实验讲义-无机轻质材料的配制和成型.doc

轻质材料的配方设计、制备和成型实验讲义(初稿)设计型8学时杨 晓 鸿目 录1前言1.1 目的与意义1.2简介1.3 固化机理2.实验部分2.1 设计思路2.2原料及实验仪器2.3 实验方案2.2.1轻质水泥的制备实施例2.2.2轻质水泥的结构实施例2.2.3基本性能的测试方法3 测试结果实施例3.1密度测试结果3.2耐水性能测试结果3.3耐盐性能测试结果3.4耐碱性能测试结果3.5耐酸性能测试结果4思考题5实验报告1前言1.1目的意义：培养学生进行材料配方设计、优化、成型等基本应用技能，了解一种典型材料的产生到成型过程，深化对材料加工工艺基本模式的认知。1.2简介水泥是无机非金属材料中使用量最大的一种建筑材料和工程材料，广泛用于建筑、水利、道路、石油、化工以及军事工程中，水泥还可以代替木材和钢材用于多种场合，如电线杆、铁路枕轨、输油和输汽管道、贮原油和贮气罐等。但是传统的水泥自重大、干燥慢、施工强度大。为了减小水泥的密度，加快水泥的干燥速度，减轻水泥使用时的施工强度，本实验用轻质塑料泡沫对传统的水泥材料进行填充，大大降低水泥的密度，制成一种无机轻质材料，从而减小其施工强度。通过对用轻质塑料泡沫填充后水泥的各项性能测试，实现并考察其质轻且易干燥的性能。通过实验得出最佳的配方，使其具有较小的密度和较短的干燥时间。大约2000年前，希腊和古罗马人在建筑工程中使用了一种石灰和火山灰的混合物，它们在水中缓慢反应生成坚硬的固体，这是最早应用的水泥。19世纪初，英、法等国将粘土化的石灰（或泥灰岩）经烧结成为水硬性材料，当其中氧化铝和氧化硅含量之和达到2035时，称为天然水泥。这种水泥的烧成温度低，不易于控制水泥的成分。1824年英国人J.阿斯普丁用石灰石和粘土的人工混合物烧成一种水硬性的胶凝材料，它在凝结硬固后的颜色、外观和当时英国用于建筑的优质波特兰石头相似，故称之为波特兰水泥。他为此取得了专利，1825年，在英国建厂生产。但阿斯普丁所得产物,因烧成温度低而质量不够好。真正类似于现在的波特兰水泥是1850年英国人I.C.约翰孙制造的,从此开始了波特兰水泥工业。一百多年来，硅酸盐水泥的生产工艺和性能不断得到改进，同时又研制了为数众多的新品种,迄今已发展到100多种水泥。现代波特兰水泥是在十八世纪末十九世纪初随着水硬性石灰实验的发展而发展起来的。1796年英国人Joseph Parker发现了一种用杂质含量大的石灰岩(名为龟背石)烧制成的一种很细的水硬性石灰，因为这种水泥和古罗马的水泥有着相同的颜色，所以被命名为罗马水泥。1802年法国人开始大量生产近似于这种水泥的产品。1810年英国开始用石灰石和粘土生产水泥。1850年，David OSaylor发现水泥岩并在美国的Pennsylvania开始用立窑生产这种水泥，这种天然水泥比火山岩水泥强度低但高于水硬性石灰。1824年英国泥瓦工约瑟夫阿斯普丁(Joseph Aspdin)首先取得了生产波特兰水泥即硅酸盐水泥的专利，从此胶凝材料进入人类材料的波特兰水泥阶段。现代以波特兰水泥为主胶凝材料的最大特点是强度主要由硅酸盐熟料四种矿物质和石膏水解水化而形成强度。这类反应的最大特点是速度与石灰火山灰反应相比大大提高，反应程度能进行得比较深，因此可以在较短的时间里形成较高的强度，其水化物为水化硅酸钙、铝酸钙、Aft（三硫型水化硫铝酸钙，简称钙矾石）和Afm（单硫型水化硫铝酸钙）。