偏铝酸钠对单组分地聚水泥的性能调控及水化机理

地聚水泥是一种新型胶凝材料,与普通硅酸盐水泥相比,具有绿色环保、节能低碳、性能优异等诸多技术优势。目前,地聚水泥主要由原材料粉体与碱溶液双组分混合所得,导致腐蚀性和高粘度碱溶液运输条件苛刻,且现场施工不易控制,因而在土木工程中难以大规模应用。本工作以偏铝酸钠(NaAlO_(2))对单组分地聚水泥的性能调控及水化机理为研究目标。在地聚水泥中,将碱溶液改为固体碱激发剂,并引入原材料粉体质量2%的NaAlO_(2)改善其工作性能。研究表明,NaAlO_(2)水解速度快,可在反应初期产生富Al反应环境,并快速形成水化硅铝酸钙,使得单组分地聚水泥在强度不变的情况下,凝结时间得到延长,工作性能得到改善,且微观结构也趋于凝胶化、致密化。可见,少量NaAlO_(2)的引入有利于突破当前双组分地聚水泥的应用技术瓶颈,推动地聚水泥在工程中的大规模应用。

早强型钢渣基胶凝材料的制备及其水化机理研究

钢渣是炼钢过程中产生的主要废弃物,具有用途单一、产生量大、污染环境等特点。本文使用钢渣微粉、42.5普通硅酸盐水泥分别与增强剂Ⅰ、增强剂Ⅱ混合制备早强型钢渣基胶凝材料,通过测定原料化学成分、矿物组成,测试胶凝材料的力学性能,分析其热稳定性、微观形貌来揭示胶凝材料的水化机理。研究结果表明:胶凝材料的早期抗压强度大幅提高,后期抗压强度良好;这是因为增强剂能促进Ca(OH)2消耗并提高水化反应速率,Ca(OH)2水解出的OH-能促进钢渣微粉中玻璃体溶出硅酸盐,与Ca^(2+)生成C-S-H凝胶;增强剂含有的硫酸盐能与胶凝材料生成钙矾石AFt,并填充于凝胶孔隙中,增强了材料的密实度。早强型钢渣基胶凝材料的最优配比为钢渣微粉125 g、增强剂Ⅱ用量10 g。研究成果为早强型钢渣基胶凝材料的制备提供了新思路,也可为钢渣综合利用研究提供借鉴。

改性电解锰渣-矿粉复合胶材料的制备及水化机理

电解锰渣(EMR)是金属锰湿法冶炼过程中产生的一种固体废物,其堆积量大,对环境造成了严重的污染。但电解锰渣中富含硫酸盐,依据其特性,可与矿粉(GGBFS)复合制备胶凝材料。以矿粉为主要原料,电解锰渣为矿粉的硫酸盐激发剂,熟石灰为碱激发剂,制备电解锰渣-矿粉复合胶凝材料。探究电解锰渣、矿粉和熟石灰的最佳配比,并在此基础上对电解锰渣在不同温度下煅烧改性,通过力学测试确定最佳煅烧温度。利用XRD、FT-IR、TG-DTG和SEM等表征方式分析胶凝材料的水化产物及水化机理,同时对硬化体进行毒性测试。结果表明:电解锰渣对矿粉有良好的激发作用,复合胶凝材料中电解锰渣、矿粉、熟石灰最佳质量配比为2∶7∶1,其28 d的抗压强度达到27.2 MPa,电解锰渣经350℃煅烧所制备的复合胶凝材料抗压强度达到30.5 MPa。复合胶凝材料的水化产物主要为钙矾石(AFt)和水化硅酸钙(C-S-H);28 d硬化体浸出液中的重金属浓度均在《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2022)标准限值内,复合胶凝材料具有良好的安全性。

盾构隧道用聚合物双液浆性能及水化机理研究

为了解决盾构隧道施工过程中注浆浆液流失大、稳定性差等问题,选用聚丙烯酰胺(PAM)、丁苯乳液(SBR)及羧甲基纤维素钠(CMC-Na)三种聚合物为原材料,研制了盾构隧道用聚合物双液浆注浆材料。对聚合物双液浆的基本性能和抗水分散性进行测定,同时结合CT测试和水化热测试,分析了不同种类聚合物双液浆的孔隙结构和水化机理。结果表明:0.5%(质量分数)PAM的早期缓凝效果最明显,抗水分散性最优,CMC-Na具有提升后期强度增长速率的作用;聚合物的掺入会增大孔隙尺寸,扩大孔径分布范围,减少孔的数量;SBR对C_(3)A的溶解反应有显著影响,CMC-Na对水化加速阶段C-S-H的生成起控制作用。

