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硅（铝）酸盐脱水相综合利用研究

作　者: 余睿
导　师: 水中和
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料学
关键词: 硅(铝)酸盐脱水相基础性能激发剂早强剂纳米效应
分类号: TU528
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

充分利用建筑废料,实现建筑垃圾的资源化是解决资源和环境问题的有效手段之一。然而,在废弃混凝土中,除部分粗骨料在经过适当处理后被再次利用外,大量的硬化水泥浆体均被视为“废料”而被抛弃。这部分硬化水泥浆体是水泥混凝土中资源、能源消耗最大、环境负荷最重、经济成本最高的。因此,如何充分、合理的利用建筑垃圾中的硬化水泥浆体就成为了解决上述问题的关键。相关研究表明：硬化后的水泥浆体在经过煅烧处理后能得到一种名为硅(铝)酸盐脱水相的物质,该物质遇水后能再次发生水化反应而得到具有强度的硬化结构体。本文正是从此点着手,试图通过开发多种硅(铝)酸盐脱水相的应用途径,为建筑垃圾中硬化水泥浆体的再利用提供一定的理论支持。本文采用硬化水泥净浆模拟建筑垃圾中的废弃水泥浆体,并设计了相应的工艺流程,制备出硅(铝)酸盐脱水相。本文第二章对硅(铝)酸盐脱水相的基本性能进行了详细的研究,主要包括：不同温度处理得到的硅(铝)酸盐脱水相胶凝性能的研究；脱水相含量对热处理后水泥浆再水化性能的影响；以及硅(铝)酸盐脱水相改性后的胶凝性能研究。结果发现：硅(铝)酸盐脱水相是具有胶凝性能的一类新型材料,但是由于其自身结构的限制(如巨大的比表面积等),使其与水泥相比标准稠度需水量更大、凝结时间更短、抗压强度相对更低,凝结硬化性能难以调节。因此,将硅(铝)酸盐脱水相作为胶凝材料的主体来进行研究已很难再有较大的进展,而需要改变研究角度,充分发挥其固有特性。考虑到硅(铝)酸盐脱水相水化反应迅速、碱度和化学活性相对较高的特点,本文第三章将其作为粉煤灰活性的激发剂,制备了一种以粉煤灰为主体的新型胶凝材料。在研究的过程中,本章采用了一个新的概念——理论钙硅比(T-Ca/Si)。试验结果表明：当体系的理论钙硅比的值控制在0.953时,材料的抗压强度达到最大值,甚至超过纯水泥的强度,并且可以通过调整体系的理论钙硅比达到控制材料抗压强度的目的。XRD和SEM测试结果表明：选择合适的理论钙硅比值能保证粉煤灰二次反应的顺利进行,从而使整个体系的结构相对密实,抗压强度相对更高。此外,当原材料体系选定后,通过调整理论钙硅比值来控制材料抗压强度的方法是可行的。本文第四章系统研究了硅(铝)酸盐脱水相对水泥早期水化性能的影响,拟通过该研究制备一种新型水泥/混凝土早强剂。本章提出了一个新的概念——理论强度贡献值(TSC)。该概念可以帮助更好地评价硅(铝)酸盐脱水相对整个体系强度的贡献。当硅(铝)酸盐脱水相的含量为10%时,TSC的值达到最大。XRD、TG-DSC和SEM的测试结果表明当硅(铝)酸盐脱水相的含量为10%时能最大程度上加快水泥早期的水化速度,使体系中生成大量的钙矾石等早期水化产物,从而使整体的结构更加密实,1d抗压强度更高。为了进一步发挥硅(铝)酸盐脱水相对水泥和矿物材料的改性作用,本文第五章系统的研究了硅(铝)酸盐脱水相颗粒的纳米效应。结果发现：本章设计的六偏磷酸钠溶液和超声分散相结合的方法能使硅(铝)酸盐脱水相颗粒得到最大程度上的分散,部分颗粒达到纳米尺度。利用该方法分散得到的纳米颗粒能有效的提高水泥的抗压强度,如添加了4%硅(铝)酸盐脱水相纳米颗粒的试样3d、7d和28d抗压强度能分别提高69.9%、62.0%和60.4%。XRD和SEM测试结果表明：硅(铝)酸盐脱水相纳米颗粒的加入并没有使整个体系中生成新的水化产物,其对整体抗压强度的最大贡献在于在水化初期提供了大量的反应晶核,使水化产物以一系列的微小水化反应基团为基础而不断长大,并在水化后期均匀的分布在整个体系中,使整体结构孔隙率降低、密实性更好。通过本文的研究可以发现：将硅(铝)酸盐脱水相作为胶凝材料的主体很难得到广泛的应用,而将其开发为火山灰材料的激发剂、水泥/混凝土早强剂以及含纳米颗粒的性能调节剂则具有相对较大的发展空间。本文的研究为硅(铝)酸盐脱水相的综合利用提供了一定的理论基础和技术支持。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第1章绪论  12-22
  1.1 建筑垃圾资源化的研究背景及意义  12-14
  1.2 硅(铝)酸盐脱水相的简介  14-19
