高強度復(fù)合硅酸鹽水泥的研制VIP

1、高強度復(fù)合硅酸鹽水泥的研制陳連發(fā)，耿樹東*（吉林化工學(xué)院 化工與材料工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；）摘 要：本文研究一種高強度復(fù)合硅酸鹽水泥。利用礦渣和硅質(zhì)渣制備一種高強度的復(fù)合硅酸鹽水泥，探討不同摻量對水泥性能的影響，獲得水泥基材料性能的互補效應(yīng)。研究混合材對復(fù)合水泥體系的化學(xué)成分與物理性能的影響。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，獲得最優(yōu)的混合材配比方案。關(guān)鍵詞 ：復(fù)合水泥；礦渣；硅質(zhì)渣；化學(xué)分析；配比 中圖分類號：TQ172.71+60 前言復(fù)合硅酸鹽水泥(以F簡稱復(fù)合水泥)是我國通用水泥中的一個較新的品種，它是在混合材水泥的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。與混合材水泥相比，它的特點是使用兩種或兩種以上的混

2、合材復(fù)合摻入水泥熟料，而且混合材的選擇范圍更寬1。更重要的是，復(fù)合水泥注重于多種混合材的物理化學(xué)效應(yīng)的優(yōu)勢互補，選擇性能優(yōu)勢互補的復(fù)合混合材生產(chǎn)復(fù)合水泥,能夠改善水泥的性能,提高水泥質(zhì)量,兩種混合材相互彌補,使復(fù)合水泥具有較高的早、后期強度。作為結(jié)構(gòu)材料，由于復(fù)合水泥是以拓寬混合材應(yīng)用范圍和進一步改善水泥性能為特點，符合材料未來發(fā)展的環(huán)境和資源的兩大主題，使之成為近年來國內(nèi)外研究的熱點2。1 實驗1.1實驗原材料 本實驗采用的水泥熟料來自冀東水泥水泥廠，礦渣來自中國吉林鐵合金廠生產(chǎn)的?；郀t礦渣，硅質(zhì)渣來自中國吉林鐵合金廠，二水石膏（CaSO4·2H2O）由冀東水泥廠生產(chǎn)。水泥熟料、

3、礦渣、硅質(zhì)渣的化學(xué)組成見表1。二水石膏中SO3的百分含量為47.63%。表1原材料的化學(xué)成分試驗材料SiO2Al2O3Fe2O3SO3CaOMgOfCao燒失量水泥熟料21.326.543.80.7261.122.062.122.76礦渣36.2614.261.180.1839.248.360.32硅質(zhì)渣72.4215.340.222.123.860.723.46fCao代表活性氧化鈣1.2水泥熟料的率值率值作為生產(chǎn)控制的一種指標，可以比較方便地表示化學(xué)成分和礦物組成之間的關(guān)系，明確地表示對水泥熟料的性能和煅燒的影響。我國目前所采用的是硅率SM、鋁率IM和石灰飽和系數(shù)KH等三個率值。計算公式如

4、下3：作者簡介: 陳連發(fā)（1962- ）, 男, 黑龍江齊齊哈爾人, 吉林化工學(xué)院副教授 主要從事無機非金屬材料方面的研究. 聯(lián)系方式:. （硅率控制在1.72.7之間） （鋁率控制在0.91.7之間） （石灰飽和系數(shù)控制在0.820.94之間）經(jīng)過計算本課題中所用水泥熟料各項率值符合指標。1.3原材料的處理硅酸鹽水泥的制備是將96的熟料與4的二水石膏混合后共同粉磨而成的。硅質(zhì)渣加少量的水作為研磨劑單獨粉磨至與上述水泥細度相當(dāng)，礦渣則經(jīng)過粉磨制成礦渣細粉。按照設(shè)計的配比分別與硅酸鹽水泥混勻而成為復(fù)合水泥。1.4復(fù)合水泥配摻實驗水泥熟料、礦渣、硅質(zhì)渣全部經(jīng)過105烘干，并用0.08mm標準篩篩除

