外文翻译---掺有粉煤灰、硅灰的硅酸盐水泥的热分析和微观结构(含word版） .pdf

thermal analysis and microstructure of portland cement-fl y ash-silica fume pastes arnon chaipanich thanongsak nochaiya received: 31 may 2009/accepted: 29 july 2009/published online: 24 september 2009 ? akade miai kiado , budapest, hungary 2009 abstractthermal analysis (thermogravimetry and dif- ferential thermal analysis) was used with scanning electron microscopy technique to investigate the hydration mecha- nisms and the microstructure of portland cement-fly ash- silica fume mixes. calcium silicate hydrate (csh), ettringite, gehlenite hydrate (c2ash8), calcium hydroxide (ca(oh)2) and calcium carbonate (caco3) phases were detectedinallmixes.inthemixeswiththeuseofsilicafume addition, there is a decrease in ca(oh)2with increasing silica fume content at 5 and 10% compared to that of the reference portland-fl y ash cement paste and a corresponding increase in calcium silicate hydrate (csh). keywordsthermal analysis ? microstructure ? fly ash ? silica fume ? hydration introduction fly ash, a by-product from coal power plants, has been recognized as an important construction material due to its environmental benefi ts and engineering benefi ts (produce less heat of hydration, increase workability and improve durability to chemical attacks such as chlorides and sul- phates) and has been used extensively world wide as a cement replacement material 1, 2. however, it is com- monly known that fl y ash, which is a pozzolanic material i.e. will react to form a binding material similar to that of portland cement in the presence of water and calcium hydroxide, ca(oh)224. this pozzolanic reaction with ca(oh)2occurs slowly due to ca(oh)2 has to be fi rst produced as a result of hydration product of portland cement (pc) and also that the particle size of normally usable fl y ash is somewhat coarser than that of pc. the particle size of typical fl y ash used is within the region of 66100% passing at 45 lm or not more than 34% retaining at this sieve size according to astm c618 5 as compared to the average particle size of pc at jeol-jsm-840a)and then ground for thermal analysis (thermogravimetry and differential thermal analysis) using the mettler toledo tg/sdta 851e. the samples were heated from room tem- peratureto1,000 ?cwithascanningrateof10 ?cmin-1under nitrogen atmosphere condition. in addition, thermogravi- metryanddifferentialthermalanalyseswerealsocarriedout forportlandcement-fl yash(20%)-silicafume(10%)sample at 7, 28 and 90 days in order to determine the effect of time on the hydration phases of the ternary mix. results and discussion the infl uence of silica fume on the compressive strengths of the portland-fl y ash cement pastes at 28 days is shown in fig. 1a. the results show for all 10, 20 and 30 wt% of fl y ash content without silica fume content, the values of compressive strength of fl y ash mixes (3745 mpa) are all less