拜耳法赤泥制备低钙胶凝材料及凝结硬化机理
发布时间:2021-08-06 02:21
利用拜耳法赤泥制备新型低钙胶凝材料是赤泥大规模资源化利用最有前景的方向。本文以拜耳法赤泥为主要原料(利用率>50%)制备了一种新型低钙胶凝材料,研究了此低钙胶凝材料在水化条件下、碳化养护条件下、碳化养护和后续水化养护共同作用下的凝结硬化过程及硬化机理,基于碳化反应热建立了此胶凝材料的碳化反应动力学模型,揭示了碳化养护提高此胶凝材料凝结硬化性能的机理。具体的研究结果如下:1.利用拜耳法赤泥和石灰石为原料在1200℃煅烧制备了一种新型低钙胶凝材料,该胶凝材料以硅酸二钙(C2S)、铁铝酸四钙(C4AF)和七铝酸十二钙(C12A7)为主要矿物,提出了该体系胶凝材料的配料计算方法,揭示了该胶凝材料的矿物形成过程。拜耳法赤泥中的碱能稳定高温介稳态的硅酸二钙矿物晶型(α-C2S),但是大部分碱主要固溶在C12A7矿物中。低钙胶凝材料中各矿物的形貌和分布如下:C2S主要为椭圆形,C4AF为针状颗粒,C...
【文章来源】:河南理工大学河南省
【文章页数】:146 页
【学位级别】:博士
【部分图文】:
碳化反应过程模型及机理图:(a)反应模型,(b)机理图
;④CO2水化形成H2CO3,反应速率较慢,控速步骤;⑤H2CO3电离形成H+,HCO3-,CO32-,电离速度较快,孔溶液pH值从11降到8;⑥硅酸钙溶解释放Ca2+和SiO44-离子,由于此过程是一个循环过程,反应速率较快,同时释放大量热;⑦CaCO3晶体成核,通过适当提高温度、引入颗粒细小的“晶种”等途径可以提高成核速率;⑧固相沉淀,碳化初期形成文石、球霰石晶体,但是最终都转化为不定型的方解石;⑨二次碳化,C-S-H凝胶能够逐渐碳化,最终形成SiO2和CaCO3。碳化过程与矿物的碳化活性和CO2的扩散速率密切相关,影响碳化过程的因素如图1-2所示:图1-2碳化过程影响因素Fig.1-2Factorsaffectingthecarbonationprocess各因素对碳化反应过程的影响效果见表1-2:表1-2各因素对碳化反应过程的影响效果Tab.1-2Effectofvariousfactorsonthecarbonationreactionprocess因素影响效果硅酸钙含量及钙硅比[87,88]随着硅酸钙矿物含量的增加,碳化性能提高;钙硅比增大,碳化程度提高;铁/铝酸钙矿物[89]铁/铝酸钙水化生成水化铁/铝酸钙、钙矾石等水化产物,这些水化产物能与CO2反应生成碳酸钙、氢氧化铝凝胶及硫酸钙等;颗粒大小[90]随着颗粒粒径的减小,比表面积提高,碳化程度提高;水固比[91-93]碳化反应需要水参与反应,但是过多的水不利于CO2的扩散,碳化程度降低;成型压力[85]随着成型压力的增大,试块孔隙率和渗透性下降,有利于强度增长;另一方面,过高的成型压力不利于CO2扩散到试块内部,碳化性能降低;CO2分压[94,95]随着CO2分压的提高,碳化速率提高,但是,碳化速率过快会导致试块内部升温过高,试块性能降低;相对湿度[96,97]在相对湿度为50-70%时,碳化速率较快;低于50%或者高于70%的相对湿度,碳化速率降低;温度[98,99]随着温度的提高(0~60℃
斡敕从Γ?国内外一些学者认为水在碳化过程中起介质作用,碳化过程不消耗水[108],但是也有学者认为反应产物有部分化学结合水[81]。Guan[102,104]通过TG/DTA分析定量表征了碳化生成的方解石晶体的质量分数,并由此研究了碳化程度随碳化时间的变化规律,结果表明:反应初期碳化程度迅速增长,反应后期碳化程度趋于稳定,碳化程度随碳酸化时间的变化规律与抗压强度随碳化时间的变化趋势一致,试块碳化24h抗压强度达60-70MPa,对应的碳化程度为40-50%。Ashraf[83]基于图像分析法对硅灰石碳化后各物相的体积分数进行了研究,如图1-3所示,从图中可以看出,硅灰石碳化生成了大量的二氧化硅凝胶和碳酸钙,这些碳化产物相互粘结,并填充在未碳化的颗粒之间,形成了致密的硬化体结构。Ashraf[83]通过统计纳米压痕(Statisticalnanoindentation,SNI)技术研究了硅灰石硬化体各物相的弹性模量,并通过拟合对硅灰石碳化后各物相的体积分数进行了表征。结果表明:碳化生成了大量的二氧化硅凝胶和碳酸钙,且它们的弹性模量高于普通硅酸盐水泥硬化体中C-S-H凝胶。图1-3硅灰石碳化产物的分布及含量,(a)BSE图像,(b)灰度分布直方图,(c)各物相灰度分离后的二值图像Fig.1-3Distributionandcontentofwollastonitecarbonationproducts,(a)BSEimage,(b)graydistributionhistogram,(c)binaryimageaftergrayphaseseparationofeachphase不同尺度下硅灰石碳化硬化体的微观形貌如图1-4所示[83],从图1-4可以看出:碳化后形成了致密的硬化体结构,碳化硬化体有两种尺度的孔隙(大孔和凝胶孔),碳化产物相互粘结、呈层状分布,中心为未反应的硅酸钙矿物,中间层为二氧化硅凝胶,最外层为碳酸钙[110]。由于碳化产物层的形成阻碍了反应的进一步进行,所以硅酸钙颗粒内部会形成?
