普通硅酸盐水泥力学性能的研究 化学工程与工艺专业

附录A附录B不同细度硅灰改性水泥的研究答库马尔和德拉罗伊宾夕法尼亚州立大学材料研究实验室。宾夕法尼亚大学公园16802研究了硅酸盐水泥的浆体和砂浆的细度。介绍了将水泥掺入10%硅灰混合的效果提高。采用热重、水化热、X射线衍射、扫描电镜、抗压强度、显微硬度等测试方法对水泥浆体进行了测评。研究表明，硅灰的掺入可以提高硅酸盐水泥的性能和强度。粗水泥的掺入使其受益。通过该过程可以实现研磨过程的节能。介绍通过之前的研究表明，从市面上售卖的水泥中除去细颗粒会导致早期强度的显著下降且水化作用减慢。本文介绍了一种利用细粒度硅质材料、硅灰材料来提高粗磨水泥的强度和水化特性的尝试。以前曾尝试过在粒度分布和尖端技术方面的研究工作，以优化磨削能量。无定型硅质火山灰由于其在水泥中的高活性而非常适合于这种尝试。这样的研究结果表明，在熟料研磨过程中，对能量的优化进行了提升。为了模拟粗糙的水泥地面，使用空气分级机将商业APIC类水泥(ASTM类型111)分离成三个粗级。然后用细粒度无定形硅灰代替5%和10%重量的水泥。通过改变原料的抗压强度和氢氧化钙含量来监测替代对母水泥及其级分的影响。通过水化热研究监测水化早期。定性X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)提供了关于相组成和形态的信息。对浆料进行显微硬度测量，以表征微观尺度上的强度发展。实验步骤通过除去不同量的水泥细粒级分，使用空气分级机将C类波特兰水泥(API分级)改性成三个粗粒级分。实验细节在前一篇论文中给出。采用发射光谱和吸收光谱结合湿化学方法对水泥和硅灰进行了化学分析。分别使用标准ASTMC-187、C-191、C-204和C-188方法测量例如稠度水、凝结时间、布莱恩表面积和比重的物理性质；在单点仪器上测量使用氮气的表面积。扫描电子显微镜粒度分析在宾夕法尼亚州立大学开发的计算机接口系统上进行，而SEM图像在单独的系统上进行。成像样品在液氮中冷却干燥，在冷冻器中抽真空几小时以除去水分，然后在检查前进行镀金以使其导电。按照ASTMC-109程序，使用50.87mm立方体测定抗压强度。所有样品在饱和Ca(OH)溶液中在24+/-1℃下固化所需时间。在螺旋式机器上测试样品(每次测试6个)。根据ASTMC-305程序，将水灰比为0.35的水泥浆浇铸成直径25.4mm、高50.8mm的圆柱体，并在饱和Ca(OH)溶液中水合所需时间。用热重法和定性XRD法测定各组浆料中Ca(OH)、含量的变化；热重研究使用TG单位进行，每次运行使用约60至70mg样品。X射线粉末衍射在工业自动化粉末衍射仪上进行。与CuKa辐射一起使用相当于4"2O/分钟的扫描速率。还使用具有维氏金刚石压头的显微硬度测试仪器来测量这些浆体在不同水化阶段的显微硬度；SEM图像用于跟踪这些浆体中的水化。3结果和讨论四种水泥，即研究了C级水泥和通过分馏过程得到的三种馏分。接下来将水泥称为水泥C、C1、C2和C3，其中水泥C表示所接收的波特兰水泥，C1、C2和C3是按细度递减顺序排列的三个级分。图1描述了与分级过程中从水泥中分离出来的细粒级分相比硅灰烟气的粒度。显然，烟气比除去的细组分细得多；对烟雾的BET表面积测量表明表面积为26m/g。表I中的化学分析数据表明，通过分类过程，水泥在化学性质上没有发生很大程度的改变。有迹象表明存在一种特殊的石膏隔离现象，但是凝固时间测量表明，在水泥凝固延迟方面没有明显的退化。如表I所示，硅灰主要是二氧化硫。x射线衍射表明SiO2是高度无定形的。表2列出了这些水泥的物理性能。