超膠凝水泥制備及水化性能研究

杜巍

摘 要：研究超膠凝水泥的在不同體系的混凝土的應(yīng)用效果，建立面向混凝土應(yīng)用的系統(tǒng)體系和關(guān)鍵技術(shù)。力學(xué)性能相當(dāng)?shù)那闆r下，單位體積混凝土中，采用超膠凝水泥和礦粉取代普通水泥，超膠凝水泥摻量為8.33%，水泥用量減少30.00%；采用超膠凝水泥和粉煤灰取代普通水泥，超膠凝水泥摻量為 16.67%，水泥用量減少 25.00%；采用超膠凝水泥、粉煤灰和礦粉取代普通水泥，超膠凝水泥摻量為 8.33%，水泥用量減少 30.00%。研究并分析超膠凝水泥的工業(yè)化應(yīng)用的物料流平衡，并繪制工業(yè)化應(yīng)用流程圖，奠定超膠凝水泥應(yīng)用和推廣的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：超膠凝水泥；制備；水化性能研究

通過對(duì)不同摻量微研磨介質(zhì)對(duì)水泥顆粒的影響及能耗分析，C-0 的 D50 為15.45um，微研磨介質(zhì)處理 5min，摻量為 20%和 30%時(shí)，D50 分別為 8.10um 和7.08um，能耗分別為 31.25 千瓦·時(shí)和 3571 千瓦·時(shí)。對(duì)比微研磨介質(zhì)摻量為20%和30%時(shí)分別處理 5min時(shí)，顆粒單位粒徑減少的能耗分別為4.25千瓦·時(shí)/um和4.27千瓦·時(shí)/um，選用微研磨介質(zhì)摻量20%時(shí)，對(duì)水泥的整形效果好。基于水泥顆粒激光粒度分析的結(jié)果，研究固定粉磨時(shí)間 5min，表面改性劑Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的最佳摻量分別為0.15%、0.025%、0.10%條件下，不同摻量的微研磨介質(zhì)協(xié)同水泥處理與微研磨介質(zhì)和水泥分別粉磨后混合，兩種方式下對(duì)水泥水化程度的影響。編號(hào) CS20-1 表示摻量 20%的微研磨介質(zhì)、0.15%的表面改性劑Ⅰ和水泥混合后粉磨5min。20%S-1 表示摻量20%的微研磨介質(zhì)與摻0.15%的表面改性劑Ⅰ的水泥分別粉磨5min后混合，其中，-后面的數(shù)字分別表示固定摻量的表面改性劑的種類。固定表面改性劑摻量下，水灰比為0.35，分析微研磨介質(zhì)摻量為20%和30%時(shí)，表面改性劑種類對(duì)水泥水化 24h 水泥水化程度的影響。與微研磨介質(zhì)和水泥混合粉磨后，表面改性劑種類對(duì)水泥的水化程度影響大小排序：Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ。

而微研磨介質(zhì)和水泥分別粉磨后，水泥水化程度明顯比協(xié)同粉磨的低。相同外加劑條件下，摻30%微研磨對(duì)水泥整形的水泥水化程度比摻 20%微研磨對(duì)水泥整形的水泥水化。單獨(dú)粉磨水泥與微研磨介質(zhì)，水泥摻30%的微研磨介質(zhì)與20%的微研磨介質(zhì)的水化程度大。微研磨介質(zhì)本身吸水性差，在相同水膠比條件下研究，其中，摻微研磨介質(zhì)的量越大，用于水泥水化的水會(huì)增加，參與水泥水化反應(yīng)的實(shí)際水膠比會(huì)增加。固定微研磨介質(zhì)的摻量為20%，水灰比為0.3時(shí)，研究表面改性劑摻量對(duì)水泥水化的影響。表面改性劑Ⅰ促進(jìn)了水泥的水化，在24h之內(nèi)所有整形后的水泥的水化程度均明顯比C-0高。隨著表面改性劑Ⅰ摻量的增加，在相同水化時(shí)間內(nèi)，水泥水化的程度對(duì)應(yīng)增加。其中表面改性劑Ⅰ摻量為0.15%，水泥24h水化程度最高，接近12%。 分析表面改性劑Ⅱ摻量對(duì)超膠凝水泥24h水化程度影響。表面改性劑Ⅱ促進(jìn)了水泥的水化，在24h之內(nèi)所有整形后的水泥的水化程度均明顯比C-0高。隨著表面改性劑Ⅱ摻量的增加，在相同水化時(shí)間內(nèi)，水泥水化的程度變化規(guī)律不明顯。其中表面改性劑Ⅱ摻量為 0.025%，水泥 24h 水化程度最高，接近14%。表面改性劑Ⅲ促進(jìn)了水泥的水化，在24h之內(nèi)所有整形后的水泥的水化程度均明顯比 C-0 高。

