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文檔簡介

第一章高膠凝性高阿利特水泥熟料礦物體系的研究

喬貝任亞楠第一頁,共三十一頁。第一節(jié)概述

國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(“973”計劃)批準設立“高性能水泥制備和應用的基礎研究”項目,旨在使水泥具有更高的強度、更優(yōu)異的耐久性以及在水泥生產(chǎn)和使用過程中能夠降低環(huán)境負荷。其基本思路是一方面提高水泥熟料的膠凝性,使之本身具有高強度的同時對以工業(yè)廢渣制成的輔助膠凝組分有強的和持續(xù)的激發(fā)作用;另一方面把各類固體廢棄物通過激活處理成具有良好的膠凝性或者潛在膠凝性的輔助膠凝材料,并且進行優(yōu)化組合;最終由高膠凝性的水泥熟料和高活性的復合型輔助膠凝組分復合成高性能水泥。高膠凝性的水泥熟料在制備水泥時可以消納更多的作為混合材料的工業(yè)廢渣,也有可能使水泥水化形成的水泥石具有更致密的結構,從而使水泥基材料可能具有更優(yōu)異的耐久性。水泥熟料是制備高性能水泥的關鍵組分,并將對混合材活性的激發(fā)起重要作用,因此,開發(fā)生產(chǎn)適于制備高性能混凝土的水泥熟料具有十分重要的意義。第二頁,共三十一頁。硅酸鹽水泥熟料主要包含四大礦物:C3S、C2S、C3A、C4AF。其中C3S是最主要的熟料礦物,它通常是含有各種雜質的固溶體,稱為阿利特,其膠凝性能最好,是水泥強度的主要來源。阿利特在熟料中的含量最多,通常占50%~60%。但是阿利特在水泥熟料燒成過程中是形成溫度最高的礦物,它的充分形成就意味著熟料的燒成。第三頁,共三十一頁。提高熟料中阿利特的含量,也就意味著熟料的燒成溫度可能更高,因此加快阿利特在正常燒成溫度下的形成速度,盡量減少熟料燒成的熱耗是人們關注的熱點。本文作者提出有針對性的多元復合摻雜,目的之一是加速阿利特在正常燒成溫度的形成速率,確保阿利特熟料在正常溫度燒成;另一個目的是使熟料中的阿利特能夠達到高度介穩(wěn)化,同時也為今后對摻雜后有較好效果的工業(yè)廢棄物資源合理利用提供理論依據(jù)。第四頁,共三十一頁。第二節(jié)高阿利特熟料體系的礦物匹配第五頁,共三十一頁。一、配料率值對高阿利特熟料燒成的影響硅酸鹽水泥熟料處于CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3體系,該體系熟料的生產(chǎn)通常采用率值控制。高阿利特熟料的基本礦相匹配與通常的熟料有所差異,熟料中阿利特質量分數(shù)約70%,其他三種礦物在剩余的范圍內(nèi)調整。常規(guī)情況下,熟料中阿利特含量越高,熟料燒成越困難。生產(chǎn)中控制礦物匹配關系用石灰飽和系數(shù)(KH)或者修正的石灰飽和系數(shù)(LSF,又稱李-派克系數(shù))、硅酸率(SM或者n)、鋁氧率(IM或者p)進行。第六頁,共三十一頁。要使熟料中阿利特大于70%,可控制很高的KH、適中的SM,配合合適的IM;也可控制適當較高的KH、很高的SM,配合適當?shù)腎M。采用石灰石、黏土、鐵粉、鋁礬土、石英砂配料,設計三率值在較大的幅度變化,研究礦物匹配關系。各種工業(yè)原料的化學成分見表1-1。第七頁,共三十一頁。二、高阿利特熟料率值的選擇及控制方法要提高熟料中阿利特含量,可以設計成很高的KH、中低的SM,也可設計成中高的KH、很高的SM。也就是說,高阿利特熟料的配料范圍有很大的調整空間,這表明高阿利特熟料并不是特別要求極端優(yōu)質原料。設計配料方案時,根據(jù)原料特性,首先考慮的是易燒性。在設計配料方案時要注意綜合考慮生料與窯型及運行操作的適應性和熟料性能,還要考慮原料的配料可能性。第八頁,共三十一頁。關于石灰飽和系數(shù)采用KH還是LSF,對于高阿利特熟料而言,應該有新的認識。如圖1-4所示。第九頁,共三十一頁。相同KH值時LSF系數(shù)與熟料硅酸鋁的關系如圖1-6所示。如圖1-7所示為CaO-SiO2-Al2O3系統(tǒng)高鈣區(qū)的相圖。第十頁,共三十一頁。圖1-8中,在CaO-SiO2-Fe2O3系統(tǒng)中,KH和LSF的最大CaO含量共線,均為C3S-C4AF連線。也就是說,兩者的極限石灰量相等或者說是同一個表達式。在CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3系統(tǒng),如圖1-9所示,KH、LSF的CaO最大含量分別是C3S-C3A-C4AF和C3S-D-C4AF平面。第十一頁,共三十一頁。三、摻陰離子(團)對高阿利特熟料燒成的影響水泥熟料常規(guī)成分以外的某些雜質離子或離子團對熟料的燒成和性能有較大的影響,尤其是一些陰離子團,能夠改善熟料的易燒性和膠凝性。實驗用原料石灰石、黏土、鐵粉、二水石膏等采用工業(yè)物料。采用含有三種離子團的鈣鹽化學試劑在樣品中引入氟、硫、磷陰離子團,本書中分別以F、S、P表示。為對比不同陰離子的作用,設定對照組,并以對照組化學成分為基準配入不同的單一陰離子及復合陰離子作為實驗組,保持各組的主要化學組成和礦物組成相同。對照組的化學和礦物組成、率值范圍見表1-8,摻入雜質離子情況見表1-9。第十二頁,共三十一頁。第十三頁,共三十一頁。摻磷與摻氟、硫對燒成的影響對比如圖1-10所示。第十四頁,共三十一頁。為了結合氟硫和磷的特點,找到在高溫和低溫對生材都有較強促進作用的復合摻雜物,對磷與硫氟的復合作用進行了研究,結果如圖1-11所示。第十五頁,共三十一頁。圖1-12所示是樣品6在不同溫度煅燒后的X射線衍射圖譜。第十六頁,共三十一頁。其他的重復性實驗也證明了上述易燒性的結果,圖1-13和圖1-14.第十七頁,共三十一頁。為了解化學摻雜陰離子在高阿利特熟料燒成過程中的揮發(fā)性,將部分F組生料和1450℃保溫1h燒成的熟料樣品作揮發(fā)性組分化學分析。其中S03用重量法分析,F(xiàn)-采用測氟儀分析,P2O5采用離子選擇電極法分析,結果見表1-10。第十八頁,共三十一頁。四、摻陽離子對高阿利特熟料燒成的影響

