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1、无熟料矿渣粉煤灰无熟料矿渣粉煤灰 复合胶凝材料的研究复合胶凝材料的研究学学 号：号：S20050297S20050297专专 业：环境工程业：环境工程 姓姓 名：王名：王 薇薇指导老师：倪文指导老师：倪文( (教授教授) )1 1前言前言1.11.1研究目的和意义研究目的和意义 在资源匮乏、能源短缺、环境问题在资源匮乏、能源短缺、环境问题日益严重的现代社会，人类对于可持续日益严重的现代社会，人类对于可持续发展的需求日趋迫切，也对传统工业生发展的需求日趋迫切，也对传统工业生产提出了更高的要求。产提出了更高的要求。 自从上个世纪以来，以矿渣为主要成自从上个世纪以来，以矿渣为主要成分的碱激发矿渣水泥
2、，石膏石灰激发矿分的碱激发矿渣水泥，石膏石灰激发矿渣水泥等无熟料水泥，很多研究者都对此渣水泥等无熟料水泥，很多研究者都对此进行了研究和工业化应用，但由于存在各进行了研究和工业化应用，但由于存在各种缺陷，大部分已经停止使用。由于这类种缺陷，大部分已经停止使用。由于这类胶凝材料在环保方面具有广阔的发展前景，胶凝材料在环保方面具有广阔的发展前景，因此人们一直没有停止过探索和研究。因此人们一直没有停止过探索和研究。 n 本研究课题以矿渣和粉煤灰为主要本研究课题以矿渣和粉煤灰为主要原料，添加提高物质活性的激发剂，制原料，添加提高物质活性的激发剂，制备无熟料矿渣粉煤灰复合胶凝材料。这备无熟料矿渣粉煤灰复合
3、胶凝材料。这种胶凝材料的制备可以利用更多的工业种胶凝材料的制备可以利用更多的工业固体废弃物，变废为宝；另外，本实验固体废弃物，变废为宝；另外，本实验采用凝石的生产技术，免去了传统水泥采用凝石的生产技术，免去了传统水泥生产的生产的“二磨一烧二磨一烧”的工艺，节约能耗，的工艺，节约能耗，减少有害气体排放。减少有害气体排放。1.21.2研究内容研究内容n 本课题以矿渣和粉煤灰为主要原料，本课题以矿渣和粉煤灰为主要原料，掺加石膏和自制的复合激发剂，进行标掺加石膏和自制的复合激发剂，进行标准砂浆试验，制备标号可达普通硅酸盐准砂浆试验，制备标号可达普通硅酸盐水泥水泥52.552.5强度等级的胶凝材料。具体
4、的强度等级的胶凝材料。具体的研究思路如下：研究思路如下：n（1 1）通过机械方法和化学激活方法对矿）通过机械方法和化学激活方法对矿渣进行活性激发，提高矿渣的水化反应，渣进行活性激发，提高矿渣的水化反应，从而达到提高胶凝材料强度的目的从而达到提高胶凝材料强度的目的。n（2 2）通过试验确定影响无熟料矿渣粉煤灰胶）通过试验确定影响无熟料矿渣粉煤灰胶凝材料强度的因素，并确定出最佳的试验配比。凝材料强度的因素，并确定出最佳的试验配比。n n（3 3）对胶凝材料的其它物理性能进一步研究）对胶凝材料的其它物理性能进一步研究和测定。和测定。n（4 4）通过）通过SEMSEM、XRDXRD等试验手段，分析胶凝
5、材等试验手段，分析胶凝材料的微观结构和水化硬化机理。料的微观结构和水化硬化机理。n（5 5）对无熟料矿渣粉煤灰胶凝材料进行经济）对无熟料矿渣粉煤灰胶凝材料进行经济效益分析和环境效益分析。效益分析和环境效益分析。2 2试验原料和试验方法试验原料和试验方法2.12.1试验原料试验原料2.2.12.2.1矿渣矿渣 矿渣为柳州钢铁公司提供的的水淬高矿渣为柳州钢铁公司提供的的水淬高炉渣，烘干后磨细至比表面积炉渣，烘干后磨细至比表面积520m520m2 2/kg/kg左左右，比重为右，比重为2.92g/cm2.92g/cm3 3 ，其化学成分见表，其化学成分见表2.12.1。 化学成分化学成分CaOSiO
