水泥熟料礦物的溶膠—凝膠法制備及其水化研究.pdf

1、本論文系統(tǒng)地研究了水泥熟料的四大主要礦物C3S、β-C2S、C3A和C4AF的溶膠-凝膠法制備過程，并利用粘度儀、差熱分析(DTA)、X射線衍射(XRD)、紅外光譜(IR)、掃描電鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)和激光粒度儀等測試手段分析了凝膠形成過程和凝膠熱處理過程中發(fā)生的反應(yīng)以及所制備礦物的物理性質(zhì)；同時，利用X射線熒光分析(XRF)、X射線衍射(XRD)、差示掃描量熱儀(DSC)、掃描電鏡(SEM)、環(huán)境掃描電鏡(E

2、SEM)、核磁共振(NMR)以及微量熱儀等測試手段詳盡地分析了所制備的四種礦物的水化過程和水化特性。研究中主要做了如下的工作：1.首次系統(tǒng)地研究了水泥熟料礦物C3S、β-C2S、C3A和C4AF的溶膠-凝膠法制備過程。不但選擇了四種礦物的溶膠-凝膠法制備的前驅(qū)物，確定了溶膠-凝膠形成過程中的用水量、溶劑、催化劑以及反應(yīng)溫度等影響因素的最佳值；并且通過對凝膠熱處理過程的研究表明，水泥產(chǎn)物的晶型與熱處理溫度有關(guān)，通過大量的實驗得到

3、了各種礦物形成的最適宜熱處理工藝制度。由于在熱處理前，在礦物凝膠中已存在相應(yīng)的功能基團(tuán)或在有機(jī)物交聯(lián)作用下形成了具有礦物化學(xué)組成的結(jié)合體，因此用溶膠-凝膠法可以在低于傳統(tǒng)燒結(jié)方法的溫度下制備出產(chǎn)物。以溶膠-凝膠法制備的水泥熟料礦物不但克服了傳統(tǒng)燒結(jié)法的燒成溫度高、產(chǎn)物純度差等弱點，而且用溶膠-凝膠法制備的產(chǎn)物的平均粒徑小于傳統(tǒng)燒結(jié)法制備的產(chǎn)物，表面形貌也有別于后者。2.研究了溶膠-凝膠法制備的四種高純度水泥熟料礦物的水化過程

4、，為研究多組分水泥體系奠定了基礎(chǔ)。(1)按照水化放熱情況，將C3S和β-C2S水化分為五個階段：即Ⅰ初始水解期：Ⅱ誘導(dǎo)期；Ⅲ加速期；Ⅳ衰退期；Ⅴ穩(wěn)定期。當(dāng)C3S和β-C2S與水接觸后，立即水解出鈣離子和硅酸根離子，在水化開始兩分鐘時它們的表面上都有明顯的水化產(chǎn)物生成：C3S水解出的離子多于β-C2S，因此不同含鈣離子的電解質(zhì)溶液對兩者水化的影響不同。C3S在不同含鈣離子的溶液中水化速度有如下順序：2％CaCl2溶液＞Ca(O

5、H)2飽和溶液＞H2O＞CaSO4飽和溶液；β-C2S在不同含鈣離子的溶液中水化速度有如下順序：2％CaCl2溶液＞CaSO4飽和溶液＞Ca(OH)2飽和溶液≈H2O＞CaCO3飽和溶液。C3S和β-C2S的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠中Si-O結(jié)構(gòu)隨著水化的進(jìn)行不斷聚合。盡管CaCl2能加速水化，但是它不能促進(jìn)C-S-H凝膠中Si-O的聚合。探討了C3S水化動力學(xué)模型，并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證。(2)溶膠-凝膠法制備的C3A水化很

6、快，在水化早期的主要水化產(chǎn)物為立方形的C3AH6，并且水化溫度越高，水化早期Ca(OH)2晶體越容易形成。通過研究石膏存在時C3A的水化過程發(fā)現(xiàn)，在鈣礬石完全生成前，它就已經(jīng)開始轉(zhuǎn)化為單硫型硫鋁酸鈣。石膏摻量影響C3A水化的速度，當(dāng)石膏摻量較少時，將促進(jìn)C3A水化速度；然而當(dāng)摻量較大時，將延緩C3A的水化，并且延緩作用隨著石膏摻量的增加而明顯增加。研究表明石膏粉末的溶解過程幾乎不影響C3A的早期的水化速度。通過對比硫酸鈉和石膏

7、對C3A水化的影響,結(jié)果表明石膏的延緩作用不是由于SO42-吸附在C3A顆粒表面，而可能是由于形成滲透性差的鈣礬石覆蓋層而引起。溶膠-凝膠法所制備的C4AF水化過程與C3A類似，但是水化更快，它水化的初期就生成大量的二十四面體的水化產(chǎn)物C3(A，F(xiàn))H6晶體。相同量的石膏對C4AF水化的延緩作用比對C3A水化的延緩作用小。(當(dāng))石膏和C4AF完全反應(yīng)(時，它們)的摩爾比大于3而小于4。水化產(chǎn)物除了鈣礬石外，還有凝膠；并且根據(jù)F