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1前言

1974年，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院的技術(shù)人員在對(duì)無(wú)水硫鋁酸鹽進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，發(fā)明了以硫鋁酸鈣(CS)和硅酸二鈣(C2S)為主要礦物的硫酸鹽水泥，1987年，又采用鐵礬土研制成功了以硫鋁酸鈣(C，s)、硅酸二鈣(CS)和鐵相(CF或C,AF)為主要礦物的鐵鋁酸鹽水泥。鐵鋁酸鹽水泥的礦物組成特征是以其含有大量的硫酸鹽礦物(CA)而區(qū)別于其它水泥，并由此構(gòu)成了鐵鋁酸鹽水泥早強(qiáng)、高強(qiáng)、高抗?jié)B、高抗凍、耐腐蝕、低堿性和生產(chǎn)能耗低等基本特點(diǎn)。

2鐵鋁酸鹽水泥混凝土的配制材料

2．1鐵鋁酸鹽水泥的定義

鐵鋁酸鹽水泥是以適當(dāng)成份的石灰石、礬土(鐵礬土)和石膏為原料低溫(1300～1350％)煅燒而成的以C4AS、C，S和C4AF為主要礦物組成的熟料，通過(guò)摻加適量混合材(石膏)等進(jìn)行共同粉磨所制成的。其水化產(chǎn)物主要由鈣礬石、單硫型水化硫鋁酸鈣、鋁膠和鐵膠等組成。

2．2鐵鋁酸鹽水泥的技術(shù)性能

鐵鋁酸鹽水泥的比重與硅酸鹽水泥相比較低，一般波動(dòng)范圍在2．482．94之間。水泥的粉磨細(xì)度也較高，大大超過(guò)了硅酸鹽水泥的指標(biāo)要求，由于鐵鋁酸鹽水泥細(xì)度較高，水化速度快，因此造成混凝土的塌落度損失過(guò)大，將會(huì)給混凝土的施工操作帶來(lái)困難。鐵鋁酸鹽水泥的初終凝結(jié)時(shí)間比較硅酸鹽水泥快得多，一般其初凝時(shí)間在30～50min之間，終凝時(shí)間在40～90min之間，而且初終凝時(shí)間之差一般較硅酸鹽水泥短得多。

2．3集料

鐵鋁酸鹽水泥混凝土對(duì)集料的要求與普通水泥混凝土對(duì)集料的要求基本上是一致的。在用鐵鋁酸鹽水泥制備高強(qiáng)混凝土的，粗集料宜選用密實(shí)堅(jiān)硬的石灰?guī)r或深層火成巖。最大料徑不超過(guò)20mm；細(xì)集料除了要求砂的細(xì)度模數(shù)外，還需嚴(yán)格控制含泥量，含泥量過(guò)高將會(huì)對(duì)混凝土的強(qiáng)度和其它性能產(chǎn)生不利的影響。值得說(shuō)明的是，目前堿活性集料在我國(guó)一些地區(qū)分布較廣，一些工程已經(jīng)發(fā)生了由于混凝土的堿一集料反應(yīng)而產(chǎn)生的破壞，鐵鋁酸鹽水泥能有效地抑制活性石英玻璃的堿一硅酸鹽反應(yīng)膨脹及高活性白云質(zhì)石灰?guī)r的堿一碳酸鹽反應(yīng)膨脹。因此，在不得不使用堿活性集料的場(chǎng)合，采用鐵鋁酸鹽水泥可以作為防止堿一集料反應(yīng)破壞發(fā)生的一種有效技術(shù)手段。

2．4關(guān)于鐵鋁酸鹽水泥混凝土的配合比設(shè)計(jì)

鐵鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥相比在性能上有明顯的差別，它的初凝時(shí)間較短，其拌合物的坍落度損失也較快，但早期強(qiáng)度發(fā)展迅速，因此在進(jìn)行鐵鋁酸鹽水泥混凝土配合設(shè)計(jì)時(shí)除了應(yīng)滿足混凝土的強(qiáng)度要求外，還必須考慮混凝土的施工操作性能，包括混凝土的初凝時(shí)間、坍落度和坍落度損失的控制。鐵鋁酸鹽水泥以3d齡期定為水泥標(biāo)號(hào)，其混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展比普通水泥混凝土高很多，因此普通水泥中強(qiáng)度與W／C的對(duì)應(yīng)關(guān)系不適應(yīng)于鐵鋁酸鹽水泥混凝土。鐵鋁酸鹽水泥的理論水灰比約為0．44，遠(yuǎn)高于硅酸鹽水泥的理論水灰經(jīng)，因此在用鐵鋁酸鹽水泥配制高標(biāo)號(hào)混凝土?xí)r，由于水灰比一般較低，將會(huì)有相當(dāng)一部分水泥顆粒不能水化，很難得到硬度與水灰比之間所對(duì)應(yīng)關(guān)系。用鐵鋁酸鹽水泥配制高強(qiáng)混凝土必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的具體情況通過(guò)試配確定。已有的工程實(shí)踐和試驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)可作為試配的依據(jù)。