5、粗顆粒，按比例配合，然后按國家標準GB177-85水泥膠砂強度檢驗方法測定復(fù)合水泥的水泥砂漿3d、7d、28d三個齡期的抗折強度和抗壓強度。原材料細度、熟料與混合材的配比情況和強度測試結(jié)果。見表2、表3、表4。表2原材料細度分析結(jié)果細度硅酸鹽水泥石膏礦渣粉硅質(zhì)渣80m方口篩篩余（%）4.682.763.865.02表3復(fù)合水泥試樣的配比%編號水泥礦渣硅質(zhì)渣T1100T29010T39010T485105T575205T6801010T7702010表4水泥各齡期強度試樣抗折強度/MPa耐壓強度/MPa3d7d28d3d7d28dT15.05.57.125.336.355.6T25.8 5.2

6、8.6 28.4 44.3 62.0 T35.3 6.4 7.3 24.2 34.8 54.2 T46.0 6.3 7.9 29.0 42.7 60.5 T55.9 6.4 7.4 26.1 43.2 63.3 T65.8 6.5 8.3 28.7 44.8 66.1 T75.9 6.4 8.1 26.2 43.1 65.8 1.5試樣化學(xué)成分的測試對各試樣（除空白試樣T1）中的SO3 、SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO、K2O和Na2O的百分含量進行測量。采用常用無機化學(xué)的分析方法，對按不同摻量配比試樣中的同一化學(xué)成分進行化學(xué)分析，并列于同一表格中進行分析和總結(jié)。用于下面對宏

7、觀性能的討論和最佳摻量的確定。2 實驗結(jié)果與討論2.1 養(yǎng)護齡期不同對強度的影響為了便于討論和分析同一試樣養(yǎng)護齡期不同對強度的影響，由表4可得到各試樣在不同齡期的強度分布直觀圖(圖1）。圖1水泥試樣的強度結(jié)果從圖1中看出同一試樣，在不同齡期，強度相差較大。3天、7天強度發(fā)展來看，各試樣在3天、7天的強度增長較為迅速，隨著養(yǎng)護齡期的增加，強度增長速度變慢。在適宜的溫度、濕度條件下，水泥強度增長可持續(xù)若干年，其增長規(guī)律為3-7天內(nèi)最為迅速；28天達70%左右，以后增長緩慢。2.2 混合材種類對水泥強度的影響為了便于討論和分析將表4中空白試樣（T1）和單摻混合材水泥抗壓強度實驗結(jié)果制成柱形圖（圖2）

8、。圖2摻不同混合材水泥抗壓強度從圖2中看山單摻硅質(zhì)渣時有一定的增強作用，加入10% 即能增加水泥28天抗壓強度6MPa。而單摻礦渣10%時，無增強作用，而且還造成其強度略低于普通硅酸鹽水泥，28天抗壓強度低于單摻時同百分含量硅質(zhì)渣，說明在此水化階段硅質(zhì)渣要好于礦渣。2.3 混合材組合配比對復(fù)合水泥強度的影響為了便于討論和分析將表4中混合材不同組合比例水泥抗壓強度實驗結(jié)果制成柱形圖（圖3）。圖3兩種混合材組合不同配比的抗壓強度當(dāng)兩種混合材復(fù)摻時，復(fù)合水泥的抗壓強度都超過了硅酸鹽水泥，28天抗壓強度增長都在5MPa以上。硅質(zhì)渣摻量為5%時，增加礦渣的量，其強度相應(yīng)增加；硅質(zhì)渣摻量為10%時,礦渣細

9、粉在1O及20的情況下，強度相當(dāng)。說明在此水化階段，硅質(zhì)渣對強度起到控制作用，礦渣起到輔助作用。根據(jù)圖2-9結(jié)果分析，當(dāng)?shù)V渣與硅質(zhì)渣以1：1的比例復(fù)合時（T6）,復(fù)合水泥28d的強度最高,說明此復(fù)摻比例是產(chǎn)生強度優(yōu)勢互補效應(yīng)的最佳比例。2.4 不同摻量對凝結(jié)時間的影響實驗記錄如下表：表5混合材不同摻量對凝結(jié)時間的影響試樣加水時間初凝時間終凝時間現(xiàn)象T18：159：3510：39水分吸收慢T28：189：2611：02水分吸收快T38：219：4010：58比T1稍慢T48：2410：1211：09比T2稍慢T58：2710：3611：53比T3快，慢于T4T68：3010：0011：50與T4

