一.前言
高鋁水泥和硅酸鹽水泥都是屬于水硬性水泥，前者的主要礦物組成是鋁酸鈣，后者的主要礦物組成是硅酸鈣，由于礦物組成的不同，水泥的特性也不相同。
早在十九世紀后半頁，法國由于海水和地下水對混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕破壞事故的頻繁發(fā)生，一度成為土木工程上的重大問題，法國國民振興會曾以懸賞金鼓勵為此做貢獻者。研究者們發(fā)現(xiàn)，合成的鋁酸鈣具有水硬性，并對海水和地下水具有抗侵蝕能力。1908年，法國拉法基采用反射爐熔融法生產(chǎn)成功高鋁水泥并取得專利，解決了海水和地下水工程的抗侵蝕問題。在實際使用中還發(fā)現(xiàn)了高鋁水泥有極好的早強性，在第一次世界大戰(zhàn)期間，高鋁水泥被大量用來修筑陣地構(gòu)筑物。20世紀20年代以后，逐漸擴展到工業(yè)與民用建筑。到30年代初，在法國本土及其非洲殖民地區(qū)的一批高鋁水泥混凝土工程不斷出現(xiàn)事故，諸多研究工作者遂著手深入進行該水泥的水化硬化機理和以強度下降為中心的耐久性研究，發(fā)現(xiàn)高鋁水泥的水化產(chǎn)物因發(fā)生晶形轉(zhuǎn)變而使強度降低。此后，在結(jié)構(gòu)工程中的應用都比較慎重。而主要發(fā)展了在耐熱、耐火混凝土和膨脹水泥混凝土中的應用。20世紀八十年代以后，不定形耐火材料在耐火材料行業(yè)中的比例迅速增加，高鋁水泥作為結(jié)合劑的用量也日益增加。
中國的高鋁水泥，在建國初期為國防建設需要而開始立項研制，并開創(chuàng)性的采用回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法生產(chǎn)高鋁水泥，產(chǎn)品主要用作耐火澆注料的結(jié)合劑，以及配制自應力水泥、膨脹劑等。也成功的應用于火箭導彈的發(fā)射場地等國防建設和搶修用水泥。
近年來，隨著化學建材的迅速興起，高鋁水泥作為硅酸鹽水泥凝結(jié)硬化時間的調(diào)節(jié)添加劑已愈來愈被材料工作者重視，并將成為化學建材的重要原材料之一。其用量將大大超過耐火材.
二.高鋁水泥的制造方法與化學礦物組成
高鋁水泥的制造方法主要有以下幾種：
2.1回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法
由于中國的礬土含鐵量較低，因此具有較寬的燒結(jié)溫度范圍，比較適合用回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法生產(chǎn)?；剞D(zhuǎn)窯燒結(jié)法采用煙煤作燃料，具有生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高、質(zhì)量容易穩(wěn)定的特點，在中國被廣泛采用。
回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法的要點是：選用優(yōu)質(zhì)礬土和優(yōu)質(zhì)石灰石為原料，按一定比例配合送入球磨機，粉磨成生料，然后進入回轉(zhuǎn)窯進行燒結(jié)，燒成的熟料經(jīng)球磨機粉磨成細粉即成為高鋁水泥。
當選用工業(yè)氧化鋁和優(yōu)質(zhì)石灰石為原料時，采用天然氣和柴油或重油等無灰燃料可生產(chǎn)出白色的純鋁酸鈣水泥。由于其雜質(zhì)含量低，廣泛用來配制高檔耐火澆注料，同時由于其顏色為白色，已將它與白色硅酸鹽水泥混合用于化學建材中需要裝飾效果的場合。