使用等温量热仪监测水化的最初24小时。详情见参考文献。15。图2对数据进行了总结。这些数据是基于没单位重量的热量演化而来的，这些数据表明，当与任何给定细度的纯水泥相比时，加入10-15%硅灰导致总水化热降低。如果放热相对于水泥含量归一化，则含烟雾的水泥表现出更高的放热。添加5%硅灰导致相当或更高的总放热。因此，如果考虑稀释效应，可以更安全地得出结论，硅灰的存在会在水化的早期阶段导致更高的反应活性。还可以注意到，水泥细度的降低(序列C至C3)导致反应活性的显著下降以及在早期水化过程中总热量的释放。在图3中总结了在最初28天中对具有和不具有硅灰的浆料的热重研究。氢氧化钙含量表示为1000℃下无水糊剂的百分比。通常来说，硅灰的存在导致氢氧化钙含量降低。粗水泥即C1、C2和C3中的氢氧化钙含量在早期(4天)由于硅灰存在下反应性的增加。后期(8、14、28天)钙含量下降的原因是氢氧化钙与硅灰之间反应生成C-S-HSf和CSH-I1。通过定性X射线粉末衍射研究监测氢氧化钙和未水化水泥含量证实了这一观点。水泥文献中有大量证据表明火山灰还原氢氧化钙。水泥C的情况如图4所示。显然，硅灰的加入导致氢氧化钙含量降低。与纯水泥的情况相比，在含硅灰的样品中，在含有10%硅灰的14天和28天样品中，在0.176nmd喷射时几乎看不到硅酸三钙峰，这证明了含硅灰的样品具有更高的反应性。图5表示在水化8天后具有和不具有硅灰的水泥C1的SEM图像。显然，硅灰的存在导致了更致密的结构。CSH-I1的盒型结构与结晶度较差的CSH的相当开放的结构相反，被认为是这种观察的原因。X射线衍射研究证实了这一点。硅灰对水泥浆体和砂浆的力学性能影响较大。对掺硅灰和不掺硅灰的砂浆立方体抗压强度的测量表明，强度显著增加。这些结果在美国陶瓷学会第82届年会上发表。在前一篇论文中指出，细度的降低导致水泥强度发展的显著降低，尤其是在早期。可以利用与硅灰混合来抵消这种损失。研究结果总结在图6中。在对照水泥的情况下，如图6(A)所示，由于掺入10%硅灰，观察到强度增加25%。图6(B)比较了有和没有硅灰掺混的水泥C制成的砂浆与对照水泥C。显然，硅灰在水泥C中的存在导致在10至14天内与水泥C的强度特性相当的强度特性。强度发展与硅灰含量有明显关系。与对照水泥C相比，混合水泥C1的28天强度略有增加。图6(C)将水泥C2的强度特性与对照水泥的强度特性进行了比较。由于水泥的细度低，需要至少10%的硅灰来将该水泥提高到对照水泥的水平。交叉发生在大约10天。对于所研究的最粗水泥，即C3，纯水泥或含硅灰的砂浆永远达不到控制，这表明在使用中等硅灰添加量来抵消细度对水泥及其砂浆强度的影响之前，需要最小细度。因此，综上所述，只要保持在C2和C3之间产生的最小细度，水泥熟料粗磨对其抗压强度特性的有害影响可以通过适度添加硅灰来抵消。一开始有人说，这项研究的目的之一是确定通过粗磨目前销售的波特兰水泥节约能源的可能性。从之前的研究中可以清楚地看出，较粗的研磨会导致强度和水化特性的劣化。上述数据清楚地表明，硅酸盐水泥与硅灰的混合导致强度的显著提高。还表明，粗磨水泥与硅灰混合时，其性能即使不比现有硅酸盐水泥好，也同样好。这种观点并非毫无保留，因为在观察到硅灰添加的有益效果之前需要对熟料进行最小/最佳研磨。关于在制造期间熟料研磨能量需求，当比较水泥C和C1时，可以证明节约了40%的能量。这大约相当于制造期间所需总能量的3%。尽管如此，还是有一个额外的储蓄与混合材料的数量成正比。当将水泥C与具有10%硅灰的水泥CI进行比较时，这就节约大约13%的总能量。对于水泥C2的情况可以获得更高的节约。还应提及的是，普通硅酸盐水泥与5