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用高岭土如何制备混凝土膨胀剂?

作者:马清浩来源:水泥混凝土外加剂550问 浏览次数: 日期:2012-08-10

目前,高岭土在建材领域的应用较少,这是因其活性不高所致。只有在高温煅烧后,并采用碱性激发剂来激发,才能发挥其火山灰活性,形成胶凝材料,而用于制备水泥或者代替部分水泥充当混凝土掺合料等。高岭土化学成分以Al和SiO为主,经煅烧后失水而变成较高活性的偏高岭土,在硫酸盐和氢氧化钙的激发下,偏高岭土可生成具有膨胀效应的钙矾石(3CaO·Al· 3CaSO·32HO)等水化产物。因此,通过对石膏和氧化钙激发后偏高岭土水化产物的显微结构及其水化机理的研究,进一步探讨用高岭土制备混凝土膨胀剂的可行性。

一、试验材料及方法

(一)试验材料

内蒙古硬质煤系高岭土;河北安国硬石膏,外观淡黄色,主要含二水硫酸钙(CaSO· 2HO);氧化钙,分析纯,纯度达95%。

高岭土的化学组成(%):Al,39.40;SiO,45.75;Fe,0.20;TiO,0.64;烧失量,14.01。

(二)原材料处理

高岭土在WS10.13型箱式电炉中恒温700℃、煅烧2h后,经破碎、粉磨,采用水泥比表面积测定方法(勃氏法),控制其比表面积在450m/kg左右;硬石膏在120℃下煅烧2h,经颚式破碎机破碎、球磨机粉磨后,采用勃氏比表面积测定仪,测定粉磨时间不同的矿粉比表面积,并选取比表面积在400m/kg左右的矿粉进行试验。

(三)实验方法

将摩尔比为1∶3∶6的高岭土、石膏、石灰粉混合后调水(其中加水量为100g,混合矿粉量为300g,水灰比为0.33),一起加入水泥净浆,搅拌机中,拌制成标准稠度的浆体,倒入规格为31.6mm×31.6mm×50mm的试验模型中,振动成型,并在20℃、90%相对湿度条件下养护24h后脱模,再继续养护至1d,2d,3d时,分别取其中心部分,通过Quanta200环境扫描电镜对处理后材料的微观形貌进行观察。

二、试验结果

(一)水化1d时扫描电镜图片

观察可知:有大量钙矾石和C—S—H凝胶生成[图1(a)],其中呈针状的钙矾石含量较多,顶端有分叉向四周伸展的细长条状凝胶含量较少[图1(b)]。可看到极少量未反应的正六面体结构的氢氧化钙晶体和较多量的片状、叠片状等高岭石簇矿物[图1(c),(d)]。

(二)水化2d时扫描电镜图片

观察可知:片状、叠片状等高岭石簇矿物量迅速减少;有条状、棒状[图2(d)]或团簇结构[图2(a),(c)]钙矾石生成,钙矾石体积逐渐增大;条状C—S—H凝胶由于叉枝的交结,并在交结点相互生长,从而形成连续的三维空间网,并相互联锁构成网络状结构[图2(b)]。

(三)水化3d时扫描电镜图片

观察可知:仅见极少量片状、叠片状等高岭石簇矿物;构成三维空间网络结构的条状C—S— H凝胶数量增多且网络变粗、紧密[图3(a),(e)];条状、棒状钙矾石数量增多且变长、长粗[图3(b),(c)],团簇状钙矾石聚集成胶凝状且体积迅速增大[图3(d)]。

三、水化机理探讨

高岭土(Al·2SiO·2HO)是由一层硅氧四面体层和一层铝氧八面体层构成的1∶1型层状硅酸盐矿物,其中Si,Al的配位数分别是4和6。温度升至400~500℃开始脱水,脱水后虽仍保持原先的层状结构,但原子间已发生较大的错位,形成结晶度很差的偏高岭土(Al·2SiO)。偏高岭土中原子排列不规则,呈现热力学介稳状态,是一种具有火山灰活性的矿物。

在石膏、石灰激发下,产生以具有膨胀效应的钙矾石和C—S—H凝胶为主的水化产物;首先由于OH-离子的作用,组成高岭土网络的硅-氧、铝-氧键断裂使玻璃结构解体,反应迅速进行,偏高岭土中的Al、石膏(CaSO) 和石灰遇水生成的Ca(OH)反应,生成大量的钙矾石,其次是随着网络结构的解体,偏高岭土中的SiO继续反应,形成硅酸根与铝酸根阴离子团,并与以钙为代表的阳离子生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等具有胶凝性质的水化产物C—S—H凝胶。

主要反应方程式如下:Al·2SiO+3CaSO+6CaO+35HO→ 3CaO·Al·CaSO·32HO(钙矾石)+3CaO· 2SiO·3HO (C—S—H凝胶)

四、影响膨胀的因素分析

依据钙矾石形成机理可知,作为膨胀源的钙矾石,系由高岭土成分中的Al来提供,和石膏、石灰的量有一定的关系。在有足够石膏和氧化钙的条件下,组分中Al量越多,生成的钙矾石量就越大,产生膨胀的效应也就越强;氧化钙含量的增大,有利于提高浆液中OH-离子浓度,加快偏高岭土网络结构的解体,加剧反应的进行。

用于混凝土中时,还应该考虑这三种组分对混凝土强度、耐久性、安定性等的影响。如高岭土过量,则可起到掺合料的作用,对混凝土强度发展有利;组分中氧化钙含量过多,则严重影响混凝土的耐久性,因为游离氧化钙(f-CaO) 在凝结过程中水化很慢,水泥凝结硬化后还在继续起水化作用。当f-CaO超过一定限量时,游离的氧化钙变成氢氧化钙,体积变大,在混凝土内部产生一个向外的力,随时间的延长就会破坏已硬化的水泥石或使抗拉强度下降。组分中石膏含量较少,则不能使偏高岭土中的Al组分完全反应而生成膨胀组分钙矾石,达不到应有的膨胀效果;组分中的石膏含量过大,则不利于水泥的凝结硬化,严重影响混凝土的强度。

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