回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法的組分設計一般在Al2O3－CaO－SiO2三元相圖中的CA－CA2－C2AS三角形內(nèi)，生料在回轉(zhuǎn)窯的燒結(jié)過程中，首先通過固相反應形成CA礦物，由于石灰石在分解后具有較高的反應活性，因此會局部出現(xiàn)少量C12A7礦物，但隨著溫度的提高，礬土中的Al2O3和SiO2的反應速度加大，熟料中的礦物會逐漸按設計組成達到相平衡，最終C12A7消失，熟料礦物主要礦相為CA，其次為CA2和C2AS，以雜質(zhì)存在的Fe2O3和TiO2,形成C2F和CT。
因此，用回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法生產(chǎn)的高鋁水泥，在煅燒狀態(tài)較好的情況下，不會存在C12A7（這也是化學建材用高鋁水泥中不希望存在的礦物）。用回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法生產(chǎn)化學建材用高鋁水泥，其配料成分的穩(wěn)定控制、燒成制度的嚴格掌握和穩(wěn)定水泥的礦相組成，十分重要。
2.2電弧爐熔融法
用礬土和石灰質(zhì)原料，按設計成分計算配合比混合，用電弧爐進行熔化，在控制冷卻的情況下，形成熟料。經(jīng)球磨機粉磨至要求的細度即為高鋁水泥。
用電弧爐熔融法適合生產(chǎn)CaO含量較高的高鋁水泥。用回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法生產(chǎn)的熟料，其CaO含量一般在35％以內(nèi)，因為CaO含量過高，就會使熟料的溫度燒成范圍變的狹窄而不易穩(wěn)定操作。而用熔融法生產(chǎn)，就可以配制CaO含量較高也即CA礦物含量較高的水泥，從而獲得早期強度更高的高鋁水泥，另外熔融法還適合利用高鐵礬土作原料，生產(chǎn)Fe2O3含量較高的水泥。
用熔融法生產(chǎn)高鋁水泥的技術要點是選用優(yōu)質(zhì)礬土和優(yōu)質(zhì)石灰質(zhì)原料，在熔化過程中盡可能掌握氧化氣氛，因為還原氣氛中會有FeO生成，并形成稱為Pleochroite的多色礦物，根據(jù)Midgley教授的研究[1]認為Pleochroite的化學式為：（Ca，Na，K，F(xiàn)e2+）A(Fe3+，Al)B(Al2O7)5(AlO4)6-x（Si，TiO2)x，Pleochroite的生成會對高鋁水泥的性能產(chǎn)生有害影響，導致C12A7的含量增多，使高鋁水泥的凝結(jié)硬化過程難于控制。
另外，用熔融法生產(chǎn)高鋁水泥，冷卻條件對性能會產(chǎn)生巨大的影響。因此，控制冷卻是一個重要工序。
2.3反射爐熔融法
反射爐熔融法是法國的Lafarge公司的專有技術，F(xiàn)ondu水泥，Secar51水泥，德國的海德堡生產(chǎn)的ISTRA40,ISTRA50水泥都采用反射爐熔融法生產(chǎn)。
反射爐熔融法與電弧爐熔融法同樣適合生產(chǎn)高鈣含量和高鐵含量水泥，并且需要嚴格控制氣氛和冷卻過程，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。
2.4市場上不同制造方法的幾種高鋁水泥的性能
三.高鋁水泥的特性及用途
3.1高鋁水泥的水化特性
高鋁水泥的主要礦物為鋁酸一鈣（CA）,次要礦物為二鋁酸一鈣（CA2），與水反應可用下式表示：高鋁水泥在常溫下的水化產(chǎn)物CAH10和C2AH8都屬于介穩(wěn)產(chǎn)物，它們在溫度超過35℃情況下會轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的C3AH6，在這種晶形轉(zhuǎn)變過程中，會引起強度下降，其原因為：
（1）.CAH10和C2AH8是六角片狀晶體，C3AH6為立方晶形晶體，C3AH6的結(jié)合力比CAH10和C2AH8差。
