普通硅酸鹽水泥力學(xué)性能的研究 化學(xué)工程與工藝專業(yè)

附錄A附錄B不同細(xì)度硅灰改性水泥的研究答庫馬爾和德拉羅伊賓夕法尼亞州立大學(xué)材料研究實(shí)驗(yàn)室。賓夕法尼亞大學(xué)公園16802研究了硅酸鹽水泥的漿體和砂漿的細(xì)度。介紹了將水泥摻入10%硅灰混合的效果提高。采用熱重、水化熱、X射線衍射、掃描電鏡、抗壓強(qiáng)度、顯微硬度等測試方法對水泥漿體進(jìn)行了測評。研究表明，硅灰的摻入可以提高硅酸鹽水泥的性能和強(qiáng)度。粗水泥的摻入使其受益。通過該過程可以實(shí)現(xiàn)研磨過程的節(jié)能。介紹通過之前的研究表明，從市面上售賣的水泥中除去細(xì)顆粒會導(dǎo)致早期強(qiáng)度的顯著下降且水化作用減慢。本文介紹了一種利用細(xì)粒度硅質(zhì)材料、硅灰材料來提高粗磨水泥的強(qiáng)度和水化特性的嘗試。以前曾嘗試過在粒度分布和尖端技術(shù)方面的研究工作，以優(yōu)化磨削能量。無定型硅質(zhì)火山灰由于其在水泥中的高活性而非常適合于這種嘗試。這樣的研究結(jié)果表明，在熟料研磨過程中，對能量的優(yōu)化進(jìn)行了提升。為了模擬粗糙的水泥地面，使用空氣分級機(jī)將商業(yè)APIC類水泥(ASTM類型111)分離成三個(gè)粗級。然后用細(xì)粒度無定形硅灰代替5%和10%重量的水泥。通過改變原料的抗壓強(qiáng)度和氫氧化鈣含量來監(jiān)測替代對母水泥及其級分的影響。通過水化熱研究監(jiān)測水化早期。定性X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)提供了關(guān)于相組成和形態(tài)的信息。對漿料進(jìn)行顯微硬度測量，以表征微觀尺度上的強(qiáng)度發(fā)展。實(shí)驗(yàn)步驟通過除去不同量的水泥細(xì)粒級分，使用空氣分級機(jī)將C類波特蘭水泥(API分級)改性成三個(gè)粗粒級分。實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)在前一篇論文中給出。采用發(fā)射光譜和吸收光譜結(jié)合濕化學(xué)方法對水泥和硅灰進(jìn)行了化學(xué)分析。分別使用標(biāo)準(zhǔn)ASTMC-187、C-191、C-204和C-188方法測量例如稠度水、凝結(jié)時(shí)間、布萊恩表面積和比重的物理性質(zhì)；在單點(diǎn)儀器上測量使用氮?dú)獾谋砻娣e。掃描電子顯微鏡粒度分析在賓夕法尼亞州立大學(xué)開發(fā)的計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)上進(jìn)行，而SEM圖像在單獨(dú)的系統(tǒng)上進(jìn)行。成像樣品在液氮中冷卻干燥，在冷凍器中抽真空幾小時(shí)以除去水分，然后在檢查前進(jìn)行鍍金以使其導(dǎo)電。按照ASTMC-109程序，使用50.87mm立方體測定抗壓強(qiáng)度。所有樣品在飽和Ca(OH)溶液中在24+/-1℃下固化所需時(shí)間。在螺旋式機(jī)器上測試樣品(每次測試6個(gè))。根據(jù)ASTMC-305程序，將水灰比為0.35的水泥漿澆鑄成直徑25.4mm、高50.8mm的圓柱體，并在飽和Ca(OH)溶液中水合所需時(shí)間。用熱重法和定性XRD法測定各組漿料中Ca(OH)、含量的變化；熱重研究使用TG單位進(jìn)行，每次運(yùn)行使用約60至70mg樣品。X射線粉末衍射在工業(yè)自動(dòng)化粉末衍射儀上進(jìn)行。與CuKa輻射一起使用相當(dāng)于4"2O/分鐘的掃描速率。還使用具有維氏金剛石壓頭的顯微硬度測試儀器來測量這些漿體在不同水化階段的顯微硬度；SEM圖像用于跟蹤這些漿體中的水化。3結(jié)果和討論四種水泥，即研究了C級水泥和通過分餾過程得到的三種餾分。接下來將水泥稱為水泥C、C1、C2和C3，其中水泥C表示所接收的波特蘭水泥，C1、C2和C3是按細(xì)度遞減順序排列的三個(gè)級分。圖1描述了與分級過程中從水泥中分離出來的細(xì)粒級分相比硅灰煙氣的粒度。顯然，煙氣比除去的細(xì)組分細(xì)得多；對煙霧的BET表面積測量表明表面積為26m/g。表I中的化學(xué)分析數(shù)據(jù)表明，通過分類過程，水泥在化學(xué)性質(zhì)上沒有發(fā)生很大程度的改變。有跡象表明存在一種特殊的石膏隔離現(xiàn)象，但是凝固時(shí)間測量表明，在水泥凝固延遲方面沒有明顯的退化。如表I所示，硅灰主要是二氧化硫。x射線衍射表明SiO2是高度無定形的。表2列出了這些水泥的物理性能。使用等溫量熱儀監(jiān)測水化的最初24小時(shí)。詳情見參考文獻(xiàn)。