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1、矿渣对阿利特-硫铝酸钙水泥水化性能的影响 邵雨月 黎学润 沈晓冬 南京工业大学材料科学与工程学院 摘 要： 对比了矿渣对阿利特-硫铝酸盐水泥 (AC$AC) 和普通硅酸盐水泥 (OPC) 强度的影响, 结合水化热、X 线衍射 (XRD) 图谱和扫描电子显微镜 (SEM) 研究不同混合水泥的水化。结果表明:文中制备的阿利特-硫铝酸钙水泥对矿渣有较好的复合性。矿渣的掺入会降低水泥的 1 和 3 d 强度, 对 28 d 强度影响不大。阿利特-硫铝酸钙水泥复合 10%的矿渣能达到最好的性能 (1、3 和 28 d 强度分别为16.94、34.47 和 51.54 MPa) 。其中 1 和 3 d 强
2、度比同矿渣掺量的空白样和普通硅酸盐水泥样品高, 甚至高于未掺矿渣的两种水泥的强度。矿渣的掺入会增加含硫铝酸盐矿物水泥样品的膨胀率。矿渣含量增加, 加快三硫型水化硫铝酸钙 (AFt) 向单硫型水化硫铝酸钙 (AFm) 的转变。关键词： 阿利特; 硫铝酸钙; 矿渣; 抗压强度; 膨胀; 作者简介：邵雨月 (1990) , 男, 江苏常熟人, 硕士, 主要研究方向为无机非金属材料;作者简介：沈晓冬 (联系人) , 教授, E-mail:.收稿日期：2016-03-17基金：“和创新团队发展计划”创新团队 (PCSIRT, IRT1146) The impact of slag on the hydr
3、ation properties of alite-calcium sulfoaluminate cementSHAO Yuyue LI Xuerun SHEN Xiaodong College of Materials Science and Engineering, Nanjing Tech University; Abstract： Cement combinations based on alite-calcium sulfoalumiante cement (AC$ AC) and ordinary portland cement (OPC) were developed and t
4、he effect of slag on the properties of the materials were studied.Isothermal calorimetry, X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM) were used to investigate the hydration of the blended cement pastes.Results showed that the alite-ye elimite cement had excellent properties with b
5、lended slag.The addition of slag reduced the early (1 and 3 d) compressive strength of the blended cements, but it had little influence on the compressive strength at 28 d.The best compressive strength of AC$ AC was achieved at 10% slag dosage (16.94, 34.47 and 51.54 MPa for 1, 3 and 28 d respective
6、ly) , for which the compressive strength at 1 and 3 d was higher than the reference sample with same slag dosages, even more higher than two kind of cement without slag.The addition of slag could greatly increase the expansion of alite-yeelimite cement.Transformation of ettrivgite (AFt) to monosulfa
7、te (AFm) was also observed with the increased slag dosages.Keyword： alite; yeelimite; slag; compressive strength; expansion; Received： 2016-03-17引用本文:邵雨月, 黎学润, 沈晓冬.矿渣对阿利特-硫铝酸钙水泥水化性能的影响J.南京工业大学学报 (自然科学版) , 2017, 39 (6) :39-45.阿利特-硫铝酸盐水泥熟料 (AC$AC) 的主要矿物是无水硫铝酸钙 (C 4A3$) 、硅酸三钙 (C 3S) 和硅酸二钙 (C 2S) 等1, 通过
8、外掺 Ca SO42H2O 在低温下烧成或者通过二次热处理制得2-4。该水泥除了具有传统硅酸盐水泥的性能, 还具有水化凝结速度快、较高的早期强度、微膨胀、抗裂抗渗等性能5-6。矿渣微粉是冶炼生铁在骤冷时来不及结晶而形成的玻璃态物质, 且经淬水处理后形成的粒状活性材料, 经磨细之后可以作为水泥的活性混合材料和高性能混凝土的掺合料7。其化学组分主要为 Ca O、Si O 2、Al 2O3、Fe 2O3等, 与粉煤灰中成分相似, 均能够与水泥发生火山灰反应。本文中 Ca O、Si O2、Al 2O3、Fe 2O3、Mg O、SO 3分别用 C、S、A、F、M 和$来表示。通过向阿利特-硫铝酸盐水泥熟