到了20世纪中叶为了使水泥具有特定的性能，出现了：快硬硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等，这些水泥和波特兰水泥一样是一类高含钙水泥。这些水泥的水化产物和波特兰水泥的水化物仍比较接近，只是水化物的组成和结构有了一些变化。我国自2003年以来，在固定资产投资的拉动下，全国水泥工业产能已连续7年平均增长超过一亿吨，2009年全国可生产水泥达14亿吨，总量已基本满足经济建设的市场需求。但目前水泥行业的结构性矛盾依然突出。企业规模小、装备落后、布局不合理、恶性竞争激烈等现象仍然较为普遍，劳动生产率均比较低，落后生产能力比重大，产品质量档次低。到2008年止，落后装备生产的熟料比例仍在全国熟料生产量的三分之一以上。目前我国水泥工业存在的最大问题是整体发展水平粗放，不符合新型工业化的要求，资源、能源消耗高，污染严重，生态和环境压力大。单产能耗与国际先进水平相比还有不小的差距。 发展绿色水泥正是解决我国水泥制造业节能和节约资源以实现可持续发展的重要途径。绿色水泥（green cement）是针对“生态型”水泥制造业而言的，属于“生态建材”大范畴中的一个分支，国际上也称之为健康水泥（healthy cement）或者是环保水泥（recycle cement）。生态型水泥制造业是指：将资源利用率和二次能源回收率均提高到最高水平，并能够循环利用其它工业的废渣废料；技术装备上更加强化了环境保护的技术措施；产品除全面实行质量管理体系外，还真正实行全面环境保证体系，粉尘、废渣和废气等排放几乎接近于零，做到不仅自身实现零污染、无公害，又因循环利用其它工业的废料废渣，而帮助其它工业进行三废消化、最大限度地改善环境。我国绿色水泥研究甚少，只是在混材应用方面取得了一些突破。例如，在利用工业废渣生产水泥产品方面做出了显著成绩，开发出粉煤灰水泥、矿渣水泥和火山灰水泥，但综合利用水平不高，特别是高掺量利用技术还不成熟，与发达国家相比还有相当大的差距，因而制约中国水泥业的进一步发展。因此，重点建立绿色水泥等建材研究与开发体系，解决粉煤灰作为粘土质原料的配比及生产工艺条件，进行高掺量粉煤灰利用技术、城市固态垃圾在水泥等建材领域的利用技术的研究，是我国建材工业亟待解决的问题。 轻质水泥的研制就是在绿色水泥的理念上对传统的水泥性能进行改善，利用废弃的泡沫对其进行填充，减小密度，减短干燥时间，从而降低施工强度，创造一种新的水泥制造方法。 总之，轻质水泥属于典型的无机轻质材料，具有传统水泥的优点，它以泡沫塑料为填充物，降低了传统水泥的密度，对环境无污染、无毒害，用作各种建筑和工程材料，较其它材料具有较大的优越性。轻质水泥以其低廉的价格获得人们的认可。尤其，在环境保护成为世界主题的今天，轻质水泥优越的环保性使其成为目前国际上最具发展前途的建筑材料。虽然，该材料的填充物的性能还没有很好的把握，但科技日新月异的发展将会使这些问题得到解决，从而使轻质水泥得以完善和发展。并且，随着人们环保意识的增强和大力推进的可持续发展战略，轻质水泥材料的应用将会上一个台阶。1.3 固化机理普通硅酸盐水泥的主要成分是氧化钙(CaO)、氧化硅(SiO )、氧化铝(Al 2O3)、氧化铁(Fe2O3)及氧化硫(SO3 )等水硬性胶结材料，这些成分分别组成不同的水泥矿物，如硅酸三钙(3CaOSiO )、硅酸二钙(2CaOSiO2)、铝酸三钙(3CaOAl2O3)、铝酸四钙(4CaOAl2O3)、硫酸钙(CaSO4 )等。