纳米SiO_(2)增强高流态早强水泥灌浆材料的水化机理

为了满足民用基础设施日益增长的功能要求,水泥灌浆材料必须具有高流态、早强和低收缩的特定性能。本文采用正交试验方法研制了纳米SiO_(2)增强的高流态早强水泥灌浆材料(HECM),通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、差示扫描量热(DSC)测试分析了在不同养生龄期和纳米SiO_(2)含量情况下,纳米SiO_(2)对HECM微观结构和水化产物的影响机制。结果表明:HECM在养护1 d时的弯曲强度和抗压强度分别高于3.5 MPa和12 MPa,流动性和收缩率分别小于11s和0.15%;与普通水泥基材料相比,随着HECM中水化速率的加快,纳米SiO_(2)对强度的影响将提前发生。

磷石膏基充填胶凝材料配方优选及水化机理

磷石膏是湿法磷酸工艺中产生的固体废弃物,其活性很低,是一种无害化处理难度较大的废弃物。酒泉钢铁公司炼铁过程中产生的矿渣具有较高的活性,可以与磷石膏混合制备具有胶凝性质的材料,对采空区进行回填来消除采空区地质灾害。根据不同配比和不同磷石膏细度下充填胶凝材料强度的正交试验,得出磷石膏基充填胶凝材料的最优配方,在此基础上使用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析其内部结构。结果表明:在生石灰含量5.5%~6.0%、磷石膏含量30.0%~33.0%、NaOH含量1.5%~2.0%,芒硝含量2.5%~3.0%,矿渣平均粒径为15.88μm,添加助磨剂和早强剂的情况下,充填胶凝材料的3 d和7 d抗压强度分别达到1.58 MPa和4.10 MPa。水化硅酸钙凝胶和钙矾石的生成量随着龄期的增长逐渐增加,结构逐渐密实,水化硅酸钙凝胶在充填胶凝材料中起到了充填黏结作用,钙矾石在充填胶凝材料中起到了支撑作用,从而提高了材料的整体强度。

再生蒸压加气混凝土的性能及水化机理研究

将废混凝土粉作为硅质材料掺入蒸压加气混凝土中,研究了废混凝土粉的掺量(40%~70%)、蒸压压力(0.9~1.7 MPa)和蒸压时间(4、6、8 h)对蒸压加气混凝土性能的影响,并通过XRD和SEM分析了其水化机理。结果表明:当废混凝土粉掺量为50%、蒸压压力为1.1 MPa、蒸压时间为8 h时,制备的再生蒸压加气混凝土的抗压强度和干密度分别达到7.5 MPa和647 kg/m3,满足相关标准中的A5.0、B06级别要求;蒸压养护促进了蒸压加气混凝土中的硅质材料和钙质材料反应,生成了大量的片状托贝莫来石、半结晶CSH(Ⅰ)、CSH凝胶和少量水化石榴石、硬石膏等水化产物,从而提高了蒸压加气混凝土的强度,降低了其干密度。

蒙脱石膨胀特性及水化机理分子模拟研究

缓冲回填材料是高放废物地质处置库中的关键工程屏障,以膨润土作为主要基材,起着阻隔核素迁移和维护处置库长期安全稳定等作用。膨润土中蒙脱石矿物含量较高,结合水的存在对其水化膨胀、收缩、孔隙结构、土水特性、强度及变形等物理力学性质,以及电导率、阳离子交换容量、吸附热等电化学性质产生重要影响。对膨润土中蒙脱石矿物吸附水性能进行分子层面模拟,基于颗粒表面物理-化学相关理论,运用Monte Carlo、Molecular Mechanics UFF等系列方法,综合确定蒙脱石结合水后分子层间距和密度,讨论交换性阳离子类型及含量对结合水膜厚度和密度的影响。结果表明:蒙脱石分子层间距与水含量正相关,密度与水含量负相关;模型优化前后构型发生较大变化,在构型优化前范德华力对总能量的贡献最多,而优化后以非价键作用的静电作用和价键作用的角弯曲为主。