than those of portland cement paste (47 mpa) as can be seen from fig. 1a. however, when silica fume was added (portland cement-fl y ash-silica fume pastes), the compressive strength was found to increase signifi cantly with the use of silica fume in the mix. in some cases (10fa5sf and 10fa10sf) the compressive strengths (48.5 and 50 mpa, respectively) were higher than portland cement paste. for 20% fl y ash mix with silica fume with table 1 chemical compositions of portland cement, fl y ash and silica fume materialsoxide content/% sio2al2o3fe2o3caomgona2ok2op2o5tio2so3loi portland cement20.854.983.5264.301.530.120.592.601.40 fly ash39.8221.5213.6815.242.781.082.000.180.422.391.00 silica fume95.300.650.280.270.410.260.771.230.25 table 2 mix proportions and analysis of the investigated pastes mixesw/bmix proportion (pc/wt%) pcfaasfb pc0.5100 10fa0.59010 10fa5sf0.590105 10fa10sf0.5901010 20fa0.58020 20fa5sf0.580205 20fa10sf0.5802010 30fa0.57030 30fa5sf0.570305 30fa10sf0.5703010 a cement replacement b additional materials 488a. chaipanich, t. nochaiya 123 10% addition of silica fume (20fa10sf) the compressive strengths were very close to that of portland cement paste at 28 days and become just slightly higher at 90 days as shown in fig. 1b (57.0 mpa compare to control pc of 56.5 mpa). it also remained to be signifi cantly higher than the reference fl y ash mix without silica fume where the compressive strength was at 53.0 mpa. the enhancement in the strength was expected to be due to the pozzolanic reaction of silica fume where thermal analysis is required in order to confi rm this pozzolanic reaction has taken placed. this is described in the following section. from x-ray diffraction traces of the portland cement-fl y ash-silica fume pastes (fig. 2), dominant peaks detected by means of x-ray diffraction (xrd) was calcium hydroxide ca(oh)2noted as ch. the ca(oh)2peaks can be seen in all mixes, thus this give an idea of the hydration reaction of each mixes. as can be seen from xrd traces, it is clear that for the fl y ash mix with the use of silica fume addition, the intensity of ca(oh)2is less than that of the reference fl y ash mix without silica fume. this shows that the pozzolanic reaction (sio2and/or al2o3reaction with ca(oh)2) 24 has taken placed, whereby ca(oh)2was being clearly consumed by silica fume. thermogravimetric analysis (tg) was then used to further analyse the phases which do not appear by the use of xrd technique which only shows the crystalline phases. the results obtained from tg, as shown in fig. 3, for portland cement and portland-fly ash cement pastes with and without the addition of sf (using fa at 20% to rep- resent typical effect of sf) shows three mass loss transition with the fi rst being from room temperature 1996. p. 11. 2. alonso jl, wesche k. characterization of fl y ash. in: wesche k, editor. fly ash in concrete. london: e and fn spon; 1991. p. 3. 