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碱矿渣水泥的研究与发展

2020-06-18 02:30 作者:唯彩会官网 点击:

  碱矿渣水泥的研究与发展_能源/化工_工程科技_专业资料。硅酸盐通报1997年增刊 碱矿渣水泥的研究与发展 吴其胜 (盐城工学院江苏盐城224002) 摘耍:本文综述了近年来关于矿渣结构的新观点,碱激发矿渣的机理、碱矿渣水泥的水化、制备高强碱矿渣水泥 及混

  硅酸盐通报1997年增刊 碱矿渣水泥的研究与发展 吴其胜 (盐城工学院江苏盐城224002) 摘耍:本文综述了近年来关于矿渣结构的新观点,碱激发矿渣的机理、碱矿渣水泥的水化、制备高强碱矿渣水泥 及混凝土的方法与途径等方面的研究成果,指出了碱矿渣水泥的研究与应用的热点问题。 关键词:碱矿渣水泥,矿渣结构,水化,混凝土 1957年乌克兰基辅建工学院维.德.格卢 霍夫斯基教授等人使用碎石、锅炉渣或高炉矿 渣磨细,或生石灰加高炉矿渣和硅酸盐水泥(或 不加)混合后,再用NaoH溶液或水玻璃溶液 调制净浆,得到强度高达120MPa、稳定性好的 胶凝材料。到1959年,他们通过进一步研究证 明这种水泥与硅酸盐水泥一样,既能在水中于 标准和自然条件下硬化,也能在蒸气养护处理 条件下硬化。这说明,不仅门捷涅耶夫元素周 期表中的第二族碱土金属(Mg,Ca,Sr,Ba)与第 三族(铝酸盐)、第四族(磷酸盐)、第六族(硫酸 盐)元素的化台物具有水硬能力,而且碱金属第 一族元素(Li,Na,K,Cs,Rb)与第三和第四族 (铝硅酸盐)、与第二和第四族(碱土硅酸盐),第 二和第三族(碱土铝酸盐)所形成的化台物亦具 有水硬能力。它扩展了水硬性矿物胶凝结料的 范围,发现了性能更加优越的矿物胶结 料¨,2.3 J。70年代,可能是担心这种水泥的耐 久性及易引起碱一集料反应.人们对这种水泥 逐渐失去了兴趣。但是,80年代中期以来,这 种碱激发方法制备水泥又恢复了生命力。认为 它具有强度高、抗渗性、抗蚀性均特别优良,并 具有成本低和节能等特点H J。本文综述了近 年来关于矿渣的结构新观点、碱激发矿渣的机 理、碱矿渣水泥的水化、制备高强碱矿渣水泥及 混凝土的方法与途径等方面的研究成果,指出 了碱矿渣水泥的研究与应用的热点问题。 1.碱激活矿渣的机理 1.1矿渣的结构 矿渣的主要化学成分为CaO、Sio,和 A1203,在CaO—Si()2一A1203三元相图上处于 QAS、CAS2、Cs、C2S的结晶相区内。经过水淬 急冷处理的粒化高炉矿渣,一般含有80~90% 或更多的玻璃相”J。近年来,关于矿渣的微观 结构方面取得了新的认识。陈筱岚和杨南如用 三甲基烷化气相色谱技术测定8种矿渣中 【Si04 J4一四面体聚合态的分布,从而定量地描 述了矿渣硅氧四面体[SiOap-聚合度及状态, 发现有11种低聚硅酸盐阴离子存在…6,表l为 矿渣中不同聚合度[Si04]4一阴离了的分布。孙 家瑛提出水淬矿渣玻璃体是分相结构,用电探 针作矿渣成份分析的结果表明,玻璃由微多相 区所组成,因此在各组成的多相区之问存在一 定的相界面【7J。 表1为矿渣中不同聚台l童[SiOA4一阴离子的分布 [Si04j4一 35~50 [&07J6一 U~15 [sbolor一 2~5 [Sil012]8一 1~5 ∑Sif一4 50-73 ∑Sil—4 50~27 j{ 硅酸盐通报1997年增刊 x弘 金 曲 ≥ 兽 商如嚣姐赚 .船孔弛加培—…一 水化时问g(t/d) 凰J 各种聚台物量随水化时问的变化 弛∞勰雏孔毖 魁 嘲 瘊 箍 图2碱矿渣水泥水化放热曲线碱激活矿渣的机理 禹尚仁和王悟敏【8 J对无熟料硅酸钠矿渣 水泥的水化机理研究指出:硅酸钠矿渣水泥和 氢氧化钠矿渣水泥的水化,既有硅酸根离子的 缩聚作用,又有在碱性激发下多硅酸根阴离子 的解聚作用。