【参考文献】:
期刊论文
[1]氧化铝厂烧结法赤泥制备免烧砖及其性能研究[J]. 冯有利,于立竟,晁钰鸿. 矿物学报. 2013(S2)
[2]含钡硫铝酸盐水泥的水化动力学与热力学研究[J]. 徐冠立,孙遥,林金辉. 材料导报. 2013(12)
[3]赤泥干法堆存工艺的设计要点[J]. 乔英卉. 轻金属. 2013(05)
[4]三组分胶凝材料体系的交流阻抗特性[J]. 安晓鹏,史才军,何富强,王德辉. 硅酸盐学报. 2012(07)
[5]用烧结法赤泥制备多孔陶瓷滤球的研究[J]. 吴建锋,张明雷,徐晓虹,郭全胜,汪海涛. 陶瓷学报. 2007(04)
[6]烧结法赤泥生产混凝土的研究探讨[J]. 刘春,尹国勋. 中国资源综合利用. 2007(03)
[7]烧结法赤泥道路材料工程应用实例及经济性分析[J]. 杨家宽,侯健,姚昌仁,陈凡,肖波. 轻金属. 2007(02)
[8]赤泥制备硫铝酸盐水泥熟料的物相组成及水化性能[J]. 赵宏伟,李金洪,刘辉. 有色金属. 2006(04)
[9]水泥基材料的水化动力学模型[J]. 阎培渝,郑峰. 硅酸盐学报. 2006(05)
[10]烧结法赤泥胶凝性能的试验研究[J]. 李国卫,徐文胜,朱宏平,魏小胜,张长清. 轻金属. 2005(10)
博士论文
[1]拜耳法赤泥活化预处理制备地聚物及形成强度机理研究[D]. 叶楠.华中科技大学 2016
本文编号:3324877
【文章来源】:河南理工大学河南省
【文章页数】:146 页
【学位级别】:博士
【部分图文】:
碳化反应过程模型及机理图:(a)反应模型,(b)机理图
;④CO2水化形成H2CO3,反应速率较慢,控速步骤;⑤H2CO3电离形成H+,HCO3-,CO32-,电离速度较快,孔溶液pH值从11降到8;⑥硅酸钙溶解释放Ca2+和SiO44-离子,由于此过程是一个循环过程,反应速率较快,同时释放大量热;⑦CaCO3晶体成核,通过适当提高温度、引入颗粒细小的“晶种”等途径可以提高成核速率;⑧固相沉淀,碳化初期形成文石、球霰石晶体,但是最终都转化为不定型的方解石;⑨二次碳化,C-S-H凝胶能够逐渐碳化,最终形成SiO2和CaCO3。碳化过程与矿物的碳化活性和CO2的扩散速率密切相关,影响碳化过程的因素如图1-2所示:图1-2碳化过程影响因素Fig.1-2Factorsaffectingthecarbonationprocess各因素对碳化反应过程的影响效果见表1-2:表1-2各因素对碳化反应过程的影响效果Tab.1-2Effectofvariousfactorsonthecarbonationreactionprocess因素影响效果硅酸钙含量及钙硅比[87,88]随着硅酸钙矿物含量的增加,碳化性能提高;钙硅比增大,碳化程度提高;铁/铝酸钙矿物[89]铁/铝酸钙水化生成水化铁/铝酸钙、钙矾石等水化产物,这些水化产物能与CO2反应生成碳酸钙、氢氧化铝凝胶及硫酸钙等;颗粒大小[90]随着颗粒粒径的减小,比表面积提高,碳化程度提高;水固比[91-93]碳化反应需要水参与反应,但是过多的水不利于CO2的扩散,碳化程度降低;成型压力[85]随着成型压力的增大,试块孔隙率和渗透性下降,有利于强度增长;另一方面,过高的成型压力不利于CO2扩散到试块内部,碳化性能降低;CO2分压[94,95]随着CO2分压的提高,碳化速率提高,但是,碳化速率过快会导致试块内部升温过高,试块性能降低;相对湿度[96,97]在相对湿度为50-70%时,碳化速率较快;低于50%或者高于70%的相对湿度,碳化速率降低;温度[98,99]随着温度的提高(0~60℃