6、2MgOAl2O3含量（）含量（）35.50 31.359.5216.69 由矿渣的由矿渣的XRDXRD分析可知，矿渣的主要矿物组分析可知，矿渣的主要矿物组成以玻璃体为主，含有黄长石物相成以玻璃体为主，含有黄长石物相, ,其特征峰为其特征峰为2.852.85，1.75 1.75 ，3.07 3.07 。2.2.22.2.2粉煤灰粉煤灰n 试验所用粉煤灰由柳州蓝资科技有试验所用粉煤灰由柳州蓝资科技有限公司提供，烘干后磨细至比表面积限公司提供，烘干后磨细至比表面积600m600m2 2/kg/kg，比重为，比重为2.24g/cm2.24g/cm3 3，其化学成，其化学成分见表分见表2.22.2。化
7、学成分化学成分CaOSiO2MgOAl2O3含量（）含量（） 5.9740.821.4135.87 由粉煤灰的由粉煤灰的XRDXRD分析可知，粉煤灰中主要矿物分析可知，粉煤灰中主要矿物组成为莫来石和石英。石英的特征峰为组成为莫来石和石英。石英的特征峰为3.393.39，4.254.25，1.591.59；莫来石的特征峰为；莫来石的特征峰为5.395.39，2.202.20，1.521.52。3.2.33.2.3石膏石膏n 实验所用石膏由柳州蓝资科技有限公司实验所用石膏由柳州蓝资科技有限公司提供，提供，SOSO3 3含量为含量为36.236.2。从石膏的。从石膏的XRDXRD图谱图谱分析可知，其
8、所含的主要结晶物质是分析可知，其所含的主要结晶物质是CaSO4CaSO40.6H2O0.6H2O。 试验设备试验设备nSM500SM500500500试验磨，上虞道墟栋林化验仪器厂，试验磨，上虞道墟栋林化验仪器厂，20032003；nQM-4HQM-4H球磨机，南京桑力电子设备厂，球磨机，南京桑力电子设备厂，19951995；nCS101CS1013E3E电热鼓风干燥箱，重庆四达试验仪器有限公司，电热鼓风干燥箱，重庆四达试验仪器有限公司，19951995；nSJ-ISOSJ-ISO水泥净浆搅拌机，沈阳市北方检测仪器厂；水泥净浆搅拌机，沈阳市北方检测仪器厂；nYDT90S-8/4YDT90S-8
9、/4砂浆搅拌器，浙江德东电机股份有限公司；砂浆搅拌器，浙江德东电机股份有限公司；nZSZS1515型水泥胶砂振实台，无锡市建筑材料仪器实验室，型水泥胶砂振实台，无锡市建筑材料仪器实验室，20022002；nYESYES300300数显压力试验机，长春市第一材料试验厂，最大负荷数显压力试验机，长春市第一材料试验厂，最大负荷300KN300KN；nYHYH40B40B型标准恒温恒湿养护箱，天津市路达建筑仪器有限公型标准恒温恒湿养护箱，天津市路达建筑仪器有限公司；司； 图图2.3 2.3 砂浆工艺流程示意图砂浆工艺流程示意图n 矿渣粉煤灰石膏粉煤灰石膏粉矿渣粉激发剂煤灰混合均匀搅拌成型标养测性能3矿