但整个水化过程以缩聚反应为 主,由于硅酸钠水溶液中有大量[si03 (OH),]2一离子存在,大大地加快了硅酸根阴离 子缩聚的反应速度,使高炉矿渣潜在的胶凝性 能得到充分发挥。硅酸钠水化生成的硅胶,一 方面可加强颗粒间的粘接,另一方面硅胶能填 充水泥石的孔隙,使其密实坚固,也提高了硅酸 钠矿渣水泥的强度。钟自茜和杨南如”J指出 矿渣在水玻璃的作用下,其结构中[Si04]4一聚 合态的变化,其结果如图1所示,矿渣经OH一 作用时,是[Si04]4-阴离子解聚一聚合的过程, 总的是[si04]”单体减少,高聚物增多,双聚体 及其他低聚物则有从单体聚合、多聚体解聚生 成以及又解聚的两重反应。 1.3碱矿渣水泥的水化机理 Zhou 次c—s—H和其它水化产物。同时,认为与硅 酸盐水泥~样水化可分为:初始水化(initial)、 诱导期(induction)、加速期(acceleration)、褒减 期(deceleration);N缓慢期(decay)。 2.碱矿渣水泥的研究与应用 关于碱矿渣水泥的研究与应用方面,前苏 联开展得较早,取得的成果主要包括①开发j’ 不同组分的碱矿渣水泥;②碱矿渣水泥的水化 机理及水泥石的结构研究;③各种预制建筑构 件和现浇构筑物的物理力学性能;④喊矿渣爪 泥及其混凝土耐久性研究;⑤用工业废渣代含 碱化学试剂。其中在碱矿渣水泥ft',J!t1分研究方 面,主要包括碱一硅酸盐水泥类和碱一无硅酸 盐水泥类,后一类可扩展至各种铝硅酸盐天然 矿物、岩石和工业废渣,如高炉矿渣(酸性矿 渣)、煤渣、钢渣、粉煤灰、霞石浆、铜渣、火山灰 和烧粘土等,大大地扩大j-制造水泥的资源。 表2为前苏联常用的碱矿渣水泥品种及其H=j不 同的碱组分激发的标号。同时,还利用4:同组 分研制了特殊用途的碱矿渣水泥.如:快艘碱矿 渣水泥、耐热碱矿渣水泥、无收缩碱矿渣水泥、 堵塞用碱矿渣水泥…。 表2为前苏联常用的碱矿渣水泥品种及其 用不同的碱组分激发的标号。 随着碱矿渣水泥及其混凝土的不断发展, 相继制定了碱矿渣水泥及其混凝士的标准规 范。在应用方面,从1962年开始在工程中批量 Huanhai等1叫对碱矿渣水泥水化动 力学进行厂研究,图2为不周水玻璃模数下碱 矿渣水泥水化放热曲线,可以看出水化出现两 个放热峰:第一个放热峰是水玻璃中的硅酸根 与矿渣中的Ca2+反应生成硅酸钙c—S—H形 成的;第二个放热峰是从矿渣解出的硅酸和铝 酸盐离子与ca2+、Na+和M92+等反应生成二 一218一 硅酸盐通报 试用碱矿渣混凝土,到1990年,前苏联已在各 种建筑工程中累计使用了300多万立方米碱矿 渣混凝土。从1985年以来,碱矿渣混凝土的年 产量达30多万立方米。这些已成功地用于预 制构件、砌块以及现场浇筑的民用和工业建筑、 海港工程、道路工程等,这些工程已有20年以 上的实际考验,均效果良好。 我国自60—70年代开始碱矿渣水泥的技术 水泥熟 料掺加 比例 (%) J997‘J二增1{J 研究,并在北京市生产加气混凝土制品和建筑中 应用r这种材料的砂浆,使用效果良好,80年 代后,我国不少科研单位和大专院控,例如,『柯ji 化工大学对矿渣的结构、碱矿渣水泥的水化机四! 进行r研究,重庆建工学院对高强碱矿渣水池搜 混凝土的制备、耐久性、缓凝技术及十H哭问题进 行r系统研究【‘i,12,”J。但目前,我国仍处十试 验研究阶段,尚未能广泛推广生产和应,H。 咎 表2前苏联常用的碱矿渣水泥品种及其用不同的碱组分激发的标号 标号与碱组分品种的关系 矿渣名称 纯碱 高炉渣,Mo≥ 0 6 纯碱浮渣 偏硅酸钠 Mc=1 300,400,500 二硅酸钠 Mc:2 可湛性硅酸钠 2<Mc≤3 30()一9()() 不掺 300,400 300,400,500 600,900,1200 400,500,700. 