斡敕从Γ?国内外一些学者认为水在碳化过程中起介质作用,碳化过程不消耗水[108],但是也有学者认为反应产物有部分化学结合水[81]。Guan[102,104]通过TG/DTA分析定量表征了碳化生成的方解石晶体的质量分数,并由此研究了碳化程度随碳化时间的变化规律,结果表明:反应初期碳化程度迅速增长,反应后期碳化程度趋于稳定,碳化程度随碳酸化时间的变化规律与抗压强度随碳化时间的变化趋势一致,试块碳化24h抗压强度达60-70MPa,对应的碳化程度为40-50%。Ashraf[83]基于图像分析法对硅灰石碳化后各物相的体积分数进行了研究,如图1-3所示,从图中可以看出,硅灰石碳化生成了大量的二氧化硅凝胶和碳酸钙,这些碳化产物相互粘结,并填充在未碳化的颗粒之间,形成了致密的硬化体结构。Ashraf[83]通过统计纳米压痕(Statisticalnanoindentation,SNI)技术研究了硅灰石硬化体各物相的弹性模量,并通过拟合对硅灰石碳化后各物相的体积分数进行了表征。结果表明:碳化生成了大量的二氧化硅凝胶和碳酸钙,且它们的弹性模量高于普通硅酸盐水泥硬化体中C-S-H凝胶。图1-3硅灰石碳化产物的分布及含量,(a)BSE图像,(b)灰度分布直方图,(c)各物相灰度分离后的二值图像Fig.1-3Distributionandcontentofwollastonitecarbonationproducts,(a)BSEimage,(b)graydistributionhistogram,(c)binaryimageaftergrayphaseseparationofeachphase不同尺度下硅灰石碳化硬化体的微观形貌如图1-4所示[83],从图1-4可以看出:碳化后形成了致密的硬化体结构,碳化硬化体有两种尺度的孔隙(大孔和凝胶孔),碳化产物相互粘结、呈层状分布,中心为未反应的硅酸钙矿物,中间层为二氧化硅凝胶,最外层为碳酸钙[110]。由于碳化产物层的形成阻碍了反应的进一步进行,所以硅酸钙颗粒内部会形成?
【参考文献】:
期刊论文
[1]氧化铝厂烧结法赤泥制备免烧砖及其性能研究[J]. 冯有利,于立竟,晁钰鸿. 矿物学报. 2013(S2)
[2]含钡硫铝酸盐水泥的水化动力学与热力学研究[J]. 徐冠立,孙遥,林金辉. 材料导报. 2013(12)
[3]赤泥干法堆存工艺的设计要点[J]. 乔英卉. 轻金属. 2013(05)
[4]三组分胶凝材料体系的交流阻抗特性[J]. 安晓鹏,史才军,何富强,王德辉. 硅酸盐学报. 2012(07)
[5]用烧结法赤泥制备多孔陶瓷滤球的研究[J]. 吴建锋,张明雷,徐晓虹,郭全胜,汪海涛. 陶瓷学报. 2007(04)
[6]烧结法赤泥生产混凝土的研究探讨[J]. 刘春,尹国勋. 中国资源综合利用. 2007(03)
[7]烧结法赤泥道路材料工程应用实例及经济性分析[J]. 杨家宽,侯健,姚昌仁,陈凡,肖波. 轻金属. 2007(02)
[8]赤泥制备硫铝酸盐水泥熟料的物相组成及水化性能[J]. 赵宏伟,李金洪,刘辉. 有色金属. 2006(04)
[9]水泥基材料的水化动力学模型[J]. 阎培渝,郑峰. 硅酸盐学报. 2006(05)
[10]烧结法赤泥胶凝性能的试验研究[J]. 李国卫,徐文胜,朱宏平,魏小胜,张长清. 轻金属. 2005(10)
博士论文
[1]拜耳法赤泥活化预处理制备地聚物及形成强度机理研究[D]. 叶楠.华中科技大学 2016
本文编号:3324877
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