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偏高岭土提高水泥性能及水化机理研究

李阳  
【摘要】:我国煤系高岭土资源丰富、理化性质稳定,焙烧成为具有活性的偏高岭土,适合用于水泥掺合料。本文采用XRD、SEM、TD-DSC及机械强度等测试手段研究了煤系高岭土、偏高岭土矿物特性;偏高岭土掺量和焙烧温度对水泥性能、微观形貌、水化产物等方面的影响,并探究了偏高岭土作为水泥掺合料在水泥水化反应中的作用及机理。对煤系高岭土进行矿物特性研究。采用XRD、TG-DSC和FTIR等手段对煤系高岭土进行分析,结果表明:煤系高岭土中主要矿物为高岭石,含有少量的石英、长石、叶腊石及锐钛矿。煤系高岭土主要化学组分为SiO_2 49.03%,Al_2O_334.18%,TiO_2 1.71%,Fe_2O_3 0.73%,SO_3 0.23%,烧失量13.5%。研究了煤系高岭土制备偏高岭土焙烧温度的影响。焙烧温度800℃制得的偏高岭土掺入水泥,水泥胶砂试块抗压抗折强度最大。7 d、28 d抗折强度分别为6.4 Mp和7.4 MPa,较纯水泥试块分别提高12.3%和19.3%,较掺入煤系高岭土试块分别提高18.5%和29.8%;7 d、28 d抗压强度分别为37.7 Mpa和48.7 MPa,较纯水泥试块分别提高21.6%和18.8%,较掺入煤系高岭土试块分别提高17%和35%。研究了偏高岭土掺量对水泥物理性能的影响。当偏高岭土掺量为12%时,水泥胶砂试块强度达到最大,7 d、28 d抗折强度分别为6.8 Mpa和7.6 MPa,比不掺偏高岭土纯水泥胶砂试块提高了19%和24%。7 d、28 d抗压强度为43 Mpa和49 MPa,比不掺偏高岭土纯水泥胶砂试块提高了38.7%和19.5%。掺偏高岭土可以加速水泥早期水化反应,提高水泥早期强度。纯水泥水化1d后,试块中水化产物钙矾石晶体较大,长度达3μm,掺偏高岭土水泥中较小,长度多为1-2μm左右,但是供水化产物附着生长的小核心更多,钙矾石数量更多。这是由于偏高岭土粒度极细,多为2-10μm之间,可以提供大量细小的成核活性位点,加速水泥早期水化反应。水泥水化产物Ca(OH)_2层间联系较弱,容易成为水泥试块受力的一个裂缝起源。在水化过程中,偏高岭土可以降低Ca(OH)_2含量,提高水泥强度。水泥净浆中Ca(OH)_2晶体含量,随着偏高岭土掺量增加而减少。纯水泥中,水化14 d和90 d时Ca(OH)_2含量分别为19.8%和23.6%。当偏高岭土掺量为12%,水化14 d和90 d时Ca(OH)_2含量分别为18%和17%,比纯水泥试块降低9%和24%。偏高岭土焙烧温度为800℃,水化14 d和90 d时Ca(OH)_2含量为17.24%和16.8%,比纯水泥试块降低12.9%和28.8%。偏高岭土中活性SiO_2和Al_2O_3会与水泥水化产物Ca(OH)_2发生反应,消耗微细孔溶液中Ca(OH)_2,同时生成胶结物质,使水泥强度更高。微细偏高岭土颗粒填充到水泥硬化浆体间隙,既降低水泥浆体孔隙率,同时改善水泥混凝土微观结构,细化孔结构,提高水泥密实度,有利于提髙水泥混凝土的强度和耐久性能。


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