MgO对阿利特-硫铝酸盐水泥熟料矿物形成 
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0 引言
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由于天然原料含有一定量的镁,所以MgO作为次要组分存在于熟料中。这些MgO由于其含量不同将对水泥熟料的形成及水泥的性能产生不同的影响。过去的研究表明〔1～4〕,对于硅酸盐水泥,当熟料中的MgO含量小于2%～3%时,对熟料的形成及水泥性能均呈现有利作用;而当MgO含量超过3%时,随MgO含量增加,生料的易烧性降低,游离氧化钙增加,水泥的强度亦降低;过高含量的MgO将导致水泥的安定性不良。过去的研究还表明〔5～6〕,在同时含有MgO及SO3的体系中,MgO可降低SO3对C3S的形成及性能的不利影响,而SO3含量较高时,MgO的存在是C3S得以良好形成及具有良好胶凝性能的条件,而SO3亦可制约MgO的不良作用。
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对于阿利特-硫铝酸盐水泥,体系中含有较高的SO3,MgO的存在对体系中矿物的形成及水泥性能的影响将如何,尚未见详细研究报导。本研究以工业原料配料,实验室研究了不同MgO含量时对熟料矿物形成及水泥性能的影响。
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1 实验
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1.1 原料
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实验所用原料为石灰石、粉煤灰、粘土、石膏及分析纯Mg(OH)2和CaF2,化学成分如表1所示。
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1.2 试样制备
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设计基础熟料的矿物组成为:C3S 45%,C2S 30%,C4A3
15%,C4AF 5%,CaSO4 5%。按设计矿物组成将各原料配合,实配M1熟料的化学组成为:SiO2 21.69%,Al2O3 8.33%,Fe2O31.45%,CaO 60.94%,SO3 4.77%,MgO 1.20%,相应的矿物组成为:C3S 44.65%,C3S 28.57%,C4A314.82%,C4AF 4.40%,CaSO4 4.81%。将配合料中分别加入不同量的Mg(OH)2(以熟料中MgO计),MgO含量见表2。各生料试样中均外加0.25%的CaF2。 -
- 表1 原料的化学成分 %
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原料
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Loss
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SiO2
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Al2O3
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Fe2O3
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CaO
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MgO
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SO3
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Σ
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石灰石
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42.70
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2.57
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0.74
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0.16
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52.64
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0.75
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99.56
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粘土
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5.60
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67.20
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12.81
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4.39
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3.59
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1.67
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-
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95.26
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粉煤灰
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13.00
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48.93
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29.34
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3.36
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1.83
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0.81
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0.32
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97.59
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石膏
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20.62
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2.32
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0.40
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0.10
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31.88
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44.76
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100.08
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- 表2 熟料中的MgO含量 %
