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水泥基材料矿相粉磨机械力化学效应与分形理论研究

朱明  
【摘要】:水泥基材料以其优良的工程性能和相对低廉的生产成本成为房屋建筑和基础设施建设不可缺少的、最主要的建筑材料。但在水泥材料的生产与使用过程中却存在着两个不容忽视的问题,即水泥熟料的生产对自然资源的严重消耗与温室气体排放和水泥基材料使用过程中的低水化率造成的资源浪费。研究表明,在水泥基材料的磨制过程进行细磨,不仅能够提高熟料的有效利用率,更能加大对诸如粉煤灰、矿渣、钢渣等工业废渣用作水泥混合材的掺入量。其实质在于物料在细磨的过程中除发生颗粒细化、比表面积增大外,还发生了晶格畸变、晶体缺陷、表层化学键断裂、自由能增大、自由基生成甚至晶粒无定性化等机械力化学效应,使细磨物料的反应活性显著提高。论文通过对硅酸盐水泥熟料部分矿相粉磨过程中诱发机械力化学效应的研究,较为系统地揭示了水泥基材料粉磨过程的破坏类型、特征及粉磨条件对机械力化学效应的影响,并运用分形理论对水泥基材料的颗粒特征、机械力化学效应作用及其与水化性能的关系进行了分析讨论。 研究中,运用激光粒度测量技术、X射线衍射技术、扫描电镜技术、热导式微量热技术和红外光谱分析手段对β-C_2S和C_3S矿相等经高能球磨粉磨后的颗粒特征、晶体微观结构与颗粒表层的化学键断裂等变化规律及其对水化活性的影响进行了研究,并对不同的粉磨条件对上述变化的影响进行了对比研究与分析。 研究结果表明,硅酸盐矿相在高能球磨粉磨过程中发生了脆性破坏和塑性变形二种不同的破坏形式,经历了(A)脆性破坏;(B)脆性破坏与塑性变形共同发生;(C)塑性变形破坏三个不同的破坏阶段。脆性破坏主要造成物料颗粒与晶粒的迅速细化和比表面积的快速增大,对物料产生机械活化作用;塑性变形破坏则侧重于使物料发生晶格畸变、晶体缺陷增加,无定形化程度加剧的变化,对物料产生机械力化学活化作用。因而机械力化学效应的显著发生必须要使粉磨过程积累到一定的程度,即发生塑性变形。但过度的粉磨也会使机械力化学效应趋于饱和而于矿物粉磨活性的进一步提高无益。 根据X射线衍射测试计算的晶粒尺寸D、显微应变ε和有效德拜-瓦洛参数


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