混凝土中鈣礬石形成

混凝土中形成鈣礬石的反應(yīng)既包含液相反應(yīng)，也包含固相反應(yīng)。目前工程領(lǐng)域中使用的各種膨脹劑和膨脹水泥，在它們的水化過程中，形成鈣礬石的反應(yīng)主要有下列3種:

3C3A+3(CaSO4·2H2O)+26H2O-3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

C3A+3(CaSO4·2H2O)+2Ca(OH)2+24H2O-3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

3C3A·CaSO4+8CaSO4+6CaO+96H2O-3(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)

上述3種類型的反應(yīng)，都經(jīng)歷相同的反應(yīng)過程--水泥加水后，其礦物與石膏快速溶解產(chǎn)生Ca、SO4、OH等離子，形成鈣礬石過飽和溶液

這些離子通過濃差擴(kuò)散聚集在一起，按照下列3步反應(yīng)過程形成鈣礬石:

第一步:

AlO2+2OH+2H2O-[Al(OH)6]

第二步:

2[Al(OH)6]+6Ca+24H2O{Ca6[Al(OH)6]·24H2O}

第三步:

{Ca6[Al(OH)6]·24H2O}+3SO4+2H2O{Ca6[Al(OH)6]·24H2O]2·24H2O}(SO4)·2H2O

目前通過實(shí)驗(yàn)手段制備純鈣礬石的方法主要有以下3種:

反應(yīng)溶液法。以AR級(jí)Ca(OH)2，Al2(SO4)3·18H2O為原料，按下列反應(yīng)方程合成:

Al2(SO4)·18H2O+6Ca(OH)2-3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

AFm轉(zhuǎn)化法。先是合成AFm，1步用自蔓延(SHS)法合成CA，第2步合成AFm，稱取適量CaO·CaSO4·12H2O和CA濕磨(WPC=0。14)，置于密封瓶中，在40℃下水化7d，每天定時(shí)碾磨，水化后樣品經(jīng)60℃烘干，產(chǎn)物為AFm;然后由AFm轉(zhuǎn)化成AFt，AFm加水和足量石膏轉(zhuǎn)化為AFt，反應(yīng)方程為:

C3A·CaSO4·12H2O+2CaSO4+20H2O-C3A·3CaSO4·32H2O

鋁酸鈣(CA)轉(zhuǎn)化法。按1∶1的摩爾比將Al2O3和CaO混勻，并在1200℃燒結(jié)反應(yīng)完全(礦物主要為CA)，研磨后再與適量的CaO和CaSO4·2H2O配合加水反應(yīng)120h，即得所需的鈣礬石樣品，反應(yīng)滿足下列方程:

CaO·Al2O3+2CaO+3CaSO4·2H2O+26H2O-3C3A·3CaSO4·32H2O

混凝土中的鈣礬石是由水泥水化產(chǎn)物C-A-H(水化鋁酸鈣)和硫酸根離子結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)晶物水化硫鋁酸鈣(簡稱AFt)。AFt與天然礦物鈣礬石的化學(xué)組成及晶體結(jié)構(gòu)基本相同。

膨脹性是鈣礬石最大的特性，水泥中CaO、Al2O3和CaSO4水化形成鈣礬石能使固相體積增大約120%。

混凝土中鈣礬石的穩(wěn)定性取決于以下兩個(gè)方面:

a)水泥水化過程中離子成分及濃度;

b)溫度。70℃是一個(gè)關(guān)鍵溫度，AFt大約在70℃分解。

混凝土中水化形成的鈣礬石的生長速率和最終的長度受3個(gè)因素影響:化學(xué)因素、漿體微觀結(jié)構(gòu)以及混凝土或砂漿的微觀結(jié)構(gòu)。

研究表明水灰比對(duì)鈣礬石的生長有顯著的影響。在相同條件下，水灰比越大，水泥石結(jié)構(gòu)越疏松，鈣礬石的生成就有空間。水灰比小，水泥石結(jié)構(gòu)較緊密，孔隙較小，生成的鈣礬石數(shù)量較少，晶體產(chǎn)生各向異性生長而呈針狀。