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碱激发矿渣微粉胶凝材料的组成、结构和性能的研究

作　者: 姜奉华
导　师: 徐德龙
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 材料学
关键词: 碱矿渣微粉胶凝材料矿渣的微观结构固体激发剂水泥石的分数维模型微膨胀剂抗化学侵蚀性能
分类号: TU521.4
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

充分利用冶金工业高炉矿渣替代部分水泥熟料生产新型高性能水泥，已成为当今建材领域的研究方向之一，这对于建设资源节约型、环境友好型社会具有重要意义。多年来，人们对高炉矿渣在水泥和混凝土中的应用进行了大量的研究，并取得了明显的进步，目前已建成二十一条立磨矿渣微粉生产线，矿渣微粉的生产能力达到年产1500万吨。矿渣微粉主要是用来部分取代硅酸盐水泥熟料生产矿渣水泥，或作为混凝土的掺合料取代部分水泥配制高性能混凝土。本课题对矿渣的化学成分、微观结构、激发剂的种类、激发机理、产物的类型、硬化体的孔结构，以及碱矿渣微粉胶凝材料的主要性能进行了系统的研究。通过考察矿渣的形成过程和分析矿渣的微观结构，加深了对矿渣本质的认识。矿渣主要由玻璃相和结晶相组成，而玻璃相由贫硅相和富硅相组成。实验表明：在强酸或强碱溶液中，贫硅相先离解出Ca²⁺和Mg²⁺，而富硅相离解出[SiO₄]^4-的速度较慢。在强酸溶液中，矿渣中离解出的[SiO₄]^4-离子在H⁺的作用下形成无胶凝性的硅烷醇，因此强酸不宜作为矿渣胶凝材料的激发剂。在碱溶液中，矿渣中离解出[SiO₄]^4-离子能与Ca²⁺离子形成水化硅酸钙凝胶，因此碱可作为矿渣胶凝材料的激发剂。由于富硅相中[SiO₄]^4-离解的速度较慢，溶液中[SiO₄]^4-离子的数量不足，因此，碱激发剂最好是能快速提供一定数量[SiO₄]^4-离子的碱性物质。碱性激发剂研究表明：用NaOH和KOH等强碱作激发剂时，掺量在8％左右，试样的强度较好；用Ca（OH）₂等中强碱作激发剂时，试样早期的强度偏低；用液体水玻璃作激发剂时，试样的抗折强度和抗压强度发展较好。试验结果有效地验证了上述理论推理。在上述激发剂研究的基础上，开发了固体激发剂W1和W2，它们能和矿渣共同混磨，避免了液体激发剂一些缺陷。所得到矿渣微粉胶凝材料的早期抗压强度偏低，中后期的抗压强度发展较好，主要水化产物为类似于沸石的铝硅酸钠钙胶凝矿物和C-S-H凝胶。采用正交实验通过极差分析对碱矿渣微粉胶凝材料的配方进行优化，得出了最佳配比。硅酸盐熟料和硫酸盐复合激发剂的实验结果表明：试样的抗折、抗压强度能达到矿渣水泥42．5级的标准，早期（3d）强度偏低，中后期的抗折、抗压强度发展较好，28d的抗压强度超过52．5级硅酸盐水泥的强度，60d的抗压强度发生少量的倒缩，抗折强度仍在增长。其主要水化产物为C-S-H凝胶和钙钒石晶体。从水化试样的微观分析可知：矿渣水化后，在矿渣颗粒周围生成颗粒状、圆球状的沸石类矿物和C-S-H凝胶，以及少量的无定型的凝胶矿物，这些胶凝物质随着龄期的增加而增多，它们粘结在矿渣颗粒周围并向矿渣颗粒间隙中填充，使试体内部微孔的孔径在不断变小。孔隙率测试结果表明：随着水化时间的延长，大于100nm的有害孔减少，小于50nm的无害孔相对增加，结构更加密实。应用微粉颗粒堆积原理和分形理论，建立了水泥石的分数维的模型，并用压汞仪测定的数据来检验了所建立模型的正确性。借助该模型研究了水泥石内部孔结构的分数维数。该模型为表征水泥石孔结构找到了一种新方法。对用不同粉磨方式所制得的三种矿渣微粉的研究表明：立磨加工的微粉颗粒形状多为片状或粒状，且粒度分布偏窄；球磨机和振动磨制备的微粉颗粒的球形度较好，且粒度分布较宽。