10、渣的活性激发矿渣的活性激发3.13.1复合激发剂掺量的影响复合激发剂掺量的影响 3.23.2石膏掺量的影响石膏掺量的影响编号编号矿渣矿渣石膏石膏复合激发剂复合激发剂B19145B28965B38785B485105B583125石膏掺量试验结果石膏掺量试验结果 钙矾石形成连续均匀的空间网络骨架，并通过钙矾石形成连续均匀的空间网络骨架，并通过CSHCSH凝胶的均匀填充使浆体结构不断密实，从而使强凝胶的均匀填充使浆体结构不断密实，从而使强度不断提高。度不断提高。 3.33.3矿渣比表面积的影响矿渣比表面积的影响编编号号比表比表面积面积（m m2 2/kg/kg抗压强度（抗压强度（MPaMPa）抗折
11、强度（抗折强度（MPaMPa）3d3d7d7d28d28d3d3d7d7d28d28dC1C14004006.406.407.897.898.178.1724.8424.8436.0936.0941.2541.25C2C25005006.886.8812.4512.45 12.2412.2436.3436.3447.5947.5953.5153.51C3C36006005.055.0511.1811.18 12.0212.0236.6036.6045.0645.0650.2350.233.4水化机理和形貌图水化机理和形貌图n 3d3d的主要水化产物为的主要水化产物为CHSCHS凝胶，浆体表面覆
12、盖有凝胶，浆体表面覆盖有少量水化产物，可以看到未水化的矿渣产物被少量水化产物，可以看到未水化的矿渣产物被CHS CHS 凝胶包裹，少许纤维状的凝胶包裹，少许纤维状的 CHSCHS凝胶和针状钙矾石的凝胶和针状钙矾石的混合相。混合相。n 随着龄期的增长，到了随着龄期的增长，到了28d28d，试块的空隙变少，试块的空隙变少了，主要生成了絮凝状水化产物，表面很少见到了，主要生成了絮凝状水化产物，表面很少见到未水化的矿渣颗粒。矿渣在水化过程中生成较多未水化的矿渣颗粒。矿渣在水化过程中生成较多的凝胶相，大空隙减少，微细孔增多，浆体结构的凝胶相，大空隙减少，微细孔增多，浆体结构变得更加致密，性能进一步提高。
13、变得更加致密，性能进一步提高。 3.53.5小结小结n(1)(1)通过对矿渣进行机械激发和化学激发，获通过对矿渣进行机械激发和化学激发，获得很好的激发效果。得很好的激发效果。n(2)(2)通过机械磨细的方法对矿渣进行活性激发，通过机械磨细的方法对矿渣进行活性激发，试验表明，矿渣的比表面积为试验表明，矿渣的比表面积为500 m500 m2 2/kg/kg时，时，激发效果较为理想，故后续试验采用矿渣的激发效果较为理想，故后续试验采用矿渣的比表面积为比表面积为500 m500 m2 2/kg/kg。n(2)(2)通过添加石膏、复合激发剂的方法对矿渣通过添加石膏、复合激发剂的方法对矿渣进行活性激发，石
14、膏产量为进行活性激发，石膏产量为1010，复合激发，复合激发剂中剂中NSNS的最佳掺量为的最佳掺量为4 4，NHNH为为0.50.5，NLNL为为0.50.5。4 4无熟料矿渣粉煤灰胶凝材料研究无熟料矿渣粉煤灰胶凝材料研究n4.14.1无熟料矿渣粉煤灰胶凝材料强度影响无熟料矿渣粉煤灰胶凝材料强度影响因素研究因素研究n4.1.14.1.1物质组分的影响物质组分的影响n 为了研究物质组分对胶凝材料强度的影为了研究物质组分对胶凝材料强度的影响，采用石膏激发剂掺量为响，采用石膏激发剂掺量为8 8，复合激发剂，复合激发剂掺量为掺量为5 5，调整粉煤灰的加入量。，调整粉煤灰的加入量。 物质组分的影响物质组