当水泥与拌合料混合时，水泥颗粒表面的矿物质将与拌和料中的水分充分接触，从而发生水解和水化反应，生成氢氧化钙Ca(OH)2 、含水硅酸钙(3CaO2SiO23H2O)、含水铝酸钙(3CaOAl2O3 6H2O)及含水铁酸钙(3CaOFe2O3，6H2O)等水泥水化物。其主要的反应通式可表示如下：水泥+H2OCSH+Ca(OH)2水泥+H2OCAH上述水泥水化物CSH、CAH及Ca(OH)2生成后，能够迅速溶于水，使水泥颗粒表面继续暴露于水分中，从而连续进行水解和水化反应直至反应终止。此时水分子虽然能够继续深入到水泥颗粒表面，与水泥矿物质发生反应，但此时的新生物已经不能再溶解，而只能以细分散状态的凝胶体析出，上述反应称为水泥的水解和水化反应。这些析出的凝胶粒子有的自身能够相互凝结硬化而形成水泥石骨架，有的则与其周围具有一定活性的土料中的粘粒及粉粒发生反应。与此同时，水泥中的硫酸钙(CaSO4)及水泥矿物质铝酸三钙(3CaOAl2O3 )一起与水分发生反应，生成一种称之为“水泥杆菌”(3CaOAl2O33CaSO432H20)的水化物，并以针状结晶体的形式析出。这一反应可以使土料中大量的原以游离状态存在的自由水转变为相对固定的结晶水的形式被固定下来，这对水泥土的固结有着直接的意义。硅酸盐水泥拌合水后，四种主要熟料矿物与水反应。分述如下： 硅酸三钙水化 硅酸三钙在常温下的水化反应生成水化硅酸钙(C-S-H凝胶)和氢氧化钙。3CaOSiO2+nH2O=xCaOSiO2yH2O+(3-x)Ca(OH)2硅酸二钙的水化-C2S的水化与C3S相似，只不过水化速度慢而已。 2CaOSiO2+nH2O=xCaOSiO2yH2O+(2-x)Ca(OH)2所形成的水化硅酸钙在C/S和形貌方面与C3S水化生成的都无大区别，故也称为C-S-H凝胶。但CH生成量比C3S的少，结晶却粗大些。 铝酸三钙的水化 铝酸三钙的水化迅速，放热快，其水化产物组成和结构受液相CaO浓度和温度的影响很大，先生成介稳状态的水化铝酸钙，最终转化为水石榴石（C3AH6）。在有石膏的情况下，C3A水化的最终产物与起石膏掺入量有关。最初形成的三硫型水化硫铝酸钙，简称钙矾石，常用AFt表示。若石膏在C3A完全水化前耗尽，则钙矾石与C3A作用转化为单硫型水化硫铝酸钙(AFm)。 铁相固溶体的水化 水泥熟料中铁相固体可用C4AF作为代表。它的水化速率比C3A略慢，水化热较低，即使单独水化也不会引起快凝。其水化反应及其产物与C3A很相似。 当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥土骨架；有的则与周围具有一定活性的粘土颗粒发生一系列的反应和作用，使水泥土具有一定的强度而达到加固的目的。离子交换和团粒化作用：粘土颗粒中含有较多的二氧化硅，遇水后形成硅酸胶体微粒，其表面带有Na+或K+ ，与水泥水化生成的Ca2+ 进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土体的强度提高。硬凝反应：随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的Ca2+ ，在碱性的环境中，二氧化硅及三氧化二铝与Ca2+发生化学反应，生成不溶于水的、稳定的结晶化合物。新生成的化合物在水中和空气中逐渐硬化，增大了水泥土的强度，并且由于其结构致密，水分不易进入，从而使水泥土具有足够的水稳定性。