力学性能试验研究表明：相同细度和相同的激发剂作用下，三种微粉水泥各龄期的强度都超过52．5级矿渣水泥，其中振动磨矿渣微粉的抗折、抗压强度最高；立磨矿渣微粉的抗折强度比球磨矿渣粉的略高，而抗压强度比球磨矿渣粉的略低。微粉颗粒的形貌对早期的性能有一定的影响。对同一种矿渣比表面积分别为550m²／kg、820m²／kg的矿渣微粉研究发现，在同样的实验条件下，比表面积为550m²／kg的矿渣微粉形成胶凝材料的抗折、抗压强度较高。而比表面积为820m²／kg的抗折、抗压强度反而偏低。这说明矿渣微粉并非磨的越细越好。为了解决碱矿渣微粉胶凝材料干缩的问题，开发了一种性能良好的膨胀剂。对碱矿渣微粉水泥的干缩性能研究表明：膨胀剂掺加量在4％～6％时的范围内，其干缩性得到改善，而水泥的强度保持稳定。膨胀剂掺加量过多，胶凝材料的干缩性虽得到补偿，但其强度降低明显。矿渣微粉胶凝材料的抗化学侵蚀性能研究表明：其性能优越于普通硅酸盐水泥，特别是抗硫酸盐侵蚀性能更好。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
1 绪论  14-38
  1.1 碱激发胶凝材料  14-17
    1.1.1 硅酸盐水泥生产的现状  14-15
    1.1.2 碱激发胶凝材料的研究进展  15-17
  1.2 矿渣的组成、结构与性能  17-22
    1.2.1 矿渣的来源与矿渣微粉的标准  17-19
    1.2.2 矿渣玻璃体结构理论  19-20
    1.2.3 矿渣玻璃体微分相结构  20-21
    1.2.4 矿渣玻璃体结构与矿渣活性的关系  21-22
  1.3 碱矿渣胶凝材料的激发剂种类与其激活机理  22-26
    1.3.1 碱矿渣胶凝材料的激发剂种类  22-23
    1.3.2 碱激发矿渣胶凝材料的激发机理  23-26
  1.4 矿渣微粉的粒度、形貌和分布对其活性的影响  26-28
    1.4.1 物理激活矿渣的原理和方法  26-27
    1.4.2 矿渣微粉的粒度、形貌和分布对其活性的影响  27-28
  1.5 本研究课题的意义和主要研究目标  28-31
    1.5.1 碱矿渣胶凝材料存在的问题  28
    1.5.2 本课题研究的目的和意义  28-29
    1.5.3 本课题的研究内容和研究思路  29-31
  参考文献  31-38
2 实验方法  38-47
  2.1 实验材料  38-42
    2.1.1 硅酸盐水泥熟料  38-39
    2.1.2 矿渣  39-41
    2.1.3 激发剂  41
    2.1.4 膨胀剂  41-42
    2.1.5 实验用砂  42
  2.2 实验仪器及实验设备  42-43
  2.3 实验方法  43-47
    2.3.1 水泥基本性能实验  43-44
    2.3.2 水泥水化产物的微观结构测试方法  44-47
3 矿渣的结构及矿渣在酸、碱溶液中溶解的规律  47-79
  3.1 矿渣的组成  47-48
  3.2 矿渣的结构  48-58
    3.2.1 矿渣的微观分析  48-53
    3.2.2 矿渣玻璃体的结构  53-58
  3.3 矿渣在强酸、强碱溶液中的溶解  58-76
    3.3.1 矿渣在盐酸溶液中的溶解  58-67
    3.3.2 矿渣在NaOH溶液中的溶解  67-76
  3.4 本章小结  76-77
  参考文献  77-79
4 固体碱性激发剂作用下矿渣微粉胶凝材料的力学性能  79-97
  4.1 选择矿渣微粉为研究对象的依据  79-81
    4.1.1 矿渣微粉的生产现状  79-80
    4.1.2 矿渣微粉与普通矿渣粉  80-81