硅铝型铁尾矿粉的无熟料固结性能及水化机理

为探究磨细铁尾矿粉在无熟料体系中的固结性能,以硅铝型铁尾矿为主体材料,掺配钙、硫、硅校正材料,在磨细比表面积约为1 000 m2/kg时,使铁尾矿粉获得无熟料高强度固结效果.利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、差示扫描同步热分析仪(DSC-TG)测试技术及化学滴定方法,分析了固结体中水化产物的种类、含量及微观形貌,研究了无熟料固结材料的水化机理.结果表明:当钙、硫、硅校正材料总占比为40%,且三者之间质量比为20∶5∶15时,利用铁尾矿细磨过程中矿物表面晶格畸变形成的非晶质层成分与校正材料之间的水化反应及产物协同效应,能够获得28 d强度为52.08 MPa的固结体;水化过程中,钙矾石(AFt)的快速生成为硬化浆体提供了早期强度,水化硅酸钙(C-S-H)是稳定固结体后期强度的保证,1/7~1/5的晶胶比确保了固结体强度的持续发展.

碱激发烧结砖粉力学性能与水化机理研究

废弃烧结砖约占城市建筑垃圾总量的50%,将其任意堆放与丢弃给环境造成极大负荷。为寻求废弃烧结砖的资源化利用新途径,以磨细的废弃烧结砖粉为原料,用水玻璃和NaOH为复合碱性激发剂制备碱激发胶凝材料,研究了水玻璃模数、Na_(2)O含量对碱激发烧结砖粉力学性能的影响,并结合水化热、X射线衍射和扫描电镜等测试技术,揭示了碱激发烧结砖粉的水化作用机理。结果表明:碱激发烧结砖粉抗压强度随水玻璃模数和Na_(2)O含量的增加均呈先增大后减小的变化趋势,当水玻璃模数为1.8、Na_(2)O含量3.0%时,试样28 d抗压强度最高,可达1.70 MPa,可做辅助胶凝材料使用。随着水玻璃模数减小或Na_(2)O含量增加,碱激发烧结砖粉浆体水化反应诱导期延长,加速期第二放热峰出现时间延后;放热总量随水玻璃模数减小而先增加后减小,随Na_(2)O含量增加而增加。碱激发胶凝材料微结构演变中,当水玻璃模数和Na_(2)O含量过高或过低时,均会阻碍水化产物N-A-S-H凝胶的生成,增加孔隙率,进而影响试样抗压强度的增长。

磨细石灰石粉-水泥流变性能及水化机理研究

为研究石灰石粉细度和掺量对水泥浆体流变性能和水化进程的影响,采用安东帕流变仪测试了新拌浆体的流变性能,通过计算触变环面积表征浆体的触变性,同时利用湿堆积密度测试和水膜层厚度计算结果解释石灰石粉对水泥浆体流变行为的影响机制,最后通过微量热测试和XRD定量分析阐明石灰石粉对水泥水化进程的影响规律。结果表明,10%(质量分数)掺量下,1000目(5.25μm)石粉的掺入使屈服应力较掺400目(17.34μm)石粉降低了48.4%,但较掺600目(11.23μm)石粉提高了15.6%;相同细度下,掺10%和20%600目石粉浆体屈服应力较空白组分别降低76.7%和81.8%;石粉的掺入降低了浆体的触变性,并改变了触变性随时间的变化规律;增加石粉细度和掺量使浆体湿堆积密度增大,颗粒水膜层厚度提高,浆体屈服应力和稠度减小;增大石粉细度能够缩短水化诱导期,使水化第二放热峰前移,促进早期C 3S溶解和C-S-H生成,加快水泥水化进程。

负温条件下硅酸盐-铝酸盐-磷酸盐水泥体系水化机理研究

为了研究在-10℃环境下硅酸盐-铝酸盐-磷酸盐水泥体系(SAP体系)的水化反应情况,通过凝结时间、XRD、TG、SEM等测试分析了SAP体系的水化产物和反应机理。结果表明:掺入铝酸盐水泥(CAC)和焦磷酸钠均有利于硅酸盐水泥(OPC)的早期凝结,但不利于其后期强度发展;SAP体系早期的主要水化产物为C-S-H凝胶和NO_(2)-AFm晶体,CAC掺量越多,7 d水化产物生成量越多,试件的抗压强度越高;7~28 d时,CAC掺量为10%的S9A1P体系中Ca(OH)_(2)晶体持续生成,试件28 d抗压强度达到32.4 MPa。

