑S-AC ，其膨脹熟料是用預熱分解窯生產(chǎn), 及S-AC膨脹劑的性能試驗,試驗表明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，能補償混凝土各齡期的收縮,提高混凝土的抗裂性、密實性、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。

　　關鍵詞:S-AC膨脹熟料  膨脹劑  低收縮  抗碳化

　　一.前言

　　目前國內(nèi)市場上的通用膨脹劑產(chǎn)品，基本只能達到國家標準中的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，導致生產(chǎn)出來的膨脹劑產(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較大，生產(chǎn)成本較高，同時鋁質(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用過程中，會嚴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)護苛刻，混凝土的干縮率大，會導致一些項目上使用了膨脹劑配制的補償收縮混凝土也存在開裂的現(xiàn)象。

　　公司在游教授指導下,參考國外膨脹熟料（日本CSA膨脹劑）的主要礦物組成，經(jīng)過反復的試驗研究，研制開發(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優(yōu)于混凝土膨脹劑國家標準II型產(chǎn)品的指標要求。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40萬噸，預計可年產(chǎn)100萬噸S-AC膨脹劑，這將大大提高我公司混凝土膨脹劑的質(zhì)量和技術服務水平。

　　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：

　　鈣質(zhì)原料：SiO2＜1.0%，CaO＞53.0%

　　鐵質(zhì)原料：Fe2O3＞65.0%，SiO2＜8.0%

　　頁巖原料：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)線檢測中心

　　游教授親臨現(xiàn)場指導

　?。?）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)線全自動生產(chǎn)控制系統(tǒng)[Page]

　　三.S-AC熟料及膨脹劑的性能檢測

　　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

　　對比水泥和水泥中摻10%S-AC膨脹劑水泥的水化28d的XRD結果顯示：S-AC膨脹劑主要結晶性水化產(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度增大，說明摻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，大多生長在一些孔隙中，提高了混凝土的密實度。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速率，降低了水泥的水化熱，延遲最高溫升的到達時間，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

　?。?）S-AC，UEA，HEA砂漿限制膨脹率對比　　

　　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。

　　（2）不同水泥品種砂漿限制膨脹率對比　　

　　相同強度等級四種不同廠家的普通硅酸鹽水泥和基準水泥，摻10%S-AC的砂漿其限制膨脹率的差距較小，結果說明 S-AC膨脹劑對水泥的適應性較好。

　　五.混凝土性能測試

　　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。

　?。?）S-AC，UEA，HEA混凝土限制膨脹率及各個齡期強度對比　　

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　?。?） S-AC，UEA，HEA混凝土碳化深度試驗結果對比　　

　　混凝土的各個齡期的強度都達到了設計等級，摻S-AC膨脹劑的混凝土強度較高。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明顯提高其抗裂性能，對減少混凝土的有害裂縫起到關鍵作用，能夠提高混凝土的耐久性能。

　　在三個不同等級混凝土中分別加入UEA，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間的延長而變大。本公司開發(fā)S-AC膨脹劑含有適量f-CaO，它是早期膨脹源，又可對混凝土"補鈣"，相對于摻UEA，HEA膨脹劑的混凝土的抗碳化能力較好。其作用機理為一是密實混凝土；二是f-CaO水化生成Ca(OH)2，與水泥通過溶解析晶過程生成的Ca(OH)2不同，在碳化過程中形成CaCO3后，固體體積膨脹，會使混凝土表面結構更密實，這對提高混凝土的抗碳化性能具有重要作用。

　　六.結論

　　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度、抗碳化性能都得到提高，適合配制特殊補償收縮混凝土。