1000 311().5(10.7(11) 900,1001} 4()I).50(J.70() 80(1,90() 300,40(I,500, 7011.800 4(11).6111/.700 9n(j 3(11).5110.7110 80() 30().4(11).6IJ() 7(1f) 3(10~90() l一3 高炉渣,Mo> J 05 300,400,500 300,400,500 3—5 高炉渣.Mo≤ 0 95 300,400,500 300,400,500 300,500,800, 1200 5—8 高炉渣 0 95≤Mo,<l 电热磷矿渣 铅矿渣 镍矿渣 镍矿渣 铜矿渣 铜矿渣 0 —300,500 300,500,600 300,500,700, 1000.ItOO 4—1 30(),400 300,40(),500 300,500,700, 1000 300,50().7110, 900.1001) 300~8110 300~81)11 3(10~1000 30().4110.5(11) 30()~600 300.4011 31111.41111 3111/.400.5111) 30(1 301).4111) 不掺 不掺 6—8 300 300 300,400 300.400 300 300 300,400,500 300,400,600 300,400,600 300,400 不掺 4—7 300 300,400 3(10t400 注:Mo一矿渣碱虞系数;Me:硅醯盐模数 稀酸溶液中,其具有良好稳定性,强度不但没柏 3.碱矿渣水泥混凝土耐久性研究 蒲心诚等…,”J研究了碱矿渣水泥及其混 凝土的耐久性。研究表明碱矿渣混凝土的抗渗 性标号在B35—1340以上,大大超过r普通硅 酸盐水泥的抗渗标号B2一B12;碱矿渣混凝土 的抗冻指标可达300一LOoo次冻融循环,而普 通水泥混凝土一般在300次以内;碱矿渣混凝 土具有优良的抗硫酸盐及抗海水侵蚀能力,在 降低,反而有所提高;碱矿渣混凝土护筋性应是 良好的。浸烘循环试验经48—75循环后.试地 破型,试件中的钢筋光亮如初,基本上未受到锈 蚀,失重率极低;碱矿渣混凝土的后期强度发展 良好,特别是低强碱矿渣混凝土的后期强度发 展更快。表3为碱矿渣混凝土后期强度系 数。 厂——~ 硅酸盐通报1997年增刊 表3碱矿渣混凝土后期强度系数(R后期/R28) 龄 期 20—30 2.13 1 24 40—50 l 42 1 60 1.67 l 17 l 年 80 15 —— j 117 I.【3 —— 5年 77 I 7 23 —— 原始强度或等级 强度 系数 JK棍凝土 普通混凝土 1.23 众多的工业废渣.而且节约能源,减少环境污 4.存在问题与展望 (1)现多研究采用粒化高炉矿渣和碱金属 氢氧化物、硅酸盐来制备碱矿渣水泥。一方面, 我国粒化高炉矿渣已多作水泥混合材,应注重 其它具有潜在活性的混合材如粉煤灰、火山灰、 煤渣、钢渣、铜渣等制备碱矿渣水泥的研究;另 一方面,碱金属氢氧化物、硅酸盐价格相对较 贵,应进一步研究利用具有碱组分的工业废料、 天然矿物作碱性激性剂,进一步研究用无机、有 机复合激发剂制备新型的、成本低的碱矿渣水 泥。(2)当用碱性矿渣和碱金属氢氧化物、特别 是和碱金属硅酸盐制作高标号水泥时,凝结时 间很短,碱组分用量越多超短,初凝时间一般只 有5—15分钟,而且初凝与终凝的间隔也很短, 一般只有2—7分钟,极难控制与调整。所以高 强碱矿渣水泥及混凝土缓凝问题是一个重要的 研究课题Ll“。(3)低强度的碱矿渣混凝土碳化 速度快,深度大,随着混凝土强度的提高,碳化 速度变小。人工碳化试验表明,高强碱矿渣混 凝土表面无粉化现象,但自然碳化问题还有待 进一步研究。(4)碱矿渣水泥的碱含量高,大大 超过了普通硅酸盐水泥中碱含量(以NaO计) 不大于0 染;且有许多优于硅酸盐水泥的性能。因此是 值得研究和开发的一大水泥品种。 参考文献 [i]杨立信.前苏联碱矿渣水泥的发展概况水泥, 1992,8 [2]杨南如.