鈣礬石

鈣礬石，英文名Ettringite，屬於鈣鋁硫酸鹽礦物，是一種無色到黃色的礦物晶體，通常為無色柱狀晶體，部分脫水會變白。其化學分子為：3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，其中結晶水的數量與所處環境有關。

混凝土中的鈣礬石

混凝土中的鈣礬石是由水泥水化產物C—A—H(水化鋁酸鈣)和硫酸根離子結合產生的結晶物水化硫鋁酸鈣(簡稱AFt)。AFt與天然礦物鈣礬石的化學組成及晶體結構基本相同。

鈣礬石的製備

目前通過實驗手段製備純鈣礬石的方法主要有以下3種：

第一種是反應溶液法。以AR級Ca(OH)2，Al2(SO4)3·18H2O為原料，按下列反應方程合成：

Al2(SO4)·18H2O+6Ca(OH)2－3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

第二種是AFm轉化法。先是合成AFm，1步用自蔓延(SHS)法合成CA，第2步合成AFm，稱取適量CaO·CaSO4·12H2O和CA濕磨(WPC=0。14)，置於密封瓶中，在40℃下水化7d，每天定時碾磨，水化后樣品經60℃烘乾，產物為AFm;然後由AFm轉化成AFt，AFm加水和足量石膏轉化為AFt，反應方程為：

C3A·CaSO4·12H2O+2CaSO4+20H2O－C3A·3CaSO4·32H2O

第三種是鋁酸鈣(CA)轉化法。按1∶1的摩爾比將Al2O3和CaO混勻，並在1200℃燒結反應完全(礦物主要為CA)，研磨后再與適量的CaO和CaSO4·2H2O配合加水反應120h，即得所需的鈣礬石樣品，反應滿足下列方程：

CaO·Al2O3+2CaO+3CaSO4·2H2O+30H2O－3C3A·3CaSO4·32H2O

混凝土中鈣礬石的形成

混凝土中形成鈣礬石的反應既包含液相反應，也包含固相反應。目前工程領域中使用的各種膨脹劑和膨脹水泥，在它們的水化過程中，形成鈣礬石的反應主要有下列3種：

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種類型的反應，都經歷相同的反應過程——水泥加水后，其礦物與石膏快速溶解產生Ca、SO4、OH等離子，形成鈣礬石過飽和溶液，這些離子通過濃差擴散聚集在一起，按照下列3步反應過程形成鈣礬石：

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

鈣礬石的特性

1.膨脹性

膨脹性是鈣礬石最大的特性，水泥中CaO、Al2O3和CaSO4水化形成鈣礬石能使固相體積增大約120%。

2.鈣礬石的穩定性

混凝土中鈣礬石的穩定性取決於以下兩個方面：

a）水泥水化過程中離子成分及濃度；

b）溫度。70℃是一個關鍵溫度，AFt大約在70℃分解。

鈣礬石的生長規律

混凝土中水化形成的鈣礬石的生長速率和最終的長度受3個因素影響：化學因素、漿體微觀結構以及混凝土或砂漿的微觀結構。

研究表明水灰比對鈣礬石的生長有顯著的影響。在相同條件下，水灰比越大，水泥石結構越疏鬆，鈣礬石的生成就有空間。水灰比小，水泥石結構較緊密，孔隙較小，生成的鈣礬石數量較少，晶體產生各向異性生長而呈針狀。