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水泥基材料矿相粉磨机械力化学效应与分形理论研究

作　者: 朱明
导　师: 胡曙光
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料学
关键词: 水泥基材料机械力化学效应矿物微观结构水化性能分形维数
分类号: TU525
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

水泥基材料以其优良的工程性能和相对低廉的生产成本成为房屋建筑和基础设施建设不可缺少的、最主要的建筑材料。但在水泥材料的生产与使用过程中却存在着两个不容忽视的问题，即水泥熟料的生产对自然资源的严重消耗与温室气体排放和水泥基材料使用过程中的低水化率造成的资源浪费。研究表明，在水泥基材料的磨制过程进行细磨，不仅能够提高熟料的有效利用率，更能加大对诸如粉煤灰、矿渣、钢渣等工业废渣用作水泥混合材的掺入量。其实质在于物料在细磨的过程中除发生颗粒细化、比表面积增大外，还发生了晶格畸变、晶体缺陷、表层化学键断裂、自由能增大、自由基生成甚至晶粒无定性化等机械力化学效应，使细磨物料的反应活性显著提高。论文通过对硅酸盐水泥熟料部分矿相粉磨过程中诱发机械力化学效应的研究，较为系统地揭示了水泥基材料粉磨过程的破坏类型、特征及粉磨条件对机械力化学效应的影响，并运用分形理论对水泥基材料的颗粒特征、机械力化学效应作用及其与水化性能的关系进行了分析讨论。研究中，运用激光粒度测量技术、X射线衍射技术、扫描电镜技术、热导式微量热技术和红外光谱分析手段对β-C₂S和C₃S矿相等经高能球磨粉磨后的颗粒特征、晶体微观结构与颗粒表层的化学键断裂等变化规律及其对水化活性的影响进行了研究，并对不同的粉磨条件对上述变化的影响进行了对比研究与分析。研究结果表明，硅酸盐矿相在高能球磨粉磨过程中发生了脆性破坏和塑性变形二种不同的破坏形式，经历了（A）脆性破坏；（B）脆性破坏与塑性变形共同发生；（C）塑性变形破坏三个不同的破坏阶段。脆性破坏主要造成物料颗粒与晶粒的迅速细化和比表面积的快速增大，对物料产生机械活化作用；塑性变形破坏则侧重于使物料发生晶格畸变、晶体缺陷增加，无定形化程度加剧的变化，对物料产生机械力化学活化作用。因而机械力化学效应的显著发生必须要使粉磨过程积累到一定的程度，即发生塑性变形。但过度的粉磨也会使机械力化学效应趋于饱和而于矿物粉磨活性的进一步提高无益。根据X射线衍射测试计算的晶粒尺寸D、显微应变ε和有效德拜-瓦洛参数