以化學試劑CaCO3、SiO2、Al2O3、Fe2O3配制高鈣的基準生材,將質量分數(shù)1%各種雜質摻入到KH、SM、IM分別為0.98、2.4、2.4的高KH、高IM生料和KH、SM、IM分別為0.98、2.4、0.64的高KH、低IM生料中,并分別在1350℃、1400℃、1450℃煅燒、保溫30min,f-CaO含量分別列于表1-11和表1-12。第十九頁,共三十一頁。五、摻加工業(yè)廢渣對高阿利特熟料燒成的影響鋼渣在我國有較大的排放量,也有廣泛的地域分布,不同產(chǎn)地鋼渣的主要成分相對量有所變化,微量成分也有所不同。第二十頁,共三十一頁。磷渣是用磷礦石提煉黃磷后排出的爐渣,磷渣的化學成分主要是CaO和SiO2,兩者總和可達85%~95%,其他成分主要取決于磷礦石和輔助礦石來源,含量很低。本實驗所用磷渣的化學成分和XRD圖譜分別見表1-17和圖1-16所示。第二十一頁,共三十一頁。第三節(jié)高阿利特熟料燒成過程分析第二十二頁,共三十一頁。一、礦物匹配對液相及高阿利特熟料燒成過程的影響C3S是水泥熟料四大礦物中形成溫度最高的礦物,將硅酸鹽水泥熟料礦物體系中阿利特的含量由通常的55%~60%提高至70%左右,水泥熟料的煅燒將面臨燒成溫度過高的困難。通常認為C3S的形成動力學過程是C2S和CaO溶解進入液相,然后結晶析出C3S,在不同的階段分別受成核與長大過程控制。第二十三頁,共三十一頁。為考察鋁氧率和硅酸率對高溫液相和收縮率的影響,采用表1-24的原料配制生料。第二十四頁,共三十一頁。表1-25和圖1-18的熟料游離氧化鈣測試結果表明,對于C3S含量高達70%以上的硅酸鹽系熟料,當鋁氧率增加,其易燒性在總體上將變差。第二十五頁,共三十一頁。第四節(jié)高阿利特熟料中阿利特組成和晶體結構一、雜質離子在阿利特晶體中的缺陷反應分析對于復雜的硅酸鹽晶體,一般用陰離子配位多面體模型表示其結構。不等價置換引起的電缺陷必須有其他缺陷來平衡電價,如高電價離子的置換、附近復合低電價同號離子的置換、同號離子的空位或是異號離子的填隙。作為離子之間相互作用的結果,這些復合缺陷離子也將引起陽離子配位多面體中O-M-O的鍵長和鍵角發(fā)生改變。也就是說,摻雜離子引起了氧的堆積形狀或堆積密度的改變,導致晶體的晶體結構改變。第二十六頁,共三十一頁。從能量、電價、離子半徑考慮,在阿利特中離子之間置換可能的反應如下。第二十七頁,共三十一頁。在阿利特晶體中,Ca2+的離子半徑較大,進入氧配位八面體,Si4+進入氧四面體。從離子半徑分析,F(xiàn)e3+、Mg2+的配位數(shù)應是6;Al3+和P5+的配位數(shù)是4(表1-31)。僅從配位數(shù)來看,F(xiàn)e3+、Mg2+應是置換Ca2+,Al3+和P5+則應該置換Si4+。按照離子半徑比,也可得到同樣置換結果,見表1-31。第二十八頁,共三十一頁。第五節(jié)研究的主要結論1.高硅酸三鈣熟料體系相匹配優(yōu)化2.適宜的摻雜和復合摻雜降低活化能、促進高阿利特熟料形成3.通過阿利特晶體高度介穩(wěn)化提高熟料膠凝性4.阿利特的晶體結構調整和控制理論和方法5.高阿利特熟料礦體系的組成、結構與性能的關系第二十九頁,共三十一頁。謝謝!第三十頁,共三十一頁。內(nèi)容總結第一章高膠凝性高阿利特水泥熟料礦物體系的研究。硅酸鹽水泥熟料處于CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3體系,該體系熟料的生產(chǎn)通常采用率值控制。如圖1-7所示為CaO-SiO2-A

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