9、料中加入适量矿渣, 对阿利特-硫铝酸盐水泥的强度进行测试, 利用 X 线衍射仪 (XRD) 、水化热和扫描电子显微镜 (SEM) 分析其水化产物和水化过程, 并且与掺加适量矿渣的普通硅酸盐水泥进行比较。1 实验1.1 原材料实验室采用工业原料石灰石、粉煤灰、黏土、硅粉进行配料。通过向生料中加入化学纯的 Ca SO42H2O, 从而在熟料中得到含有 C4A3$矿物的水泥熟料。使用的粉煤灰为一级粉煤灰, 矿渣为细矿渣粉 (比表面积 450550 m/kg) 8。原料的化学成分见表 1。表 1 原料的化学成分 Table 1 Chemical composition of raw materials
10、 下载原表 1.2 配料及制备方法用石灰石、粉煤灰、黏土和硅粉原料配制成生料, 并烧成得到一组石灰饱和系数为 0.93, 硅率为 2.50, 铝率为 3.10 的水泥熟料。原料组成如表 2 所示。表 2 生料的配料 Table 2 Raw meal ingredients 下载原表 除矿渣和粉煤灰外, 原料都预先粉磨, 粉磨后所有原料粉体经过 80m 筛, 且保证筛余小于 10%。生料混合使用伏虎式混料机 (型号 HLJ-K, 无锡建仪仪器机械有限公司) , 在混料筒中加入木球, 其质量为生料的 1/2, 混料 12 h。混料结束后压成 60 mm60 mm10 mm 的生料片, 每块约 70
11、 g, 置于 40的烘箱内24 h。煅烧熟料时, 将生料片放置于铂金片上, 再一起放入匣钵中。将匣钵放入实验室高温电炉内, 以 10/min 的速率升温 90 min 到 900, 在此温度下保温 30 min, 之后继续以 10/min 的速率升温到 1 450, 保温 1 h。煅烧结束后取出熟料采用风扇急冷至常温。将一次烧好的熟料放入到 1 270的高温炉内进行二次热处理, 并在炉中保温 30 min 后取出, 取出的熟料用风扇急冷至室温, 所得熟料即为阿利特-硫铝酸盐水泥熟料。未经热处理的熟料和热处理之后的阿利特-硫铝酸盐水泥熟料分别以空白样和热处理样表示。1.3 试验方法熟料首先用颚式
12、破碎机进行破碎, 破碎后的熟料再用球磨机进行粉磨成粉末。实验采用 SM-500 型球磨机, 单次粉磨 4 kg 熟料且球磨时间为 22min, 熟料粉末比表面积控制在 (35010) m/kg (比表面积测定方法按照 GB 80741987水泥比表面积测定方法 (勃氏法) 进行) 。矿渣、空白样和热处理样均用美国麦奇克公司 (Microtrac) 生产的激光粒度仪 (型号为 S3500) 进行粒度分析。得到熟料粉末后, 加入质量分数为 4%的 Ca SO42H2O 与熟料混合制得实验水泥, 实验所用水灰比 w/c=0.5。在阿利特-硫铝酸盐水泥、水泥空白样以及 P.II52.5 (江南小野田水
13、泥有限公司) 水泥中分别添加不同含量的矿渣, 所掺质量分数分别为 0、10%、30%和50%。国家标准 GB/T 176711999, 用于测定水泥砂浆强度的试模规格大小为40 mm40 mm160mm, 用于成型试块的养护箱温度设定为 (203) , 养护箱中养护 24 h 后脱模, 脱模后的试块放入 (203) 水养护箱中养护, 分别测定 1、3 和 28 d 水泥砂浆试块的抗压强度。采用水泥净浆试块进行膨胀率测定, 试块规格为 20 mm20 mm80 mm, 每组6 个样品, 养护条件和砂浆试块的养护相同, 测定不同龄期样品的长度, 且计算出与 1 d 长度的变化率, 该变化率即为样品
14、的膨胀率, 记为 x。水化热数据收集采用 8 通道微量量热仪 (TAM Air) 进行测定, 称取 4 g 水泥样品, 水灰比 w/c=0.5, 在 20测试环境下探测 3 d 内水泥样品的放热行为;采用日本 Rigaku 公司的 Miniflex-600X 型 X 线衍射仪 (XRD) 对水泥水化产物进行分析, 工作电压和电流分别为 40 k V 和 15 m A, Cu 靶 K 线, 扫描制度:565、5 () /min。熟料定量计算用 GSAS9和 EXHUI10软件包实现;用日本电子公司 JSM-6510 型扫描电子显微镜 (SEM) 对 12 h 和 1、3、28 d 的水化产物进行
15、形貌的观测, 相应龄期的水化样品用无水乙醇终止水化, 将样品浸泡其中 48 h 后烘干, 烘干后的样品放入真空干燥箱中保存。2 结果与分析2.1 熟料矿物组成分析对矿渣、空白样以及热处理样进行粒度分布测试, 测试结果如图 1 所示。图 1 矿渣和熟料的粒度分布 Fig.1Cumulative and frequency particle size distribution curves of slag and clinker 下载原图对小野田水泥、空白样和热处理的熟料进行了 XRD 定量分析, 分析结果如表 3所示。由表 3 可知:热处理之后的熟料中 C3A 和 Ca SO4含量减少, C 4
16、A3$明显增加, 说明热处理过程中, C 3A 和 Ca SO4反应生成了 C4A3$。表 3 P.II 52.5 水泥和两组熟料矿物组成 Table 3 Phase content of the clinker and P.II 52.5 cement 下载原表 2.2 矿渣对水泥抗压强度的影响在 P.II 52.5 水泥样品和 AC$AC 水泥的空白样和热处理样中分别掺入不同含量的矿渣, 根据质量分数 0、10%、30%和 50%, 将各组样品命名为P0K、P10K、P30K、P50K;B0K、B10K、B30K、B50K;T0K、T10K、T30K、T50K。对样品的 1、3 和 28 d 的砂浆抗压强度进行分析, 分析结果如图 2 和表 4 所示。由图 2 (a) 可知:当矿渣掺量在 0 和 10%时, T0K、T10K 样品的 1 和 3d 的砂浆强度分别高于