15。圖2對數(shù)據(jù)進(jìn)行了總結(jié)。這些數(shù)據(jù)是基于沒單位重量的熱量演化而來的，這些數(shù)據(jù)表明，當(dāng)與任何給定細(xì)度的純水泥相比時(shí)，加入10-15%硅灰導(dǎo)致總水化熱降低。如果放熱相對于水泥含量歸一化，則含煙霧的水泥表現(xiàn)出更高的放熱。添加5%硅灰導(dǎo)致相當(dāng)或更高的總放熱。因此，如果考慮稀釋效應(yīng)，可以更安全地得出結(jié)論，硅灰的存在會在水化的早期階段導(dǎo)致更高的反應(yīng)活性。還可以注意到，水泥細(xì)度的降低(序列C至C3)導(dǎo)致反應(yīng)活性的顯著下降以及在早期水化過程中總熱量的釋放。在圖3中總結(jié)了在最初28天中對具有和不具有硅灰的漿料的熱重研究。氫氧化鈣含量表示為1000℃下無水糊劑的百分比。通常來說，硅灰的存在導(dǎo)致氫氧化鈣含量降低。粗水泥即C1、C2和C3中的氫氧化鈣含量在早期(4天)由于硅灰存在下反應(yīng)性的增加。后期(8、14、28天)鈣含量下降的原因是氫氧化鈣與硅灰之間反應(yīng)生成C-S-HSf和CSH-I1。通過定性X射線粉末衍射研究監(jiān)測氫氧化鈣和未水化水泥含量證實(shí)了這一觀點(diǎn)。水泥文獻(xiàn)中有大量證據(jù)表明火山灰還原氫氧化鈣。水泥C的情況如圖4所示。顯然，硅灰的加入導(dǎo)致氫氧化鈣含量降低。與純水泥的情況相比，在含硅灰的樣品中，在含有10%硅灰的14天和28天樣品中，在0.176nmd噴射時(shí)幾乎看不到硅酸三鈣峰，這證明了含硅灰的樣品具有更高的反應(yīng)性。圖5表示在水化8天后具有和不具有硅灰的水泥C1的SEM圖像。顯然，硅灰的存在導(dǎo)致了更致密的結(jié)構(gòu)。CSH-I1的盒型結(jié)構(gòu)與結(jié)晶度較差的CSH的相當(dāng)開放的結(jié)構(gòu)相反，被認(rèn)為是這種觀察的原因。X射線衍射研究證實(shí)了這一點(diǎn)。硅灰對水泥漿體和砂漿的力學(xué)性能影響較大。對摻硅灰和不摻硅灰的砂漿立方體抗壓強(qiáng)度的測量表明，強(qiáng)度顯著增加。這些結(jié)果在美國陶瓷學(xué)會第82屆年會上發(fā)表。在前一篇論文中指出，細(xì)度的降低導(dǎo)致水泥強(qiáng)度發(fā)展的顯著降低，尤其是在早期?？梢岳门c硅灰混合來抵消這種損失。研究結(jié)果總結(jié)在圖6中。在對照水泥的情況下，如圖6(A)所示，由于摻入10%硅灰，觀察到強(qiáng)度增加25%。圖6(B)比較了有和沒有硅灰摻混的水泥C制成的砂漿與對照水泥C。顯然，硅灰在水泥C中的存在導(dǎo)致在10至14天內(nèi)與水泥C的強(qiáng)度特性相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度特性。強(qiáng)度發(fā)展與硅灰含量有明顯關(guān)系。與對照水泥C相比，混合水泥C1的28天強(qiáng)度略有增加。圖6(C)將水泥C2的強(qiáng)度特性與對照水泥的強(qiáng)度特性進(jìn)行了比較。由于水泥的細(xì)度低，需要至少10%的硅灰來將該水泥提高到對照水泥的水平。交叉發(fā)生在大約10天。對于所研究的最粗水泥，即C3，純水泥或含硅灰的砂漿永遠(yuǎn)達(dá)不到控制，這表明在使用中等硅灰添加量來抵消細(xì)度對水泥及其砂漿強(qiáng)度的影響之前，需要最小細(xì)度。因此，綜上所述，只要保持在C2和C3之間產(chǎn)生的最小細(xì)度，水泥熟料粗磨對其抗壓強(qiáng)度特性的有害影響可以通過適度添加硅灰來抵消。一開始有人說，這項(xiàng)研究的目的之一是確定通過粗磨目前銷售的波特蘭水泥節(jié)約能源的可能性。從之前的研究中可以清楚地看出，較粗的研磨會導(dǎo)致強(qiáng)度和水化特性的劣化。上述數(shù)據(jù)清楚地表明，硅酸鹽水泥與硅灰的混合導(dǎo)致強(qiáng)度的顯著提高。還表明，粗磨水泥與硅灰混合時(shí)，其性能即使不比現(xiàn)有硅酸鹽水泥好，也同樣好。這種觀點(diǎn)并非毫無保留，因?yàn)樵谟^察到硅灰添加的有益效果之前需要對熟料進(jìn)行最小/最佳研磨。關(guān)于在制造期間熟料研磨能量需求，當(dāng)比較水泥C和C1時(shí)，可以證明節(jié)約了40%的能量。這大約相當(dāng)于制造期間所需總能量的3%。盡管如此，還是有一個(gè)額外的儲蓄與混合材料的數(shù)量成正比。當(dāng)將水泥C與具有10%硅灰的水泥CI進(jìn)行比較時(shí)，這就節(jié)約大約13%的總能量。對于水泥C2的情況可以獲得更高的節(jié)約。還應(yīng)提及的是，普通硅酸鹽水泥與5