（2）.在晶形轉(zhuǎn)變過程中釋放出結(jié)晶水而使孔隙率增大。
（3）.水化初期或低溫下形成的Al(OH)3為膠狀體，充填在晶體間起增強的作用。溫度提高后鋁膠轉(zhuǎn)變?yōu)榫w三水鋁石（Al2O3·3H2O）降低了膠體的增強作用。
因此，對單獨將高鋁水泥用于結(jié)構(gòu)工程，需持慎重態(tài)度。但是由于高鋁水泥的水化產(chǎn)物不出現(xiàn)游離Ca(OH)2,也不像硅酸鹽水泥中存在C2S礦物，因此在作為耐火混凝土的結(jié)合劑時，不會發(fā)生如硅酸鹽水泥在反復加熱和冷卻的過程中因CaO和Ca(OH)2的反復形成，以及β-C2S的多晶轉(zhuǎn)變而使耐火混凝土產(chǎn)生體積不穩(wěn)定的弊病。而且高鋁水泥具有早強性，在窯爐中施工，可以盡量縮短養(yǎng)護期，即所謂“一天混凝土”，因此高鋁水泥被廣泛應用于耐火材料行業(yè)。
3.2高鋁水泥和硅酸鹽水泥的混合物的水化
3.2.1高鋁水泥的水化產(chǎn)物CAH10、C2AH8與硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物C-S-H凝膠反應形成水化硅鋁酸鈣（stratlingite）也稱為水化鈣黃長石C2ASH8,由于C2ASH8的形成，避免了CAH10和C2AH8因轉(zhuǎn)化為C3AH6而產(chǎn)生的強度下降。
3.2.2高鋁水泥值得注意的特性之一是具有能加快硅酸鹽水泥凝結(jié)時間，加速強度發(fā)揮和緩解水化熱的性能。圖1為高鋁水泥和普通硅酸鹽水泥簡單混合時高鋁水泥的加入量對硅酸鹽水泥凝結(jié)時間的影響曲線，由圖1可見不同的高鋁水泥對硅酸鹽水泥的促凝效果有一定的區(qū)別，但總的趨勢比較接近。
3.2.3精心選擇高鋁水泥的適宜添加量，可以使與硅酸鹽水泥的混合物獲得滿意的水化性能，既獲得了高的早期強度，又保留了良好的長期強度。圖2表示了不同高鋁水泥與硅酸鹽水泥的混合物對膠砂強度的影響，當高鋁水泥的加入量為10％時，不僅可以獲得一定值的6小時強度，而且在養(yǎng)護過程中強度還會不斷增長。28天的強度值基本上達到純硅酸鹽水泥的28天強度值。而且三種不同的高鋁水泥效果基本相同。
綜上所述，高鋁水泥和硅酸鹽水泥的混合物可以改變原有兩種水泥的性能，而開發(fā)出各種新型膠凝材料。
3.3高鋁水泥與石膏混合物
高鋁水泥和各種石膏的混合物，在加水攪拌后發(fā)生相互反應，而形成鈣礬石，
3CA+3CaSO4+41H2O→C3A·3CaSO4·32H2O+6Al(OH)3
3CA+CaSO4+21H2O→C3A·CaSO4·12H2O+6Al(OH)3
石膏礬土膨脹水泥，無水石膏礬土水泥，止水堵漏水泥，自應力水泥和混凝土膨脹劑都是利用上述反應原理。
隨著石膏形態(tài)的不同，膨脹效果也會產(chǎn)生很大區(qū)別，使用無水石膏膨脹效果比較好,且容易穩(wěn)定。半水石膏反應迅速，膨脹量大，且不易穩(wěn)定。究竟采用哪種石膏，需要根據(jù)開發(fā)的產(chǎn)品性能要求而定。
近十幾年來，商品砂漿的迅速興起，利用石膏和高鋁水泥的膨脹效應，往往用作收縮補償，以克服砂漿的開裂問題。實際上，在形成鈣礬石的過程中希望形成高結(jié)合水的3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O鈣礬石，在富Ca(OH)2的條件下，高含水的鈣礬石比較容易形成，而硅酸鹽水泥水化時就可以提供Ca(OH)2，有時可以另外配入Ca(OH)2。
3.4高鋁水泥具有抗生物酸侵蝕的性能，已廣泛用于污水管道的制造和某些食品加工廠的地面材料。
四.高鋁水泥應用于配制商品砂漿――一個極具開發(fā)前景的領域
