無水硫鋁酸鈣-石膏-石灰石水化體系的熱力學模擬與驗證

黃維峰，廖宜順，2，左義兵

(1.武漢科技大學城市建設(shè)學院，武漢 430065；2.武漢科技大學高性能工程結(jié)構(gòu)研究院，武漢 430065； 3.華中科技大學土木與水利工程學院，武漢 430074)

0 引 言

1 熱力學模擬的應(yīng)用

1.1 熱力學模擬軟件GEMS和活度系數(shù)

GEMS[11]、PHREEQC[12]、CHESS[13]等軟件能夠進行熱力學模擬。以GEMS為例，該軟件是一個使用最小吉布斯自由能方法的應(yīng)用程序?；谒锌赡茉谙到y(tǒng)中形成的水溶液、固相和氣相的熱力學數(shù)據(jù)，從化學計量上所有可能的相組成中找到平衡狀態(tài)，即整個系統(tǒng)吉布斯自由能最小的狀態(tài)，GEMS將此時的相組成作為計算結(jié)果，繼而進一步計算得到pH值、離子濃度等水化信息。

溶液中的離子之間可能存在相互作用，使得測定的離子濃度出現(xiàn)偏差，因此需用活度系數(shù)來修正離子濃度。計算活度系數(shù)的方法有很多[14-15]，在GEMS中，采用Extended Debye-Hückel公式[16]進行計算，見式(1)。

(1)

式中：γi為離子活度系數(shù)；ai為離子尺寸；zi為離子所帶的電荷；I為離子強度；Aγ、Bγ是與溫度和壓強相關(guān)的常數(shù)；bi為半經(jīng)驗參數(shù)；xiw是水的摩爾數(shù)；Xw是水溶液相總摩爾數(shù)。

1.2 熱力學模型數(shù)據(jù)庫

1.3 熱力學模型在三元體系中的應(yīng)用

表三元體系水化產(chǎn)物熱力學數(shù)據(jù)[17]Table 1 Thermodynamic data of hydration products in ternary system[17]

表三元體系中參與化學平衡的相[17]Table 2 Phases participating in chemical equilibrium in ternary system[17]

2 模擬結(jié)果與討論

(8)

(9)

(10)

(11)

2.1 M值、N值對三元體系水化產(chǎn)物的影響

圖三元體系中各相的演變規(guī)律Fig.1 Evolution of each phase in ternary system

2.2 M值、N值對三元體系液相pH值的影響

圖三元體系中 液相pH值變化區(qū)間Fig.2 Change interval of pH value in aqueous phase of

圖3 不同石膏摻量下三元體系水化產(chǎn)物與液相pH值的關(guān)系Fig.3 Relationship between hydration products of ternary system and pH value of liquid phase under different anhydrite content

圖三元體系反應(yīng)模型 ternary system

在V區(qū)，隨著CaSO4的飽和，溶于液相的離子較少，各水化產(chǎn)物和pH值均保持穩(wěn)定不變，相組成為鈣礬石、AH3、飽和的石膏以及未反應(yīng)的石灰石[8]。

表3 不同M值、N值時三元體系水化產(chǎn)物組成Table 3 Hydration product composition of ternary system with different M and N values

3 結(jié) 論

(2)液相的pH值變化也可劃分為5個區(qū)域，且與相組成的變化區(qū)域一致。各區(qū)域pH值分布如下：Ⅰ區(qū),12.22；Ⅱ區(qū),12.00～12.11；Ⅲ區(qū),12.00；Ⅳ區(qū),11.77～12.00；Ⅴ區(qū),10.40。