10、相近T78：3310：2411：32與T3相近單摻硅質(zhì)渣縮短了水泥的凝結(jié)時間，而礦渣則延長了凝結(jié)時間。雙摻時硅質(zhì)渣摻量多，凝結(jié)時間也縮短。這種現(xiàn)象與兩種混合材的特性有關(guān)。硅質(zhì)渣是硫酸鋁制造過程中產(chǎn)生的，所有的礬土經(jīng)過低溫煅燒和硫酸處理后，其廢渣中含有大量活性無定形SiO2 、Al2O3。屬于軟質(zhì)火山灰混合材，其需水量較大，且水化活性較高4。在水化早期就能參與水泥水化體系中的二次水化反應(yīng)，因而增加了水泥的需水量，并縮短了凝結(jié)時間。另外，為調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)時間，在水泥中摻適量(3-5%)石膏，與C3A作用生成鈣礬石(3CaO·A12O3·3CaSO4·31H20)和難溶于

11、水、穩(wěn)定的針狀晶體單硫型水化硫鋁酸鈣(CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O)，C-A-S-H。2.5 水化機理硅質(zhì)渣與礦渣都屬丁活性混合材。前者化學(xué)組成主要是SiO2、A12O3 。后者以CaO、SiO2、A12O3為主，兩者在水泥水化體系中都能與磚酸鹽水泥熟料水化出的氫氧化鈣(CH)發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠與水化硫鋁酸鈣等有效水化產(chǎn)物。但前者反應(yīng)較快5，在水化早期可促進水化體系形成膠凝結(jié)構(gòu)，縮短了凝結(jié)時間，提高了早期強度與后期強度。而礦渣中則含有-C2S等礦物其水化速度很慢，如果其細度與硅酸鹽水泥細度相當(dāng)，則其早期強度要大大低于硅

12、酸鹽水泥的強度5。本研究中礦渣很細，可以提高其水化速度。但礦渣摻量10%時，其水化不充分，二次水化產(chǎn)物在此階段還不足以達到增強的作用，故強度要低于對比水泥的強度。在136150是水化硅酸鈣及三硫型水化硫鋁酸鈣的脫水熱效應(yīng)，481是CH脫水的吸熱峰6。水泥水化28d時，復(fù)合水泥體系中CH的吸熱峰小于硅酸鹽水泥水化體系中CH的吸熱峰。說明前者水化體系中CH的含量要小于后者。主要是在前者水化體系中CH與混合材進行了反映。 水化28天時，復(fù)合水泥漿體中已見不到CH晶體，水化產(chǎn)物主要是C-S-H凝膠，而硅酸鹽水泥漿體中仍有較大的CH晶體存在，同時還有未轉(zhuǎn)化的針狀鈣礬石(三硫型水化硫鋁酸鈣)存在6。說明由

13、于沒有混合材，二水石膏的反應(yīng)也較為緩慢。復(fù)合水泥由于兩種混合材中都含有活性Al2O3，可以與二水石膏反應(yīng)生成鈣礬石。其反應(yīng)速度加快，當(dāng)二水石膏反應(yīng)完之后，針狀鈣礬石就轉(zhuǎn)化為單硫水化硫鋁酸鈣。3 結(jié)論本文通過對高強度水泥基材料的試驗研究，得出以下主要結(jié)論：1、 運用硅酸鹽水泥熟料、礦渣、硅質(zhì)渣雙摻，在普通成型工藝下制備出一種高強度復(fù)合水泥，其28天抗壓強度可超過對比水泥的強度5MPa以上。2、 建議抗壓強度最大的礦渣、硅質(zhì)渣雙摻水泥的混合材配比方案為：雙摻摻量為20%（礦渣與硅質(zhì)渣為1：1）、水泥為80%（水泥熟料與二水石膏為96：4）、水灰比為0.45。3、兩種混合材中，硅質(zhì)渣增加了水泥需水量，縮短了水泥的凝結(jié)時間。在28天內(nèi)硅質(zhì)渣對