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将各配合料用试验球磨机粉磨,细度为0.080mm方孔筛筛余4%～6%。加约8%的水拌和均匀,用钢模在25MPa压力下制成直径50mm厚度约8mm的波形圆饼,105℃烘干。硅钼棒电炉中煅烧,煅烧条件为1300℃,保温40min,同时取少量试样在1250℃煅烧,1200℃出料,空气中急冷。将熟料加5%的石膏磨细,细度为0.080mm方孔筛筛余约4%,制得水泥。
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1.3 性能测试及结果
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fCaO测定:甘油-乙醇法测定了1250℃和1300℃下煅烧熟料中的fCaO含量,结果见图1。
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物相分析:对M1、M4、M5、M6在1300℃下煅烧的熟料试样作了XRD分析,如图2所示;对熟料作了反光显微镜岩相分析(图略);对M1、M4、M5、M6水泥水化3d的试样作了TG-DTA分析,见图3。
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熟料样
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M1
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M2
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M3
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M4
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M5
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M6
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MgO含量
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1.2
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2.0
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2.5
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3.0
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5.0
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8.0
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- 图1 熟料中MgO含量与fCaO含量的关系
- 图2 熟料试样的XRD图
- A:C3S;B:C2S;S:C4A3;M:MgO
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- 图3 试样水化3d的DTA图
- 水泥的物理性能:将试样按W/C=0.30加水,成型为2cm×2cm×2cm净浆抗压试体,标准条件养护,分别测定3d、7d和28d各龄期强度,结果见图4。凝结时间用Φ4cm×4cm圆柱模测定,结果见图5。
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- 图4 熟料中MgO含量与水泥抗压强度的关系
- 图5 熟料中MgO含量与水泥凝结时间的关系
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2 讨论
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2.1 MgO对熟料烧成性能的影响
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由各试样煅烧后的外观特征看,随MgO含量增加,高温液相量增多,熟料饼体积收缩大、致密。由图1所示的fCaO含量可见,掺加MgO后,有利于熟料中fCaO的吸收,且当MgO含量为2%～3%时作用比较显著,这与MgO的良好助熔作用有关,含有适量的MgO可降低液相的粘度,增加液相量,使C3S易于形成〔2〕。由图1还可见,MgO含量达5%～8%的试样,fCaO的含量亦较低。这与传统的硅酸盐水泥熟料不同,对于硅酸盐水泥熟料,MgO含量高时会显著增加熟料中的fCaO含量。过去的研究还指出,过高含量的MgO或SO3对硅酸盐水泥熟料的煅烧及性能均带来显著不利影响,而MgO和SO3的共同存在可对这些不利影响产生相互制约作用。阿利特-硫铝酸盐水泥熟料中含有较高的SO3,当MgO含量高时fCaO含量低,可能是这种制约作用的体现。
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2.2 MgO对矿物形成的影响
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由熟料的XRD分析图谱可见,M1熟料中主要矿物C3S和C4A3的衍射峰(C3S,d=3.03,2.96,1.76;C4A3,d=3.75,2.65,2.17)均低于含有较多MgO的M4、M5试样而略高于M6试样。由熟料的反光显微镜岩相分析也可见,M1熟料较疏松,孔洞较多,中间相较少,A矿发育不良,尺寸偏大,包裹物较多;而含MgO 3%～5%的熟料则较致密,A矿发育也完整一些,且尺寸有所减小;对于含MgO达5%的熟料,可见到有方镁石颗粒析出,在XRD图谱上也能检测出方镁石的衍射峰(d=2.10)。这说明一定量的MgO能促进熟料中C3S和C4A3两种矿物的形成,有利于在熟料中的共存。但当MgO超过一定量时,由于液相粘度增加〔2〕及MgO含量过高时降低了熟料中主要矿物的相对比例,则熟料中主要矿物的量降低。
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2.3 MgO对水泥性能的影响
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由图4可见,随熟料中MgO含量增加至5%,水泥的各龄期强度增加,当MgO含量达8%时,强度降低。这与前述对熟料中主要矿物C3S和C4A3
形成状况的分析相对应。水泥水化3d的TG-DTA分析:在约115℃的脱水失重量为:M1 8.56%、M4 9.66%、M5 9.23%、M6 8.24%;在约460℃的脱水失重量为:M1 2.23%、M4 3.18%、M5 2.29%、M6 1.86%。其反映了水化产物形成量的不同,M4、M5水化产物的形成量较多,这同样也是熟料中主要矿物形成量的反映。由上述分析可得出,含有适量的MgO能显著提高水泥的各龄期强度,当MgO含量达8%时强度降低,主要是由于熟料中主要矿物的含量降低所致。另外,从水泥石的耐久性考虑,MgO的含量也不宜过高。 -
由图5水泥的凝结时间可见,含有适量的MgO可缩短水泥的凝结时间,当MgO含量为8%时水泥的凝结时间延长。如前述,这与熟料中主要矿物的形成状况有关。
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3 结论
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1)MgO能降低液相粘度,增加液相量,改善生料的易烧性,促进fCaO的吸收;MgO也能促进C3S和C4A3的形成,有利于其在熟料中的共存。
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2)当MgO含量为2%～5%时,水泥的各龄期强度较高,凝结时间缩短;而超过5%时强度降低,凝结时间延长。
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3)阿利特-硫铝酸盐水泥熟料中可允许有较高含量的MgO存在,使高镁原料的利用成为可能。
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