硫鋁酸鈣

1、性質(zhì)

本制品摻入砂漿或混凝土中，能使水泥在凝結(jié)硬化時伴隨體積膨脹，從而達(dá)到補(bǔ)償收縮和張拉鋼筋產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的目的。

2、用途

用作水泥膨脹劑。

3、配方（克分子比）

石灰石：礬土：化工無水石膏 =4：1：3

4、制法

按配方比例將各物料加入，經(jīng)膠燒后，再磨成細(xì)度為1500～2300cm²/g比表面積的粉末即可。本制品拌制補(bǔ)償收縮混凝土的一般摻量為7～11%，拌制自應(yīng)力混凝土的摻量為13～17%。

硫鋁酸鹽系膨脹劑是工程中最常見的膨脹劑。硫鋁酸鹽系膨脹劑包括很多品種，但其產(chǎn)生膨脹能的原因都是由于硫鋁酸鈣水化物（鈣礬石）的生成，其反應(yīng)通式為：

6CaO 3Al₂O₃ 3SO₃ 26H₂O —→3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O

對于鈣礬石的膨脹機(jī)理存在一定爭議，但國內(nèi)外學(xué)者對于鈣礬石的膨脹機(jī)理比較一致的意見可以概括為：

（1）膨脹相是鈣礬石，在水泥中有足夠濃度的CaO、Al₂O₃，和CaSO₄條件下均可生成鈣礬石，并非一定要通過固相反應(yīng)生成的鈣礬石才能膨脹，通過液相反應(yīng)也可以產(chǎn)生鈣礬石膨脹。

（2）在液相CaO飽和時，通過固相反應(yīng)或原地反應(yīng)形成針狀鈣礬石，其膨脹能較大；在液相CaO不飽和時，通過液相反應(yīng)生成柱狀鈣礬石，其膨脹力較小，但有足夠數(shù)量鈣礬石時，也能產(chǎn)生體積膨脹。

（3）在膨脹原動力方面，一種觀點是晶體生長壓力；另一種觀點是吸水膨脹。

此外，研究還表明，鈣礬石的形成速率和生成數(shù)量決定著混凝土的膨脹效能。若鈣礬石形成速度太快，其大部分膨脹能消耗在混凝土塑性階段，相當(dāng)于做了無用功。

鈣礬石型貌有多種，但最常見的是長度為幾個微米的結(jié)晶體（針狀或柱狀），它在水泥硬化過程中，于C-S-H膠粒間結(jié)晶生長，使水泥石宏觀體積不斷膨脹。在有鋼筋等約束的情況下，鈣礬石晶體引起的膨脹可以使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生0.2MPa以上的自應(yīng)力，這就能對混凝土起到補(bǔ)償收縮、防止開裂的作用。由于所生成的鈣礬石首先填充于水泥石的毛細(xì)孔或氣孔中，并能與纖維狀的C-S-H凝膠交織成網(wǎng)絡(luò)狀，使水泥石結(jié)構(gòu)更為致密，所以混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B性均有較大幅度的提高。

屬于硫鋁酸鹽系膨脹劑的主要有CSA膨脹劑和明礬石膨脹劑。

CSA膨脹劑來源于K型水泥的膨脹組分（CaO-SO₃-Al₂O₃），故名CSA。CSA膨脹劑是由石灰、石膏和礬土經(jīng)配料煅燒而成的，其主要成分是無水硫鋁酸鈣（C₄A₃S）。CSA膨脹劑的摻量可以根據(jù)現(xiàn)場需要進(jìn)行調(diào)整，便于控制質(zhì)量。一般情況下，收縮補(bǔ)償混凝土中摻加CSA膨脹劑25～30kg/m³，自應(yīng)力混凝土中摻加40～60kg/m³。

明礬石膨脹劑是由天然明礬石和無水石膏磨細(xì)而成的。明礬石和石膏與水泥中硅酸鈣水化過程中析出的Ca(OH)₂相互作用，形成大量的水化硫鋁酸鈣，使混凝土體積膨脹，明礬石形成鈣礬石的速度較慢，在7～28d形成，晶體生長壓力小，膨脹量也小，與其他膨脹劑相比，達(dá)到相同膨脹率時，摻量要大。

與明礬石相比，若采用高鋁水泥替代部分明礬石與石膏配合，則在相同摻量情況下，膨脹能較大，而且膨脹產(chǎn)生的齡期可以提前，這樣不僅有助于降低膨脹劑的摻量，而且可以降低膨脹劑中的堿含量。下圖是以明礬石為主提供鋁相配制的膨脹劑（E1）和以明礬石、高鋁水泥共同提供鋁相配制的膨脹劑（E2），當(dāng)摻量同為12%時的砂漿膨脹率（水中）對比結(jié)果。

硫鋁酸鈣（calcium sulphoaluminate）

氧化鈣、氧化鋁和硫酸鈣在1300～1350℃左右化合而成的化合物，分子式Ca₄Al₆SO₁₆，又寫成3(CA)·CaSO₄或C₄A₆S。在日本、美國、中國等國家被用作混凝土膨脹劑的主要組分之一。它與水反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣，視外加石膏數(shù)量的多少，可生成不同數(shù)量的高硫型水化硫鋁酸鈣（鈣礬石）和低硫型水化硫鋁酸鈣，因而產(chǎn)生不同的膨脹量。20世紀(jì)70年代，中國建筑材料科學(xué)研究院研制成功以硫鋁酸鈣為主要強(qiáng)度源的硫鋁酸鹽水泥，相繼開發(fā)出鐵鋁酸鹽水泥。摻入不同量的石膏，分別制成早強(qiáng)水泥，膨脹水泥，自應(yīng)力水泥和低堿度水泥。這些水泥在冬季施工，自應(yīng)力水泥管，玻璃纖維增強(qiáng)水泥等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。近年來，中國已合成出含鋇和鍶的硫鋁酸鹽。

