S-AC新型混凝土膨胀剂的生产和应用研究

　　摘要:介绍了一种新型混凝土膨胀剂S-AC ，其膨胀熟料是用预热分解窑生产, 及S-AC膨胀剂的性能试验,试验表明S-AC膨胀剂，膨胀性能高、收缩回落值低，膨胀性能稳定，有效降低了水泥的水化热，能补偿混凝土各龄期的收缩,提高混凝土的抗裂性、密实性、抗碳化性等，是配制高膨胀、低收缩高性能混凝土的理想材料。

　　关键词:S-AC膨胀熟料  膨胀剂  低收缩  抗碳化

　　一.前言

　　目前国内市场上的通用膨胀剂产品，基本只能达到国家标准中的I型产品质量要求，加之许多销售膨胀剂的厂家没有膨胀熟料的生产能力，通常采用硬石膏加一些煤矸石、工业铝渣、煅烧高岭土、明矾石或粉煤灰等低活性的铝质材料生产膨胀剂产品，导致生产出来的膨胀剂产品膨胀率大多处于I型合格产品的边缘，只有少数膨胀剂厂家采购或自已煅烧含铝质膨胀熟料，由于含铝质膨胀熟料的活性和矿物组成不稳定，用其配制膨胀剂的性能波动较大，生产成本较高，同时铝质膨胀熟料需水量大，并且21d空气中的干缩率大，配制出的膨胀剂在工程应用过程中，会严重影响混凝土的施工性能，表现为混凝土坍落度损失快，混凝土早期养护苛刻，混凝土的干缩率大，会导致一些项目上使用了膨胀剂配制的补偿收缩混凝土也存在开裂的现象。

　　公司在游教授指导下,参考国外膨胀熟料（日本CSA膨胀剂）的主要矿物组成，经过反复的试验研究，研制开发一种高性能钙-铁质膨胀熟料，在新型干法水泥生产线（预热分解窑）中烧制成功，将膨胀熟料与硬石膏、高铝煤矸石、明矾石、焦宝石、偏高岭土及水化热抑制剂等特种功能材料粉磨至比表面积250-350m²/kg。该S-AC膨胀剂各种性能指标优于混凝土膨胀剂国家标准II型产品的指标要求。目前，我公司已建立日产1200吨高性能钙-铁质膨胀熟料生产基地，年产膨胀熟料约40万吨，预计可年产100万吨S-AC膨胀剂，这将大大提高我公司混凝土膨胀剂的质量和技术服务水平。

　　二.S-AC膨胀熟料生产及其膨胀剂的生产流程

　　主要原材料的控制指标：

　　钙质原料：SiO2＜1.0%，CaO＞53.0%

　　铁质原料：Fe2O3＞65.0%，SiO2＜8.0%

　　页岩原料：SiO2＞50.0%，Al2O3＞20.0%

　　硬石膏：SO3＞52.0%

　　煤矸石、焦宝石、偏高岭土：Al2O3＞30.0%

　　明矾石： Al2O3 和SO3 合量＞35.0%

　　燃煤：灰分＜12%，发热量＞6000kJ/kg

　　水化热抑制剂

　　（1）S-AC膨胀熟料生产流程

　　日产膨胀熟料1200吨生产线[Page]

　　熟料生产线出窑膨胀熟料

　　熟料生产线检测中心

　　游教授亲临现场指导

　　（2）S-AC膨胀剂的生产流程

　　S-AC膨胀剂粉磨流程图

　　三源公司S-AC膨胀剂生产线实景图

　　三源公司S-AC膨胀剂生产线中心控制室

　　三源公司S-AC膨胀剂生产线全自动生产控制系统[Page]

　　三.S-AC熟料及膨胀剂的性能检测

　　1）S-AC膨胀熟料XRD衍射图和SEM图片　　

　　S-AC膨胀熟料XRD衍射图

　　S-AC膨胀熟料的XRD分析表明熟料中的主要矿物为：

　　f-CaO，次要矿物为C3S以及C4AF。化学分析熟料的组成为

　　f-CaO ：50～55%，C3S：25～35%，C4AF：15～20%

　　S-AC膨胀熟料的SEM图

　　立升重1350～1380 g/L

　　球形状的f-CaO晶粒尺寸在10微米左右，f-CaO晶粒被C3S和C4AF包裹着，延迟了f-CaO的水化速度。

　　立升重1380～1420 g/L

　　球形状的f-CaO晶粒尺寸在15微米左右，由于f-CaO晶粒尺寸随着煅烧的温度越高，其晶粒尺寸增大。

　　（2）掺S-AC膨胀剂水泥石XRD衍射图和TEM图片

　　掺S-AC膨胀剂水泥石XRD衍射图

　　对比水泥和水泥中掺10%S-AC膨胀剂水泥的水化28d的XRD结果显示：S-AC膨胀剂主要结晶性水化产物为氢氧化钙和钙矾石，水化产物单纯。图谱中只有氢氧化钙和钙矾石的衍射峰强度增大，说明掺S-AC膨胀剂后水泥产物体系中只有氢氧化钙和钙矾石物相含量的增加，没有其它新晶体生成，属于硅酸盐水泥体系。