全文目录

第1章绪论  13-43
  1.1 研究的目的、意义  13-14
  1.2 机械力化学理论与机械力化学效应  14-21
    1.2.1 机械力化学理论  14-16
    1.2.2 机械力化学效应  16-21
  1.3 机械力化学效应在材料学科中的应用  21-31
    1.3.1 晶体缺陷与矿物相变  21-22
    1.3.2 粉粒体表面改性  22-24
    1.3.3 矿物加工与金属精炼  24-25
    1.3.4 机械合金与弥散强化材料  25-26
    1.3.5 矿物的固相反应  26
    1.3.6 纳米材料制备与合成  26-30
    1.3.7 有机高分子材料的合成与降解  30-31
  1.4 机械力化学效应在水泥学科中的应用  31-36
    1.4.1 水泥颗粒的合理组成  31
    1.4.2 混合粉磨过程中的选择性磨细  31-32
    1.4.3 超细粉磨与机械力化学活化  32
    1.4.4 机械力化学改性  32-33
    1.4.5 助磨剂与助磨机理  33-35
    1.4.6 硅酸盐矿物的合成  35-36
  1.5 水泥基材料颗粒特征与性能研究相关理论简介  36-39
    1.5.1 特征粒径、均匀性系数和比表面积相关性理论  36-37
    1.5.2 灰色关联度分析理论  37-38
    1.5.3 模糊群子理论  38-39
  1.6 存在的问题与展望  39-41
  1.7 研究目标与内容  41-43
    1.7.1 材料粉磨机械力化学效应研究  41
    1.7.2 材料机械力化学效应变化与水化活性关系研究  41
    1.7.3 机械力化学效应影响因素研究  41-42
    1.7.4 粉磨机械力化学效应的分形理论研究  42
    1.7.5 课题来源  42-43
第2章机械力化学效应检测技术  43-58
  2.1 颗粒特征测量技术  43-45
  2.2 X射线衍射技术  45-47
  2.3 热分析技术  47-48
  2.4 电子显微分析技术  48-50
  2.5 振动光谱分析技术  50-52
  2.6 正电子湮没分析技术  52-53
  2.7 穆斯堡尔谱技术  53-54
  2.8 核磁共振技术  54-55
  2.9 光电子能谱技术  55-57
  2.10 反气相色谱分析技术  57
  2.11 展望  57-58
第3章原材料与实验方法  58-64
  3.1 原材料准备  58-60
    3.1.1 基础材料  58
    3.1.2 矿物制备  58-60
  3.2 实验方法  60-64
    3.2.1 粉磨试验  60-61
    3.2.2 物料颗粒特征测试  61-62
    3.2.3 晶体微观结构测试  62-63
    3.2.4 水化速率测试  63-64
第4章硅酸二钙粉磨机械力化学效应  64-85
  4.1 β-C_2S活化技术  65-66
  4.2 β-C_2S粉磨过程的机械力化学变化  66-83
    4.2.1 β-C_2S的颗粒特征  66-71
    4.2.2 β-C_2S的微观结构  71-79
    4.2.3 β-C_2S粉磨的红外光谱分析  79-81
    4.2.4 β-C_2S的水化速率  81-83
  4.3 本章小结  83-85
第5章硅酸三钙粉磨机械力化学效应  85-100
  5.1 C_3S的颗粒特征  86-90
  5.2 C_3S的微观结构变化  90-96
    5.2.1 C_3S结晶构造变化  90-92
    5.2.2 C_3S晶粒尺寸与显微应变的变化  92-95
    5.2.3 C_3S粉磨过程的有效Beff系数变化  95-96
  5.3 C_3S粉磨的红外光谱分析  96-97
  5.4 C_3S的水化性能  97-99
  5.5 本章小结  99-100
第6章机械力化学效应影响因素  100-118
  6.1 粉碎理论  100-104
    6.1.1 粉碎功耗  100-102
    6.1.2 粉碎模型  102-104
  6.2 材料物性对粉磨机械力化学效应的影响  104-108
  6.3 介质场对β-C_2S粉磨机械力化学效应的影响  108-112
  6.4 应力场对C_3S粉磨机械力化学效应的影响  112-116
  6.5 操作条件对β-C_2S粉磨机械力化学效应的影响  116-117
  6.6 本章小节  117-118
第7章水泥基材料机械力化学效应与性能的分形理论研究  118-144
  7.1 水泥基材料颗粒特征与性能的分形理论研究  118-121
    7.1.1 分形理论基础  118-120
    7.1.2 水泥基材料颗粒特征的分形数学模型  120-121
  7.2 硅酸盐矿物颗粒特征与性能的分形理论研究  121-129
    7.2.1 β-C_2S颗粒特征与性能的分形研究  121-127
    7.2.2 C_3S颗粒特征的分形研究  127-129
  7.3 混合材颗粒特征与性能的分形研究  129-136
    7.3.1 矿渣粉磨的颗粒特征与分形维数  129-131
    7.3.2 钢渣粉磨的颗粒特征与分形维数  131-133
    7.3.3 粉煤灰的颗特征、物理性能与分形维数  133-136
  7.4 硅酸盐水泥颗粒特征与性能的分形研究  136-143
    7.4.1 普通硅酸盐水泥的颗粒特征、性能与分形维数  136-138
    7.4.2 纯硅酸盐水泥的颗粒特征、性能与维数的关系  138-143
  7.5 本章小结  143-144
第8章结论  144-149
  8.1 水泥基材料粉磨过程的破坏类型与特征  144-145
  8.2 物料微观结构机械力化学作用结构因子  145-146
  8.3 物料的物性与粉磨条件对机械力化学效应的影响  146
  8.4 机械力化学活化效果  146-147
  8.5 物料粉磨颗粒特征、性能与分形维数  147-148
  8.6 水泥基材料粉磨机械力化学效应的评价  148
  8.7 问题与展望  148-149
参考文献  149-160
附录博士论文期间发表的论文及成果  160-161
  1. 发表的学术论文  160
  2. 参加的科研项目  160-161
致谢  161

水泥基材料矿相粉磨机械力化学效应与分形理论研究

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