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

附錄A附錄B不同細(xì)度硅灰改性水泥的研究答庫(kù)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(cè)試方法對(duì)水泥漿體進(jìn)行了測(cè)評(píng)。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(guò)該過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)研磨過(guò)程的節(jié)能。介紹通過(guò)之前的研究表明，從市面上售賣(mài)的水泥中除去細(xì)顆粒會(huì)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(lái)提高粗磨水泥的強(qiáng)度和水化特性的嘗試。以前曾嘗試過(guò)在粒度分布和尖端技術(shù)方面的研究工作，以?xún)?yōu)化磨削能量。無(wú)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(guò)程中，對(duì)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(jí)機(jī)將商業(yè)APIC類(lèi)水泥(ASTM類(lèi)型111)分離成三個(gè)粗級(jí)。然后用細(xì)粒度無(wú)定形硅灰代替5%和10%重量的水泥。通過(guò)改變?cè)系目箟簭?qiáng)度和氫氧化鈣含量來(lái)監(jiān)測(cè)替代對(duì)母水泥及其級(jí)分的影響。通過(guò)水化熱研究監(jiān)測(cè)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(duì)漿料進(jìn)行顯微硬度測(cè)量，以表征微觀尺度上的強(qiáng)度發(fā)展。實(shí)驗(yàn)步驟通過(guò)除去不同量的水泥細(xì)粒級(jí)分，使用空氣分級(jí)機(jī)將C類(lèi)波特蘭水泥(API分級(jí))改性成三個(gè)粗粒級(jí)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(duì)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(cè)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(cè)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(kāi)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(cè)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(cè)試樣品(每次測(cè)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(cè)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(cè)試儀器來(lái)測(cè)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(jí)水泥和通過(guò)分餾過(guò)程得到的三種餾分。接下來(lái)將水泥稱(chēng)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(jí)分。圖1描述了與分級(jí)過(guò)程中從水泥中分離出來(lái)的細(xì)粒級(jí)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(duì)煙霧的BET表面積測(cè)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(guò)分類(lèi)過(guò)程，水泥在化學(xué)性質(zhì)上沒(méi)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(cè)量表明，在水泥凝固延遲方面沒(méi)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(wú)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(cè)水化的最初24小時(shí)。詳情見(jiàn)參考文獻(xiàn)。15。圖2對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了總結(jié)。這些數(shù)據(jù)是基于沒(méi)單位重量的熱量演化而來(lái)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(duì)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(huì)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(guò)程中總熱量的釋放。在圖3中總結(jié)了在最初28天中對(duì)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(wú)水糊劑的百分比。通常來(lái)說(shuō)，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(guò)定性X射線粉末衍射研究監(jiān)測(cè)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(kāi)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(duì)水泥漿體和砂漿的力學(xué)性能影響較大。對(duì)摻硅灰和不摻硅灰的砂漿立方體抗壓強(qiáng)度的測(cè)量表明，強(qiáng)度顯著增加。這些結(jié)果在美國(guó)陶瓷學(xué)會(huì)第82屆年會(huì)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(lái)抵消這種損失。研究結(jié)果總結(jié)在圖6中。在對(duì)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(méi)有硅灰摻混的水泥C制成的砂漿與對(duì)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(duì)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(duì)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(lái)將該水泥提高到對(duì)照水泥的水平。交叉發(fā)生在大約10天。對(duì)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(lái)抵消細(xì)度對(duì)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(duì)其抗壓強(qiáng)度特性的有害影響可以通過(guò)適度添加硅灰來(lái)抵消。一開(kāi)始有人說(shuō)，這項(xiàng)研究的目的之一是確定通過(guò)粗磨目前銷(xiāo)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(huì)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(wú)保留，因?yàn)樵谟^察到硅灰添加的有益效果之前需要對(duì)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(chǔ)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(duì)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