复合硅酸盐水泥水化过程中孔隙填充能力与其力学性能的关系

发布时间：2019-03-16 12:40

【摘要】：利用工业废渣作为辅助性胶凝材料生产复合水泥,不仅降低了水泥工业的资源和能源消耗、减轻了工业废渣堆放带来的环境污染,还可改善复合水泥的工作性能、抗腐蚀性能和耐久性等,是水泥工业发展方向之一。目前,大多数研究都是从提高辅助性胶凝材料活性的角度,改善复合水泥早期强度等性能、提高辅助性胶凝材料掺量,而余其俊课题组按照水泥熟料与辅助性胶凝材料的水化特性,对复合水泥初始堆积状态和水化进程进行优化匹配,成功制备了低熟料用量、高性能复合水泥,尚缺少优化匹配的设计依据及复合水泥性能的精确预测方法。本文基于水化过程中胶凝材料体积变化过程,量化表征了胶凝材料孔隙填充能力,并根据浆体孔隙率与强度关系,建立了复合硅酸盐水泥强度预测模型,进而指导复合硅酸盐水泥组成优化设计。具体研究成果如下:建立了复合水泥强度预测方法。基于胶凝材料的化学收缩和非蒸发水量可量化表征胶凝材料水化过程中孔隙填充能力,结合浆体初始固相体积含量,建立了水泥浆体“初始堆积状态-孔隙率-强度”之间的量化关系。量化表征了不同粒度区间硅酸盐水泥、矿渣、粉煤灰的孔隙填充能力。水化60d后,细粒度区间(D50=2.5μm)硅酸盐水泥、矿渣、粉煤灰的孔隙填充能力分别为0.79、0.61及0.20,说明该区间矿渣孔隙填充能力较强,而粉煤灰的孔隙填充能力较差;中粒度区间(D50=15.1μm)硅酸盐水泥、矿渣和粉煤灰的孔隙填充能力分别为0.64、0.35和0.10,硅酸盐水泥表现出较好的孔隙填充能力,而矿渣和粉煤灰的大幅度下降。由于粗细粒度区间胶凝材料水化生成的内外部水化产物数量比例不同,导致完全水化时粗粒度区间(D50=52.3μm)硅酸盐水泥的孔隙填充能力仅为0.41,仅为细粒度区间(D50=2.5μm)硅酸盐水泥的52%。基于硅酸盐水泥与辅助性胶凝材料的孔隙填充能力,建立了复合硅酸盐水泥强度预测模型。根据浆体初始孔隙率和胶凝材料累积孔隙填充能力,可计算水化过程中浆体孔隙率,进而建立了复合水泥强度模型。引入粉体初始堆积常数对强度预测模型进行了修正,使模型更加适合预测不同颗粒分布的复合水泥,结果表明修正模型可以更加准确预测水泥强度(28d强度误差仅为3MPa)。以制备42.5强度等级的复合硅酸盐水泥为目标,基于复合水泥强度预测模型提出了低熟料用量、高性能复合水泥组成优化设计原则:细粒度区间(8μm)可使用孔隙填充能力高的矿渣,掺量在35%左右,也可复掺矿渣、粉煤灰或惰性填料,粉煤灰掺量应小于10%,惰性填料掺量应小于5%;中粒度区间(8~30μm)建议使用水泥熟料;粗粒度区间(30μm)可使用孔隙填充能力较低的粉煤灰或惰性材料,粉煤灰掺量在35%左右,惰性填料掺量在20%左右。本研究可根据胶凝材料组成对复合水泥强度进行精确预测,可为水泥熟料与辅助性胶凝材料优化匹配提供量化依据,对水泥熟料、辅助性胶凝材料的科学、高效利用具有重要的科学价值和理论意义,为大宗量利用工业废渣(特别是低活性或惰性废渣)制备高性能复合水泥提供技术支持,具有极大的节约资源、能源和减少CO2排放量前景。
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【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU528

【参考文献】