碳酸化作用：水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水中和空气中的二氧化碳，发生碳化反应，生成不溶于水的碳酸钙，这种反应能使水泥土的强度增大。上述机理分析表明，水泥固化土的强度主要来自水泥水化物的胶结作用。在固化过程中，乳化剂起到增强水泥韧性的作用，这样就可以增强水泥的抗压能力。2.实验部分2.1 设计思路选材:1塑料泡沫：塑料泡沫采用聚苯乙烯包装泡沫，回收电脑等电器包装箱内的泡沫，原料易得，颗粒大小容易控制。2水泥：选用凝结时间快，早期强度高的产品，这样可缩短制品的脱模时间。本试验用325号普通硅酸盐水泥。3外加剂：为了改善制品性能，缩短养护周期，应选用复合早强型减水剂。本试验用氨基磺酸钠试剂。4增稠剂：羧甲基纤维素（CMC）试剂， 或苯丙乳液。5一次性塑料杯：用做浇铸成型模具。纸杯不适用。配合比设计:塑料泡沫无机轻质材料配合比设计，要根据制品性能、工艺参数和成本等因素凭经验为主的方法确定。一般可先定一个配合比范围，根据结果调整配合比并确定工艺参数。每立方米无机轻质材料参考用量范围如下：塑料泡沫(m3 ) 1115硅酸盐水泥(kg) 140180外加剂(占总质量的% ) 132.2原料及实验仪器：器材：电热恒温鼓风干燥箱 恒温水浴锅 电子天平 搅拌机 电子显微镜 烧杯 50ml,100ml，200ml规格量筒 20ml，50ml规格移液管 5ml规格搅拌玻棒药品：砂 市售，建筑用砂水泥 市售，325#硅酸盐水泥 NaOH 化学纯盐酸 化学纯塑料泡沫 聚苯乙烯包装泡沫，回收电脑包装箱内的泡沫苯丙乳液 固含量约50%一次性塑料杯若干 用做浇铸成型模具。纸杯不适用。2.3 实验方案2.3.1轻质水泥的制备实施例（1）填充物的准备：准备好磨碎的泡沫塑料，称量好0.25g、0.35g、0.45g、0.55g、0.65g五份不同质量的泡沫塑料，分别装入5个不同的一次性塑料杯中，待用。（2）水泥浆的配置：分别称取90g水泥粉和20g建筑用砂，量取30ml水和3ml苯丙乳液，加入上述相应的装有泡沫塑料的塑料杯中，并搅拌至均匀。将制备好的水泥放置5天，待其干燥后供后期实验检验。表1轻质水泥的配制成分1#2#3#4#5#砂（g）2020202020水（ml）3030303030水泥灰（g）9090909090泡沫塑料（g）0.250.350.450.550.65苯丙乳液（ml）333332.3.2轻质水泥的结构实施例制备好的轻质水泥经过一周的固化后，其表面及内部结构如下图所示。图1 轻质水泥的表观结构如图1所示，为所制备的轻质水泥的表观结构，由图中可以看出，用一次性塑料杯作为模子塑造出来的轻质水泥外观呈杯子的形状，且表面有金属的光泽，表面十分坚硬。图2 轻质水泥的内部结构如图中所示即为轻质水泥块由外力不规则剖开后的内部结构，由图中可以观察到，轻质水泥块的内部均匀地分布着取代建筑用砂填充在其内部的聚苯乙烯泡沫塑料，泡沫塑料起到了减小水泥密度的作用。2.3.3基本性能的测试方法（1）耐水性能测试方法耐水性能是指水泥对水的作用的抵抗能力。参照GB/T1733-93漆膜耐水性能测试方法，可对水泥对水的作用的抵抗能力进行测试。固化好的水泥在使用的过程中往往与潮湿的空气或水分直接接触，随着水泥对水分的吸收，水泥可能会出现各种各样的破坏现象而影响水泥的使用寿命。