由第三節(jié)所述內(nèi)容可知，高鋁水泥加入到硅酸鹽水泥中，可以加快混合物的凝結(jié)時間和加速強度的早期發(fā)揮。當合理的選用各種添加劑，即可配制出既有快凝快硬的性能，還能獲得所需要的流動性，保水性，粘結(jié)性以及收縮補償性。
例如地面自流平材料，二次地面基線找平，以及舊地面的修補，一方面需要通過添加劑獲得優(yōu)秀的自流平性能，而且需要獲得快速硬化的性能，快速吸收水份的性能，以便可以盡快能行走進行下一個工序。
高鋁水泥應用于化學建材，首先是為了加快凝結(jié)和硬化，以達到增加工作效率的目的。但實際上，高鋁水泥主要組分的反應基礎應該是鋁酸鈣與硫酸鈣與氫氧化鈣或來源于硅酸鹽水泥中的氫氧化鈣之間的反應，反應產(chǎn)物鈣礬石是一種含有大量結(jié)合水的礦物（含32H2O），通過這一礦物的快速形成，可以使硬化體在短時間內(nèi)具有低的殘余水。從而可降低硬化體因水份蒸發(fā)而產(chǎn)生大的收縮。
利用高鋁水泥和硅酸鹽水泥混合后產(chǎn)生的這一系列性能，已廣泛用來配制各種商品砂漿。如：
瓷磚粘貼劑、瓷磚薄膠泥、自流平地面材料、密封材料、止水堵漏材料、快硬砂漿、修補砂漿、粘結(jié)砂漿、澆注砂漿
五.與硅酸鹽水泥、石灰、石膏配制加熱硬化型水泥制品
加熱硬化型水泥組成物是一種由硅酸鹽水泥、高鋁水泥、石膏類、石灰類組成的混合物。在加水混合后，在水泥存在的情況下，在常溫下硬化速度遲緩，但經(jīng)60℃以上加熱會急速硬化而形成制品，其反應本質(zhì)是高鋁水泥中的鋁酸鈣與硅酸鹽水泥中的Ca(OH)2和無水石膏或半水石膏在60℃以上急劇反應形成鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）。
日本積水化學已利用這一原理生產(chǎn)建筑外墻板，由于在加熱加壓過程中只需保持30分鐘即可成型板材，大大縮短了水泥制品的生產(chǎn)周期，給大型板材連續(xù)機械化生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。
加熱硬化型水泥組成物，由硅酸鹽水泥81～96.5％，高鋁水泥10～2.4％，無水石膏及半水石膏5～0.7％，石灰5～0.5，以水泥混合物為100％，在加入0.2～2.0％的堿金屬有機碳酸鹽，經(jīng)混合而成。
堿金屬碳酸鹽如蘋果酸鈉、乙二醇酸鈉等的加入可以改善混合物的加熱成型性能，使剛剛加熱硬化后的制品的機械強度發(fā)揮良好，防止成型物脫模時出現(xiàn)損壞。
加熱硬化型水泥混合物與細木片，木屑的混合經(jīng)加水加壓加熱可形成不同體積密度的大型板材。它具有優(yōu)良的強度、防火性能和耐久性，已成功的用作內(nèi)外墻板。
加熱硬化型水泥混合物還可以與聚合物涂層等一起熱壓形成復合制品，起到增強和裝飾作用。六.結(jié)束語
以鋁酸鈣為主要礦物的高鋁水泥已有近100年的應用開發(fā)歷史，過去主要利用其單一水泥的特性進行使用，如因其具有耐海水侵蝕性而使用于海港工程；利用其快速硬化性能而用于軍事?lián)屝薰こ?；利用其耐火耐熱性而應用于不定形耐火材料等。近代，隨著化學建材的開發(fā)，高鋁水泥和硅酸鹽水泥的復合性能已愈來愈被人們重視，因為兩種水泥復合后既能保留硅酸鹽水泥的后期強度，又能利用高鋁水泥的早強特性；既能保留硅酸鹽水泥的耐久性，又能克服高鋁水泥因水化產(chǎn)物晶形轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的后期強度損失問題；同時還能利用高鋁水泥和硅酸鹽水泥和石膏共同反應形成鈣礬石這一高含水礦物，起到快速硬化、快速吸水、收縮補償?shù)茸饔?，從而獲得良好的砂漿性能。
各種化學添加劑的使用，使這種水泥混合物獲得優(yōu)良的流動性。粘結(jié)性等各種使用性能，使商品砂漿獲得了無限發(fā)展空間。
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