(陜西省建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院， 陜西 西安 710032)

淺談硅酸鹽水泥中硫酸鹽的類型與作用

楊 洋

(陜西省建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院， 陜西 西安 710032)

在硅酸鹽水泥中，雖然硫酸鹽的含量較低，但種類較多且應(yīng)用復(fù)雜，因此，將硫酸鹽類型與作用進(jìn)行細(xì)分，有益于水泥的生產(chǎn)加工和使用。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，闡述了硅酸鹽水泥中硫酸鹽的種類，并對(duì)硫酸鹽在硅酸鹽水泥中具體作用進(jìn)行論述。

硅酸鹽水泥；硫酸鹽；類型與作用

前言：長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)水泥中硫酸鹽的類型和作用進(jìn)行了大量的研究工作，在以往的研究過(guò)程中也只是根據(jù)SO3的含量來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。隨著監(jiān)測(cè)分析技術(shù)的日益發(fā)展以及人們對(duì)水泥生產(chǎn)應(yīng)用需求的提升，很多問(wèn)題都需要相關(guān)人員做深入研究。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，硫酸鹽不僅在水泥中可以產(chǎn)生積極作用，同時(shí)還存在著潛在危害。通過(guò)研究，可以確保水泥在實(shí)際生活中得到合理應(yīng)用，也可以防治一些污染問(wèn)題出現(xiàn)。

1 硅酸鹽水泥中的硫酸鹽

1.1 硫酸鹽的主要類型

對(duì)于硅酸鹽水泥原料來(lái)說(shuō)，主要包括熟料和混合材，由于經(jīng)過(guò)了高溫處理，水泥中大量硫元素通常以六價(jià)形式存在，這也說(shuō)明了水泥中主要礦物元素以硫酸鹽為主。其中硫酸鹽的分類也可以有多種類型，為了方便研究，通常人們都按照陽(yáng)離子類型、溶解性能高低和晶體存在的具體形式進(jìn)行分類。對(duì)于硅酸鹽水泥中可能存在的硫酸鹽類型，主要來(lái)源就是外摻石膏和熟料，二者都含有豐富的硫元素。由于六價(jià)硫化學(xué)屬性不穩(wěn)定，造成了硫酸鹽在形成過(guò)程中彼此之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，特別是在水泥生產(chǎn)過(guò)程中助磨劑的加入。這種助磨劑具有很強(qiáng)催化效果，促進(jìn)硫酸鹽之間的化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生出了更多的硫酸鹽，但并不是所有水泥中都具有上述類型的硫酸鹽[1]。

相關(guān)研究人員認(rèn)為，水泥熟料中除了含有大量的硫酸鉀和硫酸鈉以外，還有結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的K6Na2(SO4)4以及K1Ca2（SO4）3等存在。在以往科學(xué)研究過(guò)程中，一般都是通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)硅酸鹽水泥的詳細(xì)研究，隨著科技的不斷發(fā)展，在近幾年的研究中加入了很多新的測(cè)試手段，已經(jīng)有學(xué)者提出了熟料中的硫酸鹽基本都是以復(fù)鹽形式存在，或者以混合鹽形式存在。但針對(duì)于硫鋁酸鈣和硫硅酸鈣這種更為復(fù)雜的硫酸鹽是否存在，學(xué)者們說(shuō)法還未得到統(tǒng)一。在研究中，學(xué)者們通過(guò)高溫加熱，觀察酸鹽礦物？存在情況，并通過(guò)長(zhǎng)達(dá)10天的高溫作用，發(fā)現(xiàn)了少量的硫硅酸鈣和硫鋁酸鈣。

另外，通過(guò)溫度持續(xù)升高，直到1300℃時(shí)，依然有硫酸鈣沒(méi)有分解，這也充分說(shuō)明了熟料中含有大量硫酸鹽成分。另外，用選擇性富集方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，熟料中含有大量的硫酸鉀和硫酸鈣，而且，在SO3含量為2%的熟料中，還會(huì)出現(xiàn)3CaO·3Al2O3·CaSO4等物質(zhì)，對(duì)于此物質(zhì)可能存在的地方，相關(guān)人員也沒(méi)有做出最后確定，只是大致確定了有可能存在于貝利特中。我國(guó)在此問(wèn)題研究過(guò)程中也沒(méi)有落后，經(jīng)過(guò)劉寶元等人的共同努力，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)SO3在硅酸鹽中的固溶量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，C2S固溶SO3的數(shù)量是最大的。從上述研究中我們可以得出結(jié)論，水泥中硫酸鹽的復(fù)鹽形式可能有很多種，因?yàn)楦鶕?jù)硫酸鉀和硫酸鈣經(jīng)過(guò)高溫作用以后發(fā)生的變化，就可以形成很多復(fù)鹽形式[2]。

1.2 硅酸鹽水泥中的硫酸鹽變化

對(duì)于硅酸鹽水泥中的硫酸鹽來(lái)說(shuō)，主要有兩大來(lái)源，一是熟料中，二是外摻石膏，隨著人們對(duì)水泥的需求量不斷提升，導(dǎo)致了水泥工業(yè)廢料數(shù)量不斷上漲，這讓水泥中的硫酸鹽來(lái)源發(fā)生了很大變化，而原生硫酸鹽的增加，就是這種變化最好的說(shuō)明。