3. baert g, hoste s, schutter g, belie n. reactivity of fl y ash in cement paste studied by means of thermogravimetry and iso- thermal calorimetry. j therm anal calorim. 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混合料，已经引起了人们的关注，主要是因为其强度和耐久性在结构材料方面的 效益。然而，这种混合料在水化浆体系统的水化研究是有限的。在前 24 小时内， 掺粉煤灰、硅灰的硅酸盐水泥浆体的水化产物的氢氧化钙量减少。然而，很少有 人知道其后的影响，热重分析和差热分析也没有充分的证明。在这项工作中，粉 煤灰和硅酸盐水泥混合来生产粉煤灰水泥浆体，硅灰，作为一高活性材料，用来 生产三元水泥浆料。热分析就热重分析和差热分析而言，已经和扫描电镜技术用 来一起研究掺硅灰和粉煤灰混合料的水化进程和微观结构。硅灰以 5%和 10%掺 入粉煤灰水泥，作为这项研究的一部分，三元混合料的压缩强度也进行相应的热 重分析，目的是确定水化产物，并对样品的微观结构也进行深入的研究。 实验技术实验技术 这项研究的材料是 pc(i)。研究中，粉煤灰来自泰国的 mae mao 火力发电厂 lampang,硅灰来自 sikament ltd。这些材料的化学组成列于表 1 中。表 2 中列举 了三元混合料的成分。粉煤灰的掺量为 10%、20%和 30%，硅灰作为一种外加材 料的掺量为 5%和 10%。这种水泥浆体的水胶比为 0.5. 为了增加均质性，粘结料首先在混料机中混合 3 分钟，而后加水。混合 2 分钟以内。之后，混合物放在加油的模具中（尺寸为 50*50*50mm3）,然后压紧。 这些样品表面光滑，并加上塑料薄膜。一天后拆模。之后，养护在 25 。c 的水中。 至于浆体的抗压强度的检测时粉煤灰的掺量为 10%，20%，30%， 。每次抗压强 度的测试时，要测三个样品，测其 7,28,90 天的龄期的平均结果。 而且 28 天后，主要选择掺粉煤灰 20%的样本作为混合物得典型样本来分析 微观结构和热分析。应用扫描电镜（sem;jeol-jsm-840a）来研究样品的微观 结构，粉碎了做热分析(mettler toledo tg/sdta 851e)。把样品放在 n2环境中以 10 。c/min 的加热速度从室温加热到 1000。c。此外，tg 和 dta 还可以用来测试 掺 20%fa、10%sf 的样品的 7、28 和 90 天来确定时间对三元混合料的水化相的 影响。 结果和讨论结果和讨论 图 1 表明了硅灰对掺粉煤灰水泥的 28 天龄期的抗压强度的影响。所有掺粉 煤灰量为 10%，20%，30%无硅灰的结果表明，粉煤灰的抗压强度贡献要少于水 泥浆体，正如图表 1 所示，而另加硅灰时，可以发现抗压强度增加明显。它们的 抗压强度高于水泥浆体的。对于掺 20%fa 和 10%sf，其抗压强度与 28 天龄期 的水泥相近，而且 90 天后，要稍有些大。当然，比无硅灰的粉煤灰水泥的高（其 抗压强度为 53.0mpa） 。这种强度的增加是由于硅灰的火山灰反应，利用热分析 可以来确定这种或是反应已经发生了，下一部分将描述。 对于三元混合料浆的 x 射线分析表明，主要峰值用 xrd 探测到的是氢氧化 钙，其峰在所有混合料中都有，因而产生了每种混合料的水化反应的想法。很明 显，正如 xrd 图所示，对于掺粉煤灰并加硅灰的料浆，其氢氧化钙量要少于参 考标样。这表明火山灰反应已发生了，而且氢氧化钙消耗了硅灰。 tg 用来更深入地分析在 xrd 中检测不到的非晶相。结果如图 3 示，对于 硅酸盐水泥和掺粉煤灰的水泥并外加或无硅灰，表明主要有三段损失，第一段是 从室温 30 。c 到 420。c，第二段是 420500，第三段 5001000。热重分 析可以定量确定大量的水合相的液体或气体的损失。这些物相在第一过渡段时， 由热重分析检测到，它们由一些包括水化硅酸钙和钙铝黄长石水化相构成，第二 过渡段发生在氢氧化钙的脱水，质量损失的第三段出现在碳酸钙的脱碳反应。 浆体中每一物相的质量的损失可以从每个过渡段出现在 tg 曲线上计算出， 如果把整体的质量损失取作 100%，可以更深入地计算出相关的质量损失。硅酸 盐水泥，掺粉煤灰，外加或无硅灰的计算值列于表 3 中，表中有三个过渡段的质 量损失，包括样品的质量损失和整体的质量损失。对于这些计算值，粉煤灰混合 硅灰的选择以 10%fa 混和 20%sf 以及 20%fa 混合 5%和 20%的 sf 作为 代表。对于没掺 sf 的混合料，可以发现第一过渡段包括水化相（水化硅酸钙和 水化钙铝黄长石）的质量损失是最高的。对于参照的样品掺 fa 的硅酸盐水泥且 无硅灰，其质量损失要少些，是由于少量的水化硅酸钙，这样会降低强度。另一 方面，发现这种质量损失也会在加 5%sf 后微弱地增加。此外，很明显，从第二 阶段， 与硅酸盐水泥浆体控在 4.80%时相比， 加入 fa 时氢氧化钙的含量会减少， 加入 sf 时会进一步减少。就整体的质量损失作更深入地分析时，粉煤灰、硅灰、 水泥的三元混合以 20%fa 且有或无硅灰的每个过渡期的质量损失到整体的质量 损失作为硅灰影响的典型代表，列于表 3 中。第一过渡期的质量损失是钙矾石， 水化硅酸钙和钙铝黄长石，硅灰量可以检测到，第二过渡期的降低是由于火山灰 反应消耗了氢氧化钙。 尽管如此，第一过渡期的质量损失不能用来区分单相如水化硅酸钙，由于每 个过渡期的质量损失范围是相当宽的，因此只使用 tg 不能得出这样的结果。用 微商热重分析和差热分析一起来更深入地确定每个物相。硅酸盐水泥和掺粉煤 灰、硅灰的水泥浆体的热重分析结果列于图表 4.a 中。水中养护 28 天后，所有 料浆的热重分析曲线表明检测到的物相是水化硅酸钙、钙矾石、钙铝黄长石、氢 氧化钙、 碳酸钙， 其检测温度分别在 684、 104114、 157163、 458464、 667688。各配比的微商热重分析图的比较在图表 4 中。即使如此，物相检测 的与硅酸盐水泥的相似。从微商热重分析曲线看到与参考样品相比较增加 sf 量 5%和 10%时，氢氧化钙量降低。这是因为增加了火山灰反应，当然增加 sf 消耗 了更多的氢氧化钙。因此，很明显的，在两种掺 sf 的混合料中可以检测到更多 水化硅酸钙，这也表明增加了 sf。因此这种水化硅酸钙量的增加将解释了抗压 强度随 sf 量增加而增加的结果。 水化的掺粉煤灰 20%、有和无硅灰的样品的 dta 曲线在图表 4.b 中。检测 到三个主要的吸热峰就如能从这些 dta 的曲线中看到。第一个吸热峰的温度在 182160范围内并且与硅酸钙和水化铝硅酸钙的脱水有关。此外，