    4.1.3 选择矿渣微粉制备碱激发胶凝材料的依据  81
  4.2 不同碱激发剂激发下矿渣微粉胶凝材料的力学性能  81-85
    4.2.1 强碱和中强碱激发剂  81-83
    4.2.2 水玻璃激发剂  83-85
  4.3 固体碱性激发剂激发下矿渣微粉胶凝材料的力学性能  85-92
    4.3.1 固体碱性激发剂的制备  86-88
    4.3.2 固体碱激发剂的掺量对矿渣微粉胶凝材料强度的影响  88-89
    4.3.3 固体碱激发剂作用下矿渣微粉胶凝材料的配比优化  89-92
  4.4 熟料复合激发剂激发下矿渣微粉胶凝材料的力学性能  92-94
    4.4.1 熟料激发下的新型矿渣水泥  92-93
    4.4.2 硅酸盐水泥熟料复合激发剂  93-94
  4.5 本章小结  94-95
  参考文献  95-97
5 固体碱激发剂对矿渣微粉的激发机理  97-125
  5.1 固体碱激发剂对矿渣微粉的激发机理  97-104
    5.1.1 试样制备  97
    5.1.2 固体碱激发剂对矿渣微粉的激发机理概述  97-104
  5.2 两种碱激发剂作用下矿渣微粉胶凝材料的水化产物的异同  104-123
    5.2.1 XRD分析  104-105
    5.2.2 DTA分析  105-109
    5.2.3 IR分析  109-110
    5.2.4 SEM-DES分析  110-122
    5.2.5 MIP结构分析  122-123
  5.3 本章小结  123-124
  参考文献  124-125
6 矿渣微粉的特征参数对胶凝材料硬化体的孔结构及力学性能的影响  125-142
  6.1 微粉颗粒的堆积与填充理论  125-126
  6.2 胶凝材料硬化体的孔结构及其分数维表征  126-131
    6.2.1 孔结构的分形结构模型  126-129
    6.2.2 用压汞仪测定孔结构试验对分形结构模型检验  129-131
  6.3 矿渣微粉颗粒形貌、细度、分布对其硬化体的力学性能影响  131-139
    6.3.1 矿渣微粉的形貌和分布对其硬化体的力学性能的影响  131-138
    6.3.2 矿渣微粉的细度对其硬化体的力学性能的影响  138-139
  6.4 本章小结  139-140
  参考文献  140-142
7 碱矿渣微粉胶凝材料的收缩性能和抗化学侵蚀性能  142-158
  7.1 碱矿渣微粉胶凝材料的收缩性能  142-151
    7.1.1 碱矿渣微粉胶凝材料在凝结硬化过程中的收缩  142-144
    7.1.2 Q 相膨胀剂的制备  144-146
    7.1.3 Q 相膨胀剂对硅酸盐水泥膨胀性能的研究  146-149
    7.1.4 Q 相膨胀剂对碱矿渣微粉胶凝材料膨胀性能的研究  149-151
  7.2 碱矿渣微粉胶凝材料的抗化学侵蚀性能  151-156
    7.2.1 碱矿渣微粉胶凝材料的抗化学侵蚀实验  152
    7.2.2 碱矿渣微粉胶凝材料的抗化学侵蚀实验结果分析  152-154
    7.2.3 碱矿渣微粉胶凝材料的经化学侵蚀液侵蚀后的形貌  154-156
  7.3 本章小结  156
  参考文献  156-158
8 结论与展望  158-161
  8.1 结论  158-159
  8.2 创新点  159
  8.3 展望  159-161
攻读博士学位期间发表的论文  161-163
致谢  163

碱激发矿渣微粉胶凝材料的组成、结构和性能的研究

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