　　水泥石与掺S-AC膨胀剂水泥石的SEM图

　水泥石的SEM图　　　掺S-AC膨胀剂水泥石的SEM图

　　对比水泥中和掺10%S-AC膨胀剂水泥浆体水化产物SEM图片，水化产物中能观察到掺S-AC膨胀剂的水泥石中生成了大量的钙矾石和氢氧化钙晶体，大多生长在一些孔隙中，提高了混凝土的密实度。氧化钙为早期膨胀源，具有较高的膨胀能力，石膏和高铝煤矸石、明矾石、焦宝石、偏高岭土等铝质材料水化生成的钙矾石为中、后期膨胀源，具有较好的补偿作用。

　　（2）掺S-AC膨胀剂砂浆水化热曲线

　　　水化热曲线[Page]

　　S-AC膨胀剂加入了水化热抑制剂，能控制膨胀剂的反应速率，降低了水泥的水化热，延迟最高温升的到达时间，有效降低绝热温升，有利于减少膨胀能早期的消耗，提高了膨胀剂在胶砂或混凝土中的有效膨胀,减少了空气中的干缩率。

　　四.S-AC膨胀剂砂浆性能试验

　　（1）S-AC，UEA，HEA砂浆限制膨胀率对比　　

　　S-AC膨胀剂比UEA和HEA膨胀剂的限制膨胀率大，掺S-AC限制膨胀剂水中7d的膨胀率高于0.05%，21d干空中限制膨胀率高于-0.010%，符合混凝土膨胀剂GB23439-2009规定的Ⅱ型产品指标。

　　（2）不同水泥品种砂浆限制膨胀率对比　　

　　相同强度等级四种不同厂家的普通硅酸盐水泥和基准水泥，掺10%S-AC的砂浆其限制膨胀率的差距较小，结果说明 S-AC膨胀剂对水泥的适应性较好。

　　五.混凝土性能测试

　　混凝土配合比（kg/m³）： UEA， HEA， S-AC掺量为10%　　

　　（1）混凝土施工性能　

　　掺S-AC相对于掺UEA和HEA的混凝土，30min，60min后塌落度损失较小，施工性能较好。

　　（2）S-AC，UEA，HEA混凝土限制膨胀率及各个龄期强度对比　　

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　　（3） S-AC，UEA，HEA混凝土碳化深度试验结果对比　　

　　混凝土的各个龄期的强度都达到了设计等级，掺S-AC膨胀剂的混凝土强度较高。相同掺量下，S-AC比UEA，HEA的限制膨胀率要大，混凝土限制膨胀率的增加会明显提高其抗裂性能，对减少混凝土的有害裂缝起到关键作用，能够提高混凝土的耐久性能。

　　在三个不同等级混凝土中分别加入UEA，HEA和S-AC膨胀剂，都能改善混凝土的抗碳化性能，而且混凝土的碳化深度随着碳化时间的延长而变大。本公司开发S-AC膨胀剂含有适量f-CaO，它是早期膨胀源，又可对混凝土"补钙"，相对于掺UEA，HEA膨胀剂的混凝土的抗碳化能力较好。其作用机理为一是密实混凝土；二是f-CaO水化生成Ca(OH)2，与水泥通过溶解析晶过程生成的Ca(OH)2不同，在碳化过程中形成CaCO3后，固体体积膨胀，会使混凝土表面结构更密实，这对提高混凝土的抗碳化性能具有重要作用。

　　六.结论

　　1. S-AC混凝土膨胀剂的水化产物为氢氧化钙和钙矾石相，结果表明S-AC混凝土膨胀剂属于钙矾石-氧化钙双膨胀源的膨胀剂。氧化钙为早期膨胀源，具有较高的膨胀能力，而有石膏和高铝煤矸石、明矾石、焦宝石、偏高岭土等铝质材料水化生成的钙矾石为中、后期膨胀源，具有较好的补偿作用。

　　2.S-AC混凝土膨胀剂加入了水化热抑制剂组分，降低了水泥的水化热，有利于减少膨胀能早期的消耗，提高了补偿收缩的有效能力。

　　3.掺S-AC混凝土膨胀剂砂浆具有高膨胀、低收缩性能。

　　4.掺S-AC混凝土膨胀剂混凝土抗压强度、抗碳化性能都得到提高，适合配制特殊补偿收缩混凝土。