在操作时，将固化好的水泥块浸泡于玻璃水槽中，一定时间后，观察水泥块有无松散、溃散、脱落等现象，以及恢复原状的难易程度。与此同时，定期测量水泥块的质量，并记录其变化。（2）耐盐水性能测试方法耐盐水性是指水泥对盐水浸蚀的抵抗能力。参照GB/T1763-79（89）漆膜耐化学试剂性测定方法，可用耐盐水性实验来判断水泥的防护性能。水泥在盐水中不仅受到谁的浸泡发生溶胀，而且受到溶液中其它离子的渗透可能引起腐蚀，因此水泥块可能出现耐水性的松散、溃散、脱落等现象，还有可能产生锈点和锈蚀等破坏。在操作时，将固化好的水泥块浸泡于5%的盐水中，一定时间后，观察水泥块有无松散、溃散、脱落以及锈蚀等现象，以及恢复原状的难易程度。与此同时，定期测量水泥块的质量，并记录其变化。（3）耐碱性能的测试方法 耐碱性是指水泥对碱的抵抗能力。参照GB/T1763-79（89）漆膜耐化学试剂性测定方法，可用耐碱性实验来判断水泥对碱的抵抗能力。在规定的时间和温度条件下，观察水泥受碱溶液浸蚀的情况。 在操作时，将固化好的水泥块浸泡于5%的NaOH溶液中，一定时间后，观察水泥块有无松散、溃散、脱落以及锈蚀等现象，以及恢复原状的难易程度。与此同时，定期测量水泥块的质量，并记录其变化。（4）耐酸性能的测试方法耐酸性是指水泥对酸的抵抗能力。参照GB/T1763-79（89）漆膜耐化学试剂性测定方法，可用耐酸性实验来判断水泥对碱的抵抗能力。在规定的时间和温度条件下，观察水泥受酸溶液浸蚀的情况。 在操作时，将固化好的水泥块浸泡于5%的HCl溶液中，一定时间后，观察水泥块有无松散、溃散、脱落以及锈蚀等现象，以及恢复原状的难易程度。与此同时，定期测量水泥块的质量，并记录其变化。3 测试结果实施例3.1密度测试结果对1#5#水泥的密度用排水法进行测量，并记录其结果。用聚苯乙烯泡沫塑料对水泥进行填充，部分取代水泥中砂的成分，从而使水泥不仅能在韧性上达到要求，还能达到减小水泥密度的目的。通过不同的配方配制的水泥的密度测量结果如下表2。表2 不同配方的水泥的密度测量结果项目1#2#3#4#5#质量（g）4.60147.84485.63874.42183.8883体积（ml）3.66.55.34.84.7密度（g/cm3）1.27821.20691.06390.92120.8273由表中数据可知，随着填充的聚苯乙烯泡沫塑料的含量的增加，水泥的密度逐渐减小，且密度减小的幅度较为令人满意，其中4#和5#的密度已经比水的密度小，在进行性能测试时，将成型的水泥块卡在杯子的底部，使其完全浸没于水中，从而更准确的得出水泥的性能测试结果。3.2耐水性能测试结果将1#5#水泥各取一份，进行耐水性能测试。一周后观察水泥发现，五块水泥均无松散、溃散、脱落等现象。从表面来看，五块水泥外表无明显变化，但在浸泡过程中，一直在跟踪测定每块水泥的质量经水浸泡后的变化，其结果见途中曲线所示。图3 轻质水泥耐水性能比较 由图中数据可知，水泥块的质量在水泥块刚浸没于水中时有较大变化，这是因为干燥的水泥块浸没于水中时，首先水泥块表面会湿润而带水。等水泥块表面都被浸湿后，水泥块的质量基本保持不变，因此单从图中并不能明显看出水泥块的耐水性能的好坏，故在耐水性实验进行一周后，再次对水泥样品进行称重比较，其结果见下表。表3 耐水性能测试中一周前后水泥块质量变化的比较项目1#2#3#4#5#初始质量（g）28.125.823.732.830.7一周后质量（g）28.926.724.734.032.6质量增加（g）0.80.91.01.21.9由表中结果可知，水泥的配方随着泡沫塑料的增多，水泥的耐水性能随之变差，且泡沫塑料越多，再增加泡沫塑料会引起的耐水性能的变化会越大。