镁质胶凝材料制备与分类、水化机理及耐久性能

镁质胶凝材料是基于活性MgO的一种新型胶凝材料,具有快凝、早强、耐火等特性,在修补、抢修等工程中具有显著优势。本文按照MgO煅烧温度及调和液种类,将镁质胶凝材料分为氯氧镁水泥、硫氧镁水泥和磷酸镁水泥,详细讨论并总结了它们的水化机理及耐久性能。氯氧镁水泥的水化实质是MgO、MgCl_(2)和H_(2)O三元体系水化;硫氧镁水泥水化过程由于游离MgSO4的存在导致硬化体系的强度较低;磷酸镁水泥由于MgO溶解放热及与磷酸盐之间剧烈反应放热的重叠导致水泥水化过快及放热过于集中。碳化会收缩镁质胶凝材料硬化基体中的毛细孔、优化内部孔结构,提高其强度及耐久性。镁质胶凝材料耐水性都较差,氯氧镁水泥耐水性差的原因目前并没有统一的认识;硫氧镁水泥耐水性差是因为未反应的MgO与水反应生成Mg(OH)_(2),引起体积膨胀、硬化基体开裂;磷酸镁水泥耐水性差是因为磷酸盐会导致水化产物及未反应的MgO溶解。

煤矸石混凝土配比优化及其水化机理研究

通过对煤矸石混凝土立方体开展单轴抗压强度测试,研究了煤矸石混凝土料浆浓度、煤矸石细矸率以及水泥掺量对强度的影响关系,获得了煤矸石混凝土中各主要成分的优化配比区间。研究表明:在煤矸石混凝土的配比中,混凝土料浆质量浓度区间以76%~80%为宜;细骨料的掺量区间以35%~45%为宜;水泥掺量对煤矸石混凝土强度影响较大,且随着水泥的增加而快速增加,其掺量与水泥呈现正相关;同时,对不同期龄的煤矸石混凝土进行了电镜扫描以及EDS能谱扫描,结果表明随着期龄的增长,其水化产物会发生改变,水化产物之间会相互交织形成致密结构,提高材料强度。

深水固井水泥性能及水化机理

针对深水固井中出现的低温、浅层水—气流动问题,测试了G级油井水泥—硫铝酸钙复合深水固井水泥体系的稠化时间、静胶凝强度、抗压强度、长期抗压强度和水泥石体积膨胀率,利用XRD手段表征了不同温度下水化产物和长期水化产物。结果表明:早期主要为硫铝酸钙矿物熟料水化生成钙矾石AFt,使水泥浆具有优异的低温早强、"直角稠化"、静胶凝强度"过渡时间"短和水泥石体积微膨胀的优点;后期主要为C3S、C2S水化生成水化硅酸钙凝胶C2SH2和Ca(OH)2,水化硅酸钙凝胶C2SH2填充在钙矾石AFt晶体间,使水泥石结构致密,促进水泥石强度持续增长。体系中主要水化产物AFt、C2SH2凝胶稳定保证了水泥石力学性能的长期稳定。

脱硫石膏-石灰-粉煤灰体系胶凝性及水化机理

通过在粉煤灰中掺加不同质量分数的脱硫石膏、石灰、NaOH、Na2SO4、煅烧脱硫石膏等研究体系的胶凝性能。结果表明:单掺脱硫石膏或煅烧脱硫石膏能提高体系的强度,最佳煅烧温度为800℃;加入石灰及NaOH碱性激发剂后,粉煤灰的活性得到激发,体系的胶凝性能明显提高。当脱硫石膏掺量的质量分数为7%、石灰为8%、NaOH为0.5%时,其28 d的抗折强度达4.19 MPa、抗压强度达16.70 MPa。在脱硫石膏、石灰、NaOH等的共同作用下,粉煤灰的水化反应加强,其主要产物为钙矾石、水化硅酸钙,体系的致密性及胶凝性能均增强。