隨著表面改性劑Ⅲ摻量<0.10%的時(shí)候，隨摻量的增加，在相同水化時(shí)間內(nèi)，水泥水化的程度增加當(dāng)摻量>0.10%時(shí)，水化水化程度趨于穩(wěn)定。其中表面改性劑摻量Ⅲ為0.10%，水泥24h水化程度最高，超過15%。以上分析結(jié)果與第四章中不同表面改性劑對(duì)分形維數(shù)、ζ 電位、剪切應(yīng)力和黏度的分析，得出以下結(jié)論相同：表面改性劑Ⅰ的最佳摻量為0.15%；表面改性劑Ⅱ的最佳摻量為0.025%；表面改性劑Ⅲ的最佳摻量為0.10%。采用兩種磨機(jī)（SM-500 水泥試驗(yàn)?zāi)ィ琒 和 ZM-2 振動(dòng)磨，Z）對(duì) C、M 和 CM三種物料（分別為普通水泥、微研磨介質(zhì)和摻微研磨介質(zhì)的水泥混合物），通過激光粒度分析、分形維數(shù)，研究不同物料顆粒變化，如表5-1所示，C-0的D50為15.45，分形維數(shù)D為2.0285。觀察球磨機(jī)處理的三種物料的激光粒度 D50 和分形維數(shù) D 均出現(xiàn)規(guī)律性變化：隨處理時(shí)間的延長(zhǎng) D50 減小，分形維數(shù) D 增大。而采用振動(dòng)磨處理的物料的激光粒度 D50 和分形維數(shù) D 變化規(guī)律不明顯。為便于后期工業(yè)化生產(chǎn)，在實(shí)驗(yàn)室前期研究基礎(chǔ)上，采用球磨機(jī)，不采用振動(dòng)磨對(duì)水泥進(jìn)行處理。根據(jù)分析微研磨介質(zhì)摻量和能耗之間的關(guān)系，SCM30%-5min、SCM20%-10min、SCM10%-15min 與 SC-20min 的 D50 接近，顆粒 D50 在 7um左右，能耗分別為 35.71 千瓦·時(shí)、62.50 千瓦·時(shí)、83.33 千瓦·時(shí)和 100 千瓦·時(shí)。SCM20%-5min、SCM5%-10min和SC-15min的 D50 接近，顆粒集中在8um，能耗分別為31.25千瓦·時(shí)、52.63千瓦·時(shí)和75.00千瓦·時(shí)。通過分析比較，采用的微研磨介質(zhì)摻量控制在SCM20%-5min和SCM30%-5min的每噸用電量分別比SC-15min和SC-20min減少43.75 千瓦·時(shí)和64.29千瓦·時(shí)。根據(jù)對(duì)水泥顆粒D50 及能耗綜合分析，整形時(shí)間控制在 5min。1、通過整形方式、整形時(shí)間、表面改性劑摻量、微研磨介質(zhì)摻量及摻入方式的優(yōu)選，優(yōu)化超膠凝水泥的制備方案：采用球磨機(jī)，整形時(shí)間控制在 5min，表面改性劑Ⅰ的最佳摻量為 0.15%；表面改性劑Ⅱ的最佳摻量為 0.025%；表面改性劑Ⅲ的最佳摻量為0.10%，微研磨介質(zhì)摻量20%，微研磨介質(zhì)與水泥混合粉磨。 2、對(duì)超膠凝水泥粒度進(jìn)行分析，SA-Ⅰ、SA-Ⅱ、SA-Ⅲ顆粒的 D50 分別為摻入表面改性劑Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ后 D50 粒徑分別為6.92um、683um、6.85um，均小于7um。觀察超膠凝水泥SEM 形貌發(fā)現(xiàn)水泥顆粒的形貌更加圓滑，并研究超膠凝水泥凝結(jié)時(shí)間與標(biāo)稠用水量，分析超膠凝水泥力學(xué)性能。 3、分析超膠凝水泥的水化過程、水化熱特點(diǎn)，研究其水化理論，建立超膠凝水泥水化模型，總結(jié)超膠凝水泥膠凝性評(píng)價(jià)方法。微研磨介質(zhì)在超膠凝水泥漿體中有稀釋效應(yīng)、顆粒級(jí)配的改善效應(yīng)、異相成核的表面效應(yīng)。表面改性劑在超膠凝水泥中會(huì)對(duì)水泥顆粒有分散作用，使水泥顆粒發(fā)生分散。 4、通過超膠凝水泥水化熱、水化產(chǎn)物熱分析、化學(xué)結(jié)合水及水化產(chǎn)物 XRD和SEM 分析水泥的水化程度。

超膠凝水泥的第二個(gè)放熱峰與普通水泥相比，水化熱第一個(gè)放熱峰峰值均提高 2mW/g，第二個(gè)放熱峰明顯增大 4mW/g 并提前 3h 左右。實(shí)驗(yàn)條件下，與普通水泥相比，超膠凝水泥水化 3d 的 Ca（OH）2含量增加 9.99%，化學(xué)結(jié)合水量增加2.43%，水化程度增加2204%。超膠凝水泥在水化1d的水化程度明顯提高19.05%，超膠凝水泥在水化 3d 的水化程度提高 22.04%，水化 180d 的水化程度提高達(dá) 21.25%。超膠凝水泥水化產(chǎn)物中 Ca（OH）2的特征衍射峰峰值強(qiáng)度增加，水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)更加致密。