由含有大量硫元素的工業(yè)廢料參與到水泥制作過(guò)程中，在高溫加熱之后，會(huì)使得熟料中的SO3含量明顯增加，如果在制作階段在加入礦化劑，SO3會(huì)比以往高出3%，傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)中，SO3含量最多也就只有0.5%，這是針對(duì)于傳統(tǒng)濕法生產(chǎn)來(lái)說(shuō)的，如果利用窖外分解法來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)，熟料中的SO3含量會(huì)比之前大大增加，如果在通過(guò)高溫處理，其含量會(huì)接近于水泥中SO3的最終含量，從而使硅酸鹽水泥中的硫酸鹽增多[3]。

2 硫酸鹽在硅酸鹽水泥中的作用

2.1 調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間

在水泥中加入各種形式的硅酸鹽，可以降低熟料中礦物元素的水化速度，從而有效延遲了水泥整體水化時(shí)間，保證水泥在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持特性。

一直以來(lái)，很多學(xué)者在這方面做了大量研究，為了就是延長(zhǎng)水泥的凝結(jié)時(shí)間，確保水泥能夠被人們更好利用。經(jīng)過(guò)對(duì)研究進(jìn)行總結(jié)，很多人認(rèn)為C3A的表面吸附很多硫酸鹽，從而減緩了礦物元素的水化時(shí)間，還有很對(duì)人認(rèn)為，部分硫酸鹽溶解程度較高，使得水泥中的硫酸鹽過(guò)度飽和，從而有效避免了AFm的產(chǎn)生，更有益于AFt的形成，為此，也能起到減緩水泥凝結(jié)時(shí)間的目的。另外，通過(guò)可融性硫酸鹽的作用，也會(huì)使水泥的終凝時(shí)間和初凝時(shí)間都會(huì)得到延長(zhǎng)，這是由于很多硫酸鹽中存在一部分堿性粒子，可以促進(jìn)水泥的水化速度，而堿性硫酸鹽另一部分硫酸根會(huì)減緩水泥水化，單單憑借二者作用，不能達(dá)到緩凝目的，但通過(guò)熟料中產(chǎn)生的AFt和AFm,就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間的目的[4]。

2.2 對(duì)混凝土的破壞作用

在水泥使用過(guò)程中，由于硫酸鹽的作用，在水泥硬化之后容易出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，這種膨脹現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響水泥固定效果，這也是人們?cè)趹?yīng)用水泥過(guò)程中最頭疼的一個(gè)問(wèn)題。

有人對(duì)6種硫酸鹽含量不同的水泥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)硫酸鹽中的SO3含量大于3.5%時(shí)，其膨脹最為明顯。另外，如果在含有較高的SO3的熟料中，加入2%的硫酸鈉，也會(huì)讓水泥產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象，但是，隨著SO3的濃度減小到一定程度以后，如果不對(duì)熟料進(jìn)行硫酸鈉的外摻，則膨脹現(xiàn)象消失，這充分證明了如果硫酸鹽含量過(guò)多，會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生破壞情況。

2.3 促進(jìn)強(qiáng)度發(fā)展并激發(fā)混合材活性

在水泥水化過(guò)程中，通過(guò)硫酸鹽的相互作用，會(huì)產(chǎn)生AFm和AFt兩種物質(zhì)，這對(duì)于水泥早期強(qiáng)度來(lái)說(shuō)是一種很好保障。Le-rch等人認(rèn)為，相比于凝結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，石膏對(duì)于水泥的硬化后的性能保障更為重要，上述人員在1946年便開(kāi)始了相關(guān)問(wèn)題研究工作，在水泥中摻入不同含量的SO3，來(lái)進(jìn)行相關(guān)強(qiáng)度和收縮比對(duì)，只有在堿分子含量較高時(shí)，石膏的加入才會(huì)出現(xiàn)一定效果[5]。

對(duì)于堿性硫酸鹽來(lái)說(shuō)，有利于提升硫酸根的濃度，可以與水泥中的氫氧化鈣反應(yīng)，從而得到AFt，對(duì)于水泥強(qiáng)度有很好促進(jìn)作用。另外，這種堿性硫酸鹽還可以提高水泥中的PH值，這對(duì)于混合材中氧化物的溶解產(chǎn)生巨大促進(jìn)作用，從而更好實(shí)現(xiàn)水泥強(qiáng)度的提升。

總結(jié)：綜上所述，雖然硫酸鹽在水泥中含量很少，卻起到至關(guān)重要的作用。水泥中的硫酸鹽種類多樣，來(lái)源較多，雖然人們?cè)谙嚓P(guān)研究上取得了一定成就，但是從水泥的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中來(lái)看，人們對(duì)硫酸鹽的類型還作用并不十分明確。另外，對(duì)于我國(guó)水泥來(lái)說(shuō)，SO3的含量明顯比國(guó)外低很多，但并不代表熟料中原生硫酸鹽不會(huì)增加，所以說(shuō)對(duì)于硫酸鹽的潛在危害，相關(guān)工作人員必須提高重視。

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