凡是由于產(chǎn)生硫鋁酸鈣水化物晶體（鈣礬石）而發(fā)生膨脹的水泥與膨脹劑均屬此類。其綜合反應(yīng)方程為：

6CaO Al₂O₃ 3SO₃ 31H₂O —→3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·31H₂O

一、高堿鋁酸鈣—礬土水泥—石膏：按細(xì)度70%通過4900孔/厘米²的高堿性水化鋁酸鈣：建筑石膏

（CaSO₄·1/2H₂O）：礬土水泥（重量比）=1：0.6：3.6再經(jīng)磨細(xì)而制成的膨脹水泥。調(diào)整高堿性鋁酸鈣與建筑石膏比例可調(diào)節(jié)凝結(jié)時間。

這種水泥的特點是凝結(jié)快（4～10min），早強(qiáng)高（20×20 x 20毫米凈漿體R₂=300kg/cm²，R₂₈=500kg/cm²），微膨脹（空氣中1天線膨脹0.05%左右，水中為0.5～1.0%）。

二、硅酸鹽自應(yīng)力水泥：是按85～88%硅酸鹽水泥熟料，加6～7.5%礬土水泥再加6～7.5%二水石膏（CaSO₄·2H₂O）經(jīng)磨細(xì)而制得。其膨脹組分——礬土水泥與二水石膏約占12～15%。當(dāng)水泥用量360～380kg/m³時，混凝土標(biāo)號在200號以上。自由膨脹率隨膨脹荊組（組分）的多少分別為5～-29×10^-4和2～5×10^-4。抗?jié)B標(biāo)號達(dá)B₂₅，作為屋面剛性防水層獲得良好的效果。在美國根據(jù)發(fā)明人B．B．MиxaиIoв的名字命名為M型水泥。

三、硫鋁酸鈣膨脹劑：日本以石灰石、礬土和化工無水石膏為原料，按CaO：Al₂O₃：CaSO₄（克分子比）=

4：1：3經(jīng)膠燒，再磨成細(xì)度為1500～2300cm²/g比表面積的粉末。這種膨脹劑以C₄A₃S及C₃S為主要礦物成分。一般拌制補(bǔ)償收縮混凝土摻量（按膨脹劑/水泥 膨脹劑重量%）7.0～11.0%。拌制自應(yīng)力混凝土為13～17%。 ’

四、明礬石膨脹劑：天然明礬石主要礦物是硫酸鉀鋁K₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·4AI(OH)₃，為生成鈣礬石提供Al³ 與SO₄^2-。

五、硫鋁酸鹽早強(qiáng)一微膨脹一自應(yīng)力水泥：由建筑材料科學(xué)研究院與石家莊水泥制品廠研制成功的一種新品新水泥。售價100～120元/噸。這種水泥是以無水硫鋁酸鈣（4CaO·3Al₂O₃·CaSO₄）及硅酸二鈣（β-C₂S）為主要礦物熟料，外摻二水石膏制成。按石膏摻量的多少，將分跳得早強(qiáng)、微膨脹與自應(yīng)力三種特性。

這種水泥初凝一般40分鐘至1小時，終凝與初凝時問間隔較?。ㄒ话?0～60min）。

由于鈣礬石與水泥的其他水化產(chǎn)物C-S-H、氫氧化鈣等相比密度較小，為1.75g/cm³，與水化前的水泥、膨脹劑等無水礦物體積相比增加很多，在混凝土中能產(chǎn)生適度的體積膨脹，抵消混凝土的干縮、化學(xué)減縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，補(bǔ)償體積收縮。同時鈣礬石結(jié)晶體不斷生長，填充混凝土膠體結(jié)合處的毛細(xì)孔隙，改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土的密實度，使外界的介質(zhì)不易侵蝕到內(nèi)部，提高混凝土的抗?jié)B性能。它們的膨脹源都是鈣釩石，其晶體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在鈣礬石晶胞中，水分子的容積達(dá)55.53%，OH^-水容積為25.63%，兩者共為81.16%，由此可見鈣礬石是一個高結(jié)晶水的水化物。如果仔細(xì)地研究鈣礬石柱結(jié)構(gòu)水的分布，便發(fā)現(xiàn)它的表面是一層水的單分子層。因此，由于鈣礬石表面電性能的特殊而吸水膨脹是引起水泥石膨脹的原因。鈣礬石的膨脹本質(zhì)是結(jié)構(gòu)水，即固相：H₂O =44.47：55.53 =1：1.25，也即體積增大125%。

硫鋁酸鹽系膨脹劑占的比例最大，使用最廣泛。

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了混凝土膨脹劑的術(shù)語和定義、分類、要求、試驗方法、檢驗規(guī)則及包裝、標(biāo)志、運(yùn)輸和貯存。本標(biāo)準(zhǔn)適用于硫鋁酸鈣類、氧化鈣類與硫鋁酸鈣