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《大连理工大学》 2012年
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水泥石高温热特性及对再生水泥烧成的影响

白军营  
【摘要】:全组分废弃混凝土再生水泥技术既可以实现废弃混凝土的高效再生利用、减少环境污染,又可以有效缓解水泥工业天然原料日益匮乏的局面。目前,相关研究尚处于起步阶段,从混凝土和水泥行业可持续发展的角度来看,其必将成为今后研究的热点和趋势。硬化水泥石是再生水泥生料的特有组分,对再生水泥的烧成工艺、熟料性能等都有重要影响。但是,目前关于水泥石对熟料烧成过程的作用机理尚缺乏系统研究和明确的结论。这其中,水泥石的高温热特性是解释其作用机理的关键所在,而相关研究非常有限。因此,明确水泥石在熟料煅烧过程中的物相变化,据此探讨再生水泥熟料的烧成机理、并进一步改善再生水泥的烧成工艺,是目前全组分废弃混凝土再生水泥研究中迫切需要解决的问题。 基于前期工作,本论文首先对水泥石的高温热特性进行了研究,分析了预烧对再生水泥熟料烧成的影响以及水泥石对预烧制度的影响,探讨了水泥石对熟料烧成的作用机理,实际考察了水泥石对全组分废弃混凝土再生水泥熟料烧成的影响;进一步,从废弃混凝土区别于普通水泥生料的特点出发,研究了硅质原料中SiO2形态以及微量元素对再生水泥烧成工艺的影响;鉴于硬化水泥石中存在部分未水化水泥颗粒,论文还研究了未水化水泥颗粒对再生水泥熟料烧成的影响。 对水泥石热特性的研究包括低温(T1000℃)和高温(T1000℃)两部分。其中,关于水泥石低温热处理条件下水化产物的脱水与分解过程,相关研究较多,结论也比较明确。为保证试验的完整性,本论文借助DTA和XRD分析方法对对其进行验证性研究,结果显示,水泥石矿物分解温度上限为950℃左右,较低温度下已有新物相(如C2S, C12A7)在生成,其与前人研究结论一致。由于再生水泥煅烧温度远高于1000℃,因此,对水泥石经1000℃以上高温煅烧条件下的热特性的研究显得尤为重要。本论文通过测定水泥石烧结产物中fCaO含量以及DSC、TG、XRD和岩相分析等手段对水泥石高温热特性进行研究,结果表明,水泥石在高温(T1000℃)状态下,其内部主要发生固相反应,水泥主要矿物(C3S、C2S、C4AF和C3A)再次生成,且在1350℃下各矿物结晶度最佳,未发现除水泥矿物之外的物相生成。 设计不同预烧制度,测定水泥石烧结产物中f-CaO的含量,其直接反应了水泥石矿物在煅烧过程中的分解程度(即预烧效果),以此作为确定再生水泥生料最佳预烧制度的依据;结合再生水泥生料和水泥石热重分析结果,确定再生水泥的预烧制度为900~950℃下急速预烧,保温20~30min。再生水泥熟料煅烧采用预烧—煅烧工艺,本论文通过测定熟料中f-CaO含量、XRD和岩相分析以及力学性能测试,研究了预烧对对再生水泥熟料烧成的影响,结果表明,预烧可提高再生水泥生料易烧性、熟料矿物结晶度;受颗粒细度的影响,强度相对未预烧再生水泥有所降低。 以水泥石为主要原料、配制水泥生料,通过易烧性试验以及XRD和岩相分析,研究这种特殊生料水泥的性能。分析表明,水泥石对水泥烧成的优势作用可归结为水泥水化产物脱水相的促进作用、水泥石独特的高温热特性以及水泥石中未水化颗粒的晶种作用。通过易烧性试验以及XRD和岩相分析,研究了水泥石对再生水泥熟料烧成的影响。结果表明,在无结晶态Si02影响的条件下,再生水泥生料易烧性良好;最佳煅烧温度为1400℃时,比普通硅酸盐水泥工业烧成温度温度低50℃。 由于废弃混凝土中大量结晶态Si02以及各种微量元素的存在,再生水泥的烧成温度将受到很大影响。本论文通过易烧性试验、矿物形成动力学计算以及岩相分析,研究了这两个因素对再生水泥烧成工艺的影响。结果表明,硅质原料中Si02形态对再生水泥熟料烧成有较大影响,是决定熟料烧成温度的重要因素;外掺阴离子可有效降低再生水泥液相出现温度及A矿形成温度。 以P·Ⅱ52.5水泥作为未水化颗粒,取代0-30%的水泥石,配制模拟混凝土,以此为原料煅烧再生水泥熟料。易烧性试验和岩相分析表明,未水化颗粒含量5%时,再生水泥生料易烧性较差。研究了掺加CaF2和延长煅烧时间对高含量未水化颗粒再生水泥生料易烧性和熟料微观结构的影响。结果表明,CaF2对高含量未水化颗粒再生水泥的生料易烧性改善效果较好,其适宜掺量为0.5%;延长保温时间也可以改善生料易烧性,但同时会极大的增加能耗,降低产量。
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