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| 钙矾石 | |
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钙矾石，属于钙铝硫酸盐矿物，是一种无色到黄色的矿物晶体，通常为无色柱状晶体，部分脱水会变白。其化学分子为:3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，其中结晶水的数量与所处环境有关。[1]
混凝土中的钙矾石
混凝土中的钙矾石是由水泥水化产物C-A-H(水化铝酸钙)和硫酸根离子结合产生的结晶物水化硫铝酸钙(简称AFt)。AFt与天然矿物钙矾石的化学组成及晶体结构基本相同。
钙矾石的制备方法
目前通过实验手段制备纯钙矾石的方法主要有以下3种:[2]
第一种方法
反应溶液法。以AR级Ca(OH)2，Al2(SO4)3·18H2O为原料，按下列反应方程合成:
Al2(SO4)·18H2O+6Ca(OH)2-3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O
第二种方法
AFm转化法。先是合成AFm，1步用自蔓延(SHS)法合成CA，第2步合成AFm，称取适量CaO·CaSO4·12H2O和CA湿磨(WPC=0。14)，置于密封瓶中，在40℃下水化7d，每天定时碾磨，水化后样品经60℃烘干，产物为AFm;然后由AFm转化成AFt，AFm加水和足量石膏转化为AFt，反应方程为:
C3A·CaSO4·12H2O+2CaSO4+20H2O-C3A·3CaSO4·32H2O
第三种方法
铝酸钙(CA)转化法。按1∶1的摩尔比将Al2O3和CaO混匀，并在1200℃烧结反应完全(矿物主要为CA)，研磨后再与适量的CaO和CaSO4·2H2O配合加水反应120h，即得所需的钙矾石样品，反应满足下列方程:
CaO·Al2O3+2CaO+3CaSO4·2H2O+26H2O-3C3A·3CaSO4·32H2O
混凝土中钙矾石形成
三种类型的反应
混凝土中形成钙矾石的反应既包含液相反应，也包含固相反应。目前工程领域中使用的各种膨胀剂和膨胀水泥，在它们的水化过程中，形成钙矾石的反应主要有下列3种:
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种类型的反应，都经历相同的反应过程--水泥加水后，其矿物与石膏快速溶解产生Ca、SO4、OH等离子，形成钙矾石过饱和溶液
三步骤 这些离子通过浓差扩散聚集在一起，按照下列3步反应过程形成钙矾石:
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
钙矾石的特性
膨胀性
膨胀性是钙矾石最大的特性，水泥中CaO、Al2O3和CaSO4水化形成钙矾石能使固相体积增大约120%。
稳定性
混凝土中钙矾石的稳定性取决于以下两个方面:
a)水泥水化过程中离子成分及浓度;
b)温度。70℃是一个关键温度，AFt大约在70℃分解。
钙矾石的生长规律
混凝土中水化形成的钙矾石的生长速率和最终的长度受3个因素影响:化学因素、浆体微观结构以及混凝土或砂浆的微观结构。
研究表明水灰比对钙矾石的生长有显著的影响。在相同条件下，水灰比越大，水泥石结构越疏松，钙矾石的生成就有空间。水灰比小，水泥石结构较紧密，孔隙较小，生成的钙矾石数量较少，晶体产生各向异性生长而呈针状。