由图中数据可知，1#样品的耐水性能最佳，质量变化量最小，之后依次是2#、3#、4#样品，而相比较而言，5#样品的耐水性能最差，质量的变化量是最大的。3.3耐盐性能测试结果将1#5#水泥各取一份，进行耐盐性能测试。一周后观察水泥发现，五块水泥均无松散、溃散、脱落等现象，只是浸泡水泥用的盐水表面形成了一层薄膜。从水泥表面来看，五块水泥外表无明显变化，但在浸泡过程中，一直在跟踪测定每块水泥的质量经盐水浸泡后的变化，其结果见途中曲线所示。图4 轻质水泥耐盐性能比较由图中数据可知，水泥块的质量刚浸没于盐水中时有较大变化，这是因为干燥的水泥块浸没于盐水中时，首先水泥块表面会湿润而带水，等水泥块表面都被浸湿后，水泥块的质量基本保持不变。而水中的盐组分对水泥的作用效果并不明显，因此单从图中并不能明显看出水泥块的耐盐水性能的好坏，故在实验进行一周后，再次对水泥样品进行称重比较，其结果见下表。表4 耐盐性能测试中一周前后水泥块质量变化的比较项目1#2#3#4#5#初始质量（g）23.024.528.420.422.7一周后质量（g）23.624.928.921.023.7质量增加（g）0.60.40.50.61.0由表中结果可知，水泥的配方随着聚苯乙烯泡沫塑料的增多，水泥的耐盐性能也随之产生差异，但并不是像耐水性能那样，加入的聚苯乙烯泡沫塑料越多，耐盐性能越差。由表中数据可知，2#水泥样品的耐盐性能是最好的，其次是3#样品，而1#和4#样品的耐盐性能是相当的，5#样品的耐盐性能则最差。3.4耐碱性能测试结果 将1#5#水泥各取一份，进行耐盐性能测试。一周后观察水泥发现，五块水泥均无松散、溃散、脱落等现象。从表面来看，五块水泥外表无明显变化，但在浸泡过程中，一直在跟踪测定每块水泥的质量经盐水浸泡后的变化，其结果见途中曲线所示。耐碱性能图22242628303205101520253040507090120时间（min）质量（g）1#2#3#4#5#图5 轻质水泥耐碱性能比较由图中曲线可知，水泥块的质量刚进水时有较大变化，这是因为干燥的水泥块浸没于水中时，首先水泥块表面会湿润而带水。等水泥块表面都被浸湿后，水泥块的质量基本保持不变，而水中的碱组分对水泥的作用效果也不明显，因此单从图中并不能明显看出水泥块的耐碱性能的好坏，故在实验进行一周后，再次对水泥样品进行称重比较，其结果见下表。表5 耐碱性能测试中一周前后水泥块质量变化的比较项目1#2#3#4#5#初始质量（g）28.428.022.930.423.8一周后质量（g）28.928.723.331.024.3质量增加（g）0.50.70.40.60.5由表中结果可知，水泥的配方随着聚苯乙烯泡沫塑料的增多，水泥的耐碱性能随之产生差异，且与耐盐性能类似，并不是规则的变化。由表中数据可知，3#水泥样品的耐碱性能是最好的， 1#和5#样品的耐碱性能相当，再然后是4#样品，2#样品的耐碱性能则最差。3.5耐酸性能测试结果将1#5#水泥各取一份，进行耐盐性能测试。一周后观察水泥发现，五块水泥均无松散、溃散、脱落等现象，但水泥块表面产生许多孔隙，且测试性能所用的容器底部有浑浊的沉淀物，器壁上则有许多气泡附着，这是由于水泥中的硅酸盐成分能与盐酸产生化学反应所导致的。其反应过程如下：2MgO3SiO2nH2O+4HCl=2MgC