    1.2.1 硅(铝)酸盐脱水相的组成及性能特征  14-18
    1.2.2 硅(铝)酸盐脱水相再水化的作用机理  18-19
  1.3 硅(铝)酸盐脱水相的研究现状及面临的问题  19-20
  1.4 本课题的提出及主要工作  20-22
    1.4.1 课题的提出  20
    1.4.2 论文的主要内容  20-22
第2章硅(铝)酸盐脱水相基础性能研究  22-45
  2.1 概述  22
  2.2 试验材料及试验设计  22-26
    2.2.1 试验原材料及仪器  22-23
    2.2.2 硅(铝)酸盐脱水相的制备过程  23-24
    2.2.3 试验方法  24-26
  2.3 试验结果及讨论  26-42
    2.3.1 煅烧温度对脱水相标准稠度需水量的影响  26-27
    2.3.2 煅烧温度对脱水相初、终凝时间的影响  27-28
    2.3.3 煅烧温度对脱水相再水化强度的影响  28-29
    2.3.4 煅烧温度对脱水相再水化程度的影响  29-30
    2.3.5 煅烧温度对脱水相碱度的影响  30-31
    2.3.6 脱水相含量对热处理旧水泥浆标准稠度需水量的影响  31-32
    2.3.7 脱水相含量对热处理旧水泥浆凝结时间的影响  32-33
    2.3.8 脱水相含量对热处理旧水泥浆的水化程度的影响  33-34
    2.3.9 脱水相含量对热处理旧水泥浆再水化强度的影响  34-36
    2.3.10 脱水相初凝时间的调节  36-37
    2.3.11 脱水相标准稠度需水量的调节  37
    2.3.12 脱水相抗压强度的调控  37-39
    2.3.13 脱水相及其再水化产物的XRD分析  39-42
    2.3.14 脱水相再水化产物的SEM分析  42
  2.4 试验结论  42-43
  2.5 本章小结  43-45
第3章硅(铝)酸盐脱水相激发粉煤灰的研究  45-58
  3.1 概述  45-47
  3.2 原材料与试验设计  47-52
    3.2.1 试验原材料  47
    3.2.2 硅(铝)酸盐脱水相制备过程的优化  47-49
    3.2.3 试验方案设计  49-52
  3.3 试验结果及讨论  52-56
    3.3.1 脱水相-粉煤灰体系标准稠度需水量和凝结时间的测试结果  52-53
    3.3.2 理论钙硅比与抗压强度之间的关系  53-54
    3.3.3 脱水相-粉煤灰体系XRD分析  54-55
    3.3.4 脱水相-粉煤灰体系SEM分析  55-56
  3.4 试验结论  56
  3.5 本章小结  56-58
第4章硅(铝)酸盐脱水相对水泥早期水化的影响  58-69
  4.1 概述  58-60
  4.2 原材料及试验设计  60-62
    4.2.1 试验原材料  60-61
    4.2.2 试验方案设计  61-62
  4.3 试验结果及讨论  62-67
    4.3.1 脱水相-水泥体系标准稠度需水量和凝结时间的测试结果  62-63
    4.3.2 理论强度贡献值和脱水相含量之间的关系  63-64
    4.3.3 脱水相-水泥体系XRD分析  64-65
    4.3.4 脱水相-水泥体系热分析  65-66
    4.3.5 脱水相-水泥体系SEM分析  66-67
  4.4 试验结论  67
  4.5 本章小结  67-69
第5章硅(铝)酸盐脱水相颗粒纳米效应的研究  69-80
  5.1 概述  69-71
  5.2 原材料及试验方案设计  71-73
    5.2.1 试验原材料及仪器  71
    5.2.2 试验方案设计  71-73
  5.3 试验结果及讨论  73-78
    5.3.1 硅(铝)酸盐脱水相颗粒的超细分散试验结果  73-75
    5.3.2 硅(铝)酸盐脱水相纳米颗粒对水泥强度的影响  75-76
    5.3.3 含硅(铝)酸盐脱水相纳米颗粒的水泥试样XRD分析  76-77
    5.3.4 含硅(铝)酸盐脱水相纳米颗粒的水泥试样SEM分析  77-78
  5.4 试验结论  78-79
  5.5 本章小结  79-80
第6章结论与展望  80-83
  6.1 结论  80-81
  6.2 展望  81-83
参考文献  83-87
致谢  87-89
附录  89-90

硅（铝）酸盐脱水相综合利用研究

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