3鐵鋁酸鹽水泥混凝土的抗?jié)B性物理力學(xué)性能

為了考察鐵鋁酸鹽微膨脹水泥混凝土的抗?jié)B性能與其它類型的混凝土進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，鐵鋁酸鹽水泥混凝土的抗?jié)B性之所以好，是因?yàn)樵撍嗔蜾X酸鈣水化產(chǎn)物在受到水化空間等鄰位限制的條件下，向各孔隙延伸發(fā)展，使得未來(lái)的通道一一斷開(kāi)。除此以外，鐵膠和鋁膠類水化產(chǎn)物不斷填充空隙，這種雙重作用的疊加，使得混凝土的孔隙率降低，最可幾孔徑向小孔徑漂移。鐵鋁酸鹽水泥混凝土的抗?jié)B性優(yōu)于防水劑混凝土的原理即是如此鐵鋁酸鹽水泥劑混凝土在其自身的膨脹過(guò)程中受到各種限制的內(nèi)部機(jī)制發(fā)生了與防水劑混凝土不同的變化，各水化物之間相互擠壓，獲得相互連生、搭連，從而具有較高的抗裂性和抗?jié)B性。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果表明，由于早期強(qiáng)度高，其3—7d的抗?jié)B能力與硅酸鹽水泥混凝土28d的抗?jié)B能力相當(dāng)。齡期為7d的摻外加劑的鐵鋁酸鹽水泥高強(qiáng)混凝土逐級(jí)加至15kg／cm時(shí)試件的平均透水高度僅為1cm。

4鐵鋁酸鹽微膨脹水泥混凝土的性能

4．1不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗壓及抗折強(qiáng)度

表2是LT廠生產(chǎn)的鐵鋁酸鹽微膨脹水泥混凝土在不同養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓和抗折。從表中的數(shù)據(jù)可知，混凝土的早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。與硅酸鹽水泥混凝土相比，其抗折強(qiáng)度的早強(qiáng)效果尤為明顯，這對(duì)工程施工中防止或避免早期裂縫的產(chǎn)生有一定的益處。鐵鋁酸鹽水泥微膨脹混凝土的強(qiáng)度比較穩(wěn)定，受養(yǎng)影響較小，尤其是抗折強(qiáng)度較高，說(shuō)明其斷裂韌性優(yōu)良。不過(guò)，在水中養(yǎng)護(hù)的混凝土后期的抗折強(qiáng)度要高一些。抗壓強(qiáng)度(MPa)抗折強(qiáng)度(MPa)養(yǎng)護(hù)條件3d7d28d3d7d28d自然養(yǎng)護(hù)34．86162．O4．87．88．O標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)39．962．966．65．18-2702水中養(yǎng)護(hù)34．163．268．14．68．5I1．4水養(yǎng)14d轉(zhuǎn)干空34．163．267．84．68．510．5注：混凝寸=的配合比為：水泥：砂：石：水=l：l78：2．63：o．4。

4．2微膨脹混凝土的變形行為

結(jié)構(gòu)物的開(kāi)裂大多數(shù)是屬于變形變化(溫度、收縮、不均勻沉陷)引起的。普通混凝土在自身強(qiáng)度發(fā)展過(guò)程中，伴隨著幾種收縮，這些收縮變形是引起結(jié)構(gòu)物開(kāi)裂的主要原因之一。由于普通混凝土的干縮遠(yuǎn)大于其限拉伸率，因此普通混凝土本身不能克服這一缺點(diǎn)。自從補(bǔ)償收縮混凝土問(wèn)世以來(lái)，借助膨脹水泥中膨脹水化產(chǎn)物的膨脹性能，在一定程度是克服了混凝土的干縮開(kāi)裂。

