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《沈阳建筑大学》 2011年
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无机矿物聚合材料的制备及其水化产物的研究

丁兆洋  
【摘要】:无机矿物聚合物,是一种以天然铝硅酸盐矿物或工业固体废弃物为主要原料,与高岭土和适量碱硅酸盐溶液充分混合后成型硬化形成的新型生态节能材料。其性能与陶瓷相似,以无机[SiO_4]四面体和[A1O_4]四面体为主要组成,结构上具有空间三维网状结构的新型胶凝材料。 本课题以矿渣和偏高岭土作为主要原材料,制备无机矿物聚合物净浆及其混凝土,研究矿渣的活性、原材料中n(SiO_2)/n(Al_2O_3)摩尔比、n(Na_2O)/n(Al_2O_3)摩尔比及n(H_2O)/n(SiO_2)摩尔比或水胶比对无机矿物聚合物净浆或混凝土抗压强度的影响。在此基础上,建立原材料中氧化物组成和无机矿物聚合物净浆抗压强度之间的数学模型以及无机矿物聚合物净浆和混凝土抗压强度之间的数学模型。同时,对无机矿物聚合物水化产物进行研究,并使用XRD、SEM等现代分析方法对样品的结构进行了表征。 研究结果表明,随着氧化物活性的增加,无机矿物聚合物净浆和混凝土抗压强度均增大,且在一定范围内,无机矿物聚合物净浆抗压强度和混凝土抗压强度均随着n(SiO_2)/n(Al_2O_3)摩尔比、n(Na_2O)/n(Al_2O_3)摩尔比及n(H_2O)/n(SiO_2)摩尔比或水胶比的增加而呈现先增加后减小的趋势。在n(SiO_2)/n(Al_2O_3)=3.9 , n(Na_2O)/n(Al_2O_3)=0.4 ,n(H_2O)/n(SiO_2)=2.0时,净浆抗压强度最大,达79.94MPa;在n(SiO_2)/n(Al_2O_3)的摩尔比=3.9,n(Na_2O)/ n(Al_2O_3)摩尔比=0.3,水胶比=0.35时,混凝土抗压强度最大,达65.88MPa。 通过多元线性回归分析,建立无机矿物聚合物净浆28d强度(y)与n(SiO_2)/n(Al_2O_3)摩尔比(x_1),n(Na_2O)/n(Al_2O_3)摩尔比(x_2)和n(H_2O)/n(SiO_2)摩尔比(x_3)四者之间的数学模型: y = 85.9+2.94x_1+3.41x_2-22.28x_3;无机矿物聚合物净浆28d抗压强度(x_1)、水胶比(x_2)和混凝土28d抗压强度(y)之间的数学模型:y = 22.99+0.62x_1-22.88x_2。 无机矿物聚合物水化产物研究表明:随着n(SiO_2)/n(Al_2O_3)摩尔比的增加,其化学结合水含量先增加后降低,当(SiO_2)/n(Al_2O_3)=3.9时,化学结合水达到最大值;随着矿渣活性的增加,n(Na_2O)/n(Al_2O_3)摩尔比的增加以及水化龄期的增加,化学结合水含量不断增加,水化越完全。研究表明,在不同的条件下,无机矿物聚合物28d抗压强度在化学结合水含量接近0.1g时均达到最大值。随着水化龄期的延长,pH值出现不同的变化规律,1d~3d的pH值逐渐升高,说明其内部的聚合反应强于解聚反应,3d~7d的pH值逐渐降低,说明其内部的聚合反应弱于解聚反应;7d~14d的pH值又开始逐渐升高;14d~28d的pH值基本不变化,说明内部反应基本趋于稳定。研究表明,在不同的条件下,无机矿物聚合物28d抗压强度在pH值=10~11时,达到最大值。 随着水化龄期的增加,无机矿物聚合物中SiO_2和Ca~(2+)含量逐渐降低,Na~+含量逐渐增加,说明随着龄期的增加,内部逐渐成链,释放出Na~+,SiO_2逐渐形成了网络结构,Ca~(2+)也参加了反应而逐渐消耗。1d~14d龄期的SiO_2减少的速率高于其14d~28d的速率,说明网络形成在水化早期就已经基本形成。 通过IR分析可以看出无机矿物聚合物中存在大量的Si-O键、Al-O键、Si-O-Si键和Al-O-Si键,说明无机矿物聚合物是由Si、Ai和O共同构成三维网络结构,而且由于有SiO_4~(-4)键和AiO_4~(-4)键震动所带来的强吸收带,说明无机矿物聚合物是由[SiO_4]四面体和[AlO_4]四面体为基本单元构成的。从XRD分析可以看出原料中的晶体消失,生成了非晶态材料;随着矿渣活性的升高,其特征峰位置不变,但是其峰值逐渐减弱,说明活性高的样品内部水化越完全。通过SEM分析表明活性高的无机矿物聚合物的结构致密;随着龄期的增长,无矿物聚合材料的表面结构逐渐完整,龄期为3d至7d时,出现了类似于晶体的结构,龄期为7d至14d时,此结构又消失,龄期为14d至28d时,表面逐渐密实。
【学位授予单位】:沈阳建筑大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TQ31

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