15、分的影响4.1.24.1.2石膏掺量的影响石膏掺量的影响4.1.34.1.3复合激发剂掺量的影响复合激发剂掺量的影响4.1.44.1.4物料细度的影响物料细度的影响4.1.54.1.5水灰比的影响水灰比的影响 图图4.94.9为试块养护为试块养护3d3d的断口的断口SEMSEM形貌，形貌，有大量未水化的粉煤灰颗粒存在。在水化有大量未水化的粉煤灰颗粒存在。在水化前期，对强度起主要贡献的是矿渣。前期，对强度起主要贡献的是矿渣。 n n 在胶凝材料浆体的空隙中发现有大量针状的钙钒石形成。在胶凝材料浆体的空隙中发现有大量针状的钙钒石形成。在局部可见到未反应的和反应不充分的矿渣和粉煤灰颗粒，在局部可见到
16、未反应的和反应不充分的矿渣和粉煤灰颗粒，这些颗粒与胶凝材料紧密结合在一起，生成的钙矾石交叉在这些颗粒与胶凝材料紧密结合在一起，生成的钙矾石交叉在CSHCSH凝胶中，剩余的空隙不断由凝胶中，剩余的空隙不断由CSHCSH凝胶填入，使材料更加密凝胶填入，使材料更加密实，提高了材料的强度实，提高了材料的强度。 从图谱特征峰可知，水化产物的主要矿物组成是：钙矾石、从图谱特征峰可知，水化产物的主要矿物组成是：钙矾石、水化硅酸钙和少量的水化铝酸钙以及石膏。图谱上有钙钒石的特水化硅酸钙和少量的水化铝酸钙以及石膏。图谱上有钙钒石的特征峰存在，钙矾石是早期强度提高的主要贡献者。图谱中，水化征峰存在，钙矾石是早期强
17、度提高的主要贡献者。图谱中，水化硅酸钙和水化铝酸钙的特征峰也较为明显。结晶度较高的针状钙硅酸钙和水化铝酸钙的特征峰也较为明显。结晶度较高的针状钙矾石晶体相互搭接、穿插在水化硅酸钙凝胶中，形成网落状的结矾石晶体相互搭接、穿插在水化硅酸钙凝胶中，形成网落状的结构，使胶凝材料结构致密，力学性能提高。构，使胶凝材料结构致密，力学性能提高。4.3小结（1 1）试验表明，矿渣和粉煤灰的比例合适时，不）试验表明，矿渣和粉煤灰的比例合适时，不加入熟料，可以制备性能较好的胶凝材料，其加入熟料，可以制备性能较好的胶凝材料，其强度可达到强度可达到52.552.5普通硅酸盐水泥的标准，测得普通硅酸盐水泥的标准，测得其
18、安定性合格。其安定性合格。 （2 2）通过试验验得出：粉煤灰的最佳加入量为）通过试验验得出：粉煤灰的最佳加入量为1515，石膏的最佳加入量为，石膏的最佳加入量为1010，复合激发剂的最，复合激发剂的最佳加入量为佳加入量为5 5，制得的胶凝材料，制得的胶凝材料28d28d强度可以达强度可以达到到58.21MPa58.21MPa。n（3 3）自制的复合外加剂促进了水化产物的形成，）自制的复合外加剂促进了水化产物的形成，改善了胶凝材料的性能。改善了胶凝材料的性能。5 5进一步工作进一步工作（1 1）对无熟料矿渣粉煤灰胶凝材料的几个重要物理指）对无熟料矿渣粉煤灰胶凝材料的几个重要物理指标进行测定，主要包括标准稠度用水量、初终凝时标进行测定，主要包括标准稠度用水量、初终凝时间、安定性。间、安定性。（2 2）利用）利用XRDXRD、SEMSEM等测试手段对不同龄期的水化产物等测试手段对不同龄期的水化产物以及进行研究，并对水化机理进行探讨。以及进行研究，并对水化机理进行探讨。（3 3）对无熟料矿渣粉煤灰胶凝材料进行经济效益分析）对无熟料矿渣粉煤灰胶凝材料进行经济效益分析和环境效益分析。和环境效益分析。 谢谢！