4．3微膨脹混凝土28d內(nèi)的變形特性

為了進(jìn)行比較，對(duì)不同養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土在限制條件下的變形進(jìn)行了測(cè)定，混凝土試件成型后先放入水中，7d后必須入干空室，相對(duì)濕度為60％，普通混凝土在水化早期放入水中生產(chǎn)生一定的濕脹，一旦放入干空室，其干縮迅速達(dá)到并超過(guò)混凝土的拉伸極限值。而還殘留有較高的正變形。相對(duì)正變形(限制膨脹)為4x10左右。作為補(bǔ)償收縮混凝土，鐵鋁酸鹽水泥微膨脹混凝土是優(yōu)質(zhì)的。水中養(yǎng)護(hù)的膨脹較大，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)次之，自然養(yǎng)護(hù)較小。干濕循環(huán)養(yǎng)護(hù)時(shí)，試件出水后開(kāi)始收縮，28d時(shí)試件的尺寸仍大于自然養(yǎng)護(hù)的試件。

4．4長(zhǎng)齡期混凝土的脹縮特性

判斷混凝土補(bǔ)償收縮能力的主要依據(jù)是其長(zhǎng)期干濕循環(huán)條件下的變形情況，我irish道普通混凝土在干濕循環(huán)條件下，結(jié)構(gòu)尺寸漸超于某一穩(wěn)定點(diǎn)，這個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)對(duì)初始尺寸是負(fù)變形，并且超過(guò)混凝土的極限變形。鐵鋁酸鹽微膨脹水泥混凝土在水中養(yǎng)護(hù)一個(gè)月后放入干空室(20+3℃，相對(duì)濕度60％)讓其充分干縮(時(shí)間為1年)，然后放置于水中養(yǎng)護(hù)(時(shí)間也為1年)，一年后再置于干空室干縮。鐵鋁酸鹽微膨脹水泥混凝土水中養(yǎng)護(hù)置于干空室后仍會(huì)干燥收縮，而且有一定的落差。第三次回水養(yǎng)護(hù)后，試件的膨脹恢復(fù)非常迅速。雖最終并未恢復(fù)到原有的膨脹水平，但再次干燥收縮時(shí)，則有一個(gè)突出的特點(diǎn)，第二次干縮的落差很小，干縮速率變慢，且經(jīng)一年干縮后試件尺寸趨于穩(wěn)定，基本不再收縮。這個(gè)趨于穩(wěn)定的狀態(tài)處于正變狀態(tài)，甚至高于第一次干縮后的狀態(tài)。工程實(shí)踐中將鐵鋁酸鹽水泥混凝土作補(bǔ)償收縮結(jié)構(gòu)材料時(shí)，露天結(jié)構(gòu)由于在干濕交替變化的條件中，該混凝土仍然處于正變狀態(tài)。不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。其次，用于溫濕度變化很小的地下工程，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，由于鐵鋁酸鹽水泥的膨脹而產(chǎn)生的自應(yīng)力以及水化產(chǎn)物的縱橫連生，結(jié)構(gòu)會(huì)更加致密。

5結(jié)論

鐵鋁酸鹽水泥的性能特點(diǎn)與傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥相比有著明顯的差別，既有優(yōu)點(diǎn)又有缺點(diǎn)，如早期水化熱過(guò)于集中對(duì)早期強(qiáng)度的發(fā)展有利，但對(duì)于大體積混凝土溫度裂縫的控制的確有不利的一面。不過(guò)，在具體的使用條件下，不利條件可以轉(zhuǎn)化為有利條件，只要措施得當(dāng)，在大體積混凝土有防滲要求的混凝土工程中應(yīng)用鐵鋁酸鹽水泥會(huì)比使用普通硅酸鹽水泥取得更好的技術(shù)效果。

鐵鋁酸鹽水泥的初凝時(shí)間比硅酸鹽水泥快，在進(jìn)行混凝土的連續(xù)施工作業(yè)時(shí)應(yīng)摻加專用的#t-,~nN以控制混凝土的凝結(jié)時(shí)問(wèn)和和易性。鐵鋁酸鹽水泥總水化熱量雖然不比硅酸鹽水泥高，但70～80％集中在1224h之間釋放，混凝土的早期水化熱相當(dāng)高。因此應(yīng)避免在炎熱氣候下進(jìn)行大體積混凝土的施工，因?yàn)槿绻炷涟韬衔锏臏囟忍撸嘣缙诩兴笤斐苫炷羶?nèi)部升溫過(guò)高，影響混凝土的質(zhì)量。再者，鐵鋁酸鹽水泥的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律與硅酸鹽水泥不同。采用鐵鋁酸鹽水泥施工可以及早脫模，加快施工進(jìn)度。最后，鐵鋁酸鹽微膨脹水泥具有補(bǔ)償收縮的作用效果，從而可以減少混凝土的開(kāi)裂。