碱胶凝材料形成的物理化学基础(I)硅 酸盐学报,1996,24(3) [3]杨南如碱胶凝材料形成的物理化学基础(11)硅 酸盐学报.1996,24(4) [4]南京化工大学编译第九届国际水泥化学会议综合 报告译文集.1994.123~129 [5]胡宏泰,朱祖培,陆纯煊水泥的制造和应用tll东 科学技术出版社,1994.3:552~554 [6]Chen Xiaolan,Yang Nangru of(;Bs Oil Infurence of p¨lymeric structure their hyaraulic activities 2nd Inr.Sypm.on Cem.and Concr.VoIl,Beijing.1989 [7]孙家瑛,诸培南矿渣在碱溶液激发下的机理硅酸 盐学报,1988.17(6) [8]禹尚仁,王悟敏无熟料硅酸钠矿渣水泥的水化机 理硅酸盐学报.1990,18(2) (9]钟自茜,杨南如.水玻璃一矿渣水泥的水化性能研 究硅酸盐通报,1994,1 [10]Zhou Huanhai,wu Kinetic study Cem on Xuequan,Xu ZhonlEzi,el aI 6%的规定,当混凝土中存在活性骨 hydration of alkali—activated dag 料时,它是否会引起碱骨料反应,要看碱矿渣水 泥水化后,Na+的存在形式,如果Na+进入难溶 的沸石类矿物,则碱骨料反应将不会发生;反 之,如Na+不参与反应.遗留于液相中或以 NaOH存在时,有可能发生碱骨料反应。所以, 碱矿渣水泥及其混凝土的碱骨料问题尚需进一 步深入研究““。 从对碱矿渣水泥的研究与应用的现状分析 可见,它将是继硅酸盐水泥和铝酸盐水泥的又 一新体系水泥。它不仅原料丰富,更可以利用 Coner.R∞。1993,23(6) [11]蒲心诚碱矿渣混凝土耐久性研究混凝土,1991. 5:13 [12]蒲心诚,甘昌成,吴礼贤碱矿渣混凝土的性能硅 酸盐通报,1989,5 【13]蒲心诚等.高强碱矿渣水泥与混凝土缓凝问题研 究.水泥,1992,10 [14]成希蠕,吴兆奇.特种水泥的生产及应用中国建 筑工业出版社,1994.10:423 429 囊 彰 (下转第225页) ~220~ l 碱矿渣水泥的研究与发展 作者: 作者单位: 吴其胜 工学院 本文读者也读过(10条) 1. 刘贤萍.王培铭 羧基丁苯乳液对建筑石膏的改性[期刊论文]-建筑材料学报 2004,7(4) 2. 吕晓姝.贺凤伟 碱矿渣水泥的理论基础[期刊论文]-本溪冶金高等专科学校学报 2001,3(4) 3. 蔡跃波.丁建彤.白银.CAI Yue-bo.DING Jian-tong.BAI Yin 水工混凝土的碱硅反应抑制[期刊论文]-水利水运工程学报2009(4) 4. 杨立永.DENG Min.胡勇.YANG Li-yong.DENG Min.HU Yong 粉煤灰抑制砂岩碱硅 酸反应[期刊论文]-南京工业大学学报(自然科学版)2008,30(4) 5. 郑敏升.ZHENG Min-sheng 化学激发胶凝材料的性能研究[期刊论文]-混凝土与 水泥制品2008(2) 6. 侯云芬.Hou Yunfen 水热合成C-S-H凝胶所用硅质原料的特性研究[期刊论文]硅酸盐学报2000,28(2) 7. 胡恒.刘红飞.Hu Heng.Liu Hongfei FAA复合外加剂对高掺量粉煤灰水泥混凝土 性能的影响[期刊论文]-混凝土与水泥制品2000(5) 8. 李玉寿.吴其胜.Li Yushou.Wu Qisheng 碱激发矿渣粉煤灰水泥及混凝土研究 [期刊论文]-混凝土与水泥制品2000(5) 9. 何娟.杨长辉.康苏芳.HE Juan.YANG Chang-hui.KANG Su-fang 碱-矿渣水泥缓 凝问题的研究进展[期刊论文]-硅酸盐通报2010,29(5) 10. 陈友治.Cheng Youzhi 碱矿渣水泥的理论基础[期刊论文]-新世纪水泥导报 2000(5) 本文链接:

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