低浓度拜耳赤泥充填材料制备及水化机理

针对矿山充填中拜耳法赤泥利用率较低或低浓度赤泥充填材料存在强度低、泌水量高、易收缩等问题,研究粉煤灰添加比例、脱硫石膏、石灰及激发剂对赤泥充填材料早期强度及体积稳定性的影响,采用扫描电子显微镜-能谱仪(SEMEDS)和X射线衍射(XRD)分析手段探讨赤泥基充填材料的水化机理.结果表明,脱硫石膏促进钙矾石的生成,石灰促进粉煤灰火山灰效应,激发剂可以加快赤泥-粉煤灰水化反应进程,三者协同作用提高赤泥充填体强度.充填材料28 d抗压强度3.35 MPa,且初始及60 min流动度在200 mm以上.微观实验表明,硬化体水化产物为钙矾石、硬柱石、硅铝酸盐凝胶类矿物,水化产物通过填充孔隙,提高浆体强度.赤泥基充填材料固体废弃物利用率达到92%,无泌水,无沉缩,具有较高的经济价值和环保价值.

矿渣磷酸镁水泥的力学性能和水化机理

以高炉矿渣作为磷酸镁水泥(MPC)的活性混合材料,研究了MPC的凝固时间、力学性能、物相组成和显微结构,并探讨了矿渣MPC的作用机理。实验固定磷镁比为25%,硼镁比为7.5%,矿渣掺量分别为磷镁总质量的0%、10%、20%、30%和40%。结果表明,矿渣参与了水化反应并提高了MPC的胶凝性能,随着矿渣掺量增大,矿渣MPC的抗压强度提高,但矿渣水化产生的膨胀应力会破坏MPC的内部结构,因此其抗折强度随矿渣掺量增大而降低。矿渣MPC的主要水化产物为六水合磷酸镁铵(MgNH4PO4.6H2O),矿渣的掺入使凝胶相增加,并有部分Ca2+进入MgNH4PO4.6H2O晶格,使水化产物的形貌、大小发生变化。样品中剩余较多死烧镁和矿渣颗粒,可起骨料作用。

矿用新型充填胶凝材料配比实验及其水化机理研究

以某充填矿山为背景,利用脱硫灰渣、水泥熟料、早强剂和矿渣进行矿用新型充填胶凝材料配比实验。采用正交实验确定胶凝材料最优配比,借助X射线衍射和扫描电镜研究新型充填胶凝材料的水化机理,最后进行验证实验和工业应用研究。结果表明:新型充填胶凝材料最优配方为水泥熟料∶脱硫灰渣∶早强剂∶矿渣=4∶17∶0.5∶78.5,最优配方下充填体7 d、28 d单轴抗压强度分别为1.355 MPa、3.870 MPa;新型充填胶凝材料水化产物主要为团絮状C-S-H凝胶和短棒状钙矾石,随龄期增加生成更多C-S-H凝胶和钙矾石,是充填体强度随龄期增加的原因;验证实验的充填体强度相对误差小于1%,强度可靠可进行工业应用;与32.5水泥相比,新型胶凝材料充填体7 d、28 d体积沉缩率分别低31.26%、33.50%,每吨节约成本73元,对提高充填体接顶率与节约矿山生产成本具有重要意义。

矿渣MTC水化机理实验研究

针对钻井行业中采用矿渣MTC进行油气井固井的特点,利用XRD对矿渣MTC水化过程产物以及膨润土等进行了物相鉴定实验研究,根据硅酸盐化学理论、无机材料化学理论,分析了矿渣MTC的水化机理。研究结果表明:矿渣由大量玻璃体和少量水泥熟料晶体组成,膨润土中含有大量的钠蒙脱石和石英,使其与玻璃体的性能相似,可以在强碱作用下被激活。硅酸三钙、硅酸二钙、硅钙石等都可以水化生成硅酸钙凝胶和Ca(OH)2,随着钙硅比的减小,它们的活性减弱,并且生成的硅酸钙凝胶也具有不同的钙硅比。反应过程的水化产物Ca(OH)2可以作为矿渣的激活剂,与SiO2作用生成低钙硅比的C-S-H凝胶,其中水泥熟料物质的水化进程与其在24h之内的水化特性相吻合。