离子对石膏结构与性能的影响研究

发布时间：2017-08-10 07:12

  本文关键词：离子对石膏结构与性能的影响研究

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【摘要】：副产石膏是工业生产中由化学反应生成的以二水硫酸钙或无水硫酸钙为主要成分的废弃物。利用副产石膏生产建筑石膏粉,制备石膏基建筑材料是其有效利用途径之一。然而由于副产石膏中大量的杂质(Na~+、K~+、Mg~(2+)、Al~(3+)、F~-、Cl-及磷酸盐)对其性能与应用的不利影响,使得副产石膏资源化利用率难以提高。二水石膏是石膏基建筑材料主要的水化产物,其结构与形貌是材料性能的主要决定因素,针棒状二水石膏晶体有利于紧密搭接,对制品抗折强度有利;短柱状二水石膏晶体有利于紧密堆积,对制品抗压强度有利。石膏基建筑材料的生产中,都会加入缓凝剂来提高施工可操作性,但缓凝剂的加入使得针棒状的二水石膏晶体变为板状、片状,导致晶体之间搭接程度降低、内部孔隙率增大、制品强度降低。本文利用XRD、SEM等测试表征方法,系统研究了Na~+、K~+、Mg~(2+)、Al~(3+)、F~-、Cl-及PO_4~(3-)等离子种类与掺量,对二水石膏结晶结构、形貌的影响;研究了柠檬酸与三聚磷酸钠两种缓凝剂对建筑石膏的缓凝机理,并制备出一种高性能复合缓凝剂。结论如下:(1)Na~+、K~+、Mg~(2+)、Al~(3+)等阳离子会选择性的吸附到石膏晶体(020)晶面,对其衍射峰强度及位置造成一定的影响,使其结晶度与晶面间距发生不同程度变化;相同掺量的K~+、Mg~(2+)、Al~(3+)对石膏晶体(020)晶面衍射峰强度及位置偏移的影响作用排序为K~+Al~(3+)Mg~(2+),这是由于Mg~(2+)与Ca~(2+)离子半径最为接近、价态相同,Mg~(2+)很可能代替Ca~(2+)进入石膏晶格,对石膏晶体结构影响程度最小;(2)Na~+、K~+掺量大于1.0%时,出现少量片状的二水石膏晶体,这是由于Na~+、K~+会与石膏晶体表面Ca~(2+)、SO_4~(2-)生成不稳定的复盐颗粒,附着在石膏晶体(020)晶面表面,复盐颗粒分解形成的二次硫酸钙,可以作为二水石膏晶种诱导石膏晶体在该方向的生长;而Mg~(2+)、Al~(3+)对针棒状的二水石膏晶体影响程度不大;(3)F~-、Cl-、PO_4~(3-)等阴离子会与晶体表面的Ca~(2+)化学反应,生成CaF2、Ca3(PO4)2沉淀,覆盖在(111)晶面,抑制晶体c轴方向的生长,使针棒状的石膏晶体变为板状、片状、块状等不规则的晶体外形;而(020)晶面的相对生长速率变大,结晶度提高;相同掺量下,磷酸盐对石膏结晶结构与生长抑制作用的影响排序为PO_4~(3-)HPO_4~(2-)H_2PO_4~-;(4)柠檬酸与三聚磷酸钠的加入,都会使针棒状的石膏晶体变为长径比很小的厚板状、块状等疏松的晶体外形;二者的缓凝机理不同,XRD分析表明柠檬酸与石膏晶体表面的Ca~(2+)络合反应生成稳定的络合物柠檬酸钙,覆盖在二水石膏晶体表面,抑制了二水石膏晶体的长大过程;而三聚磷酸钠与石膏晶体表面的Ca~(2+)化学反应生成难溶的磷酸钙沉淀,覆盖在半水石膏晶体与二水石膏晶核的表面,抑制了半水石膏的溶解以及二水石膏临界晶核的形成过程,完全抑制了半水石膏的水化;(5)三种缓凝剂对建筑石膏缓凝效果排序为:柠檬酸三聚磷酸钠骨胶,骨胶对石膏硬化体的强度影响较小;正交试验得出的高性能复合缓凝剂配比为:柠檬酸0.06%、三聚磷酸钠0、骨胶0.2%,该复合缓凝剂在延长建筑石膏凝结时间的同时,石膏硬化体7d抗压强度不会降低。
【关键词】：离子 二水石膏 结晶结构 形貌 缓凝剂
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ177.37
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 石膏的结构、转变及应用的研究12-15
• 1.2.1 石膏的组成与结构12-13
• 1.2.2 石膏的分类与转变13
• 1.2.3 石膏的应用13-15
• 1.3 离子对石膏结构与形貌的影响研究15-17
• 1.3.1 Na~+、K~+、Mg~(2+)、Al~(3+)等阳离子对石膏结构与形貌的影响15-16
• 1.3.2 F~-、Cl~-、PO_4~(3-)等阴离子对石膏结构与形貌的影响16-17
• 1.4 缓凝剂对建筑石膏凝结硬化的影响研究17-20
• 1.4.1 建筑石膏水化理论18
• 1.4.2 柠檬酸类缓凝剂对建筑石膏凝结硬化的影响18
• 1.4.3 磷酸盐类缓凝剂对建筑石膏凝结硬化的影响18-19
• 1.4.4 蛋白类缓凝剂对建筑石膏凝结硬化的影响19-20
• 1.5 目前研究存在的主要问题20-21
• 1.6 主要研究内容及技术路线21-23
• 1.6.1 主要研究内容21
• 1.6.2 技术路线21-23
• 第二章 实验原料与实验方法23-28
• 2.1 实验原料23-25
• 2.2 试样制备方法25-26
• 2.2.1 掺离子二水石膏试样的制备25-26
• 2.2.2 石膏硬化体试样的制备26
• 2.3 测试方法26-28
• 2.3.1 X射线衍射分析26
• 2.3.2 SEM扫描电镜分析26
• 2.3.3 标准稠度用水量、凝结时间的测定26-27
• 2.3.4 建筑石膏抗折抗压强度的测定27
• 2.3.5 建筑石膏吸水率的测定27
• 2.3.6 建筑石膏软化系数的测定27-28
• 第三章 无机离子对石膏结构与形貌的影响研究28-49
• 3.1 Na~+、K~+对石膏结构与形貌的影响28-32
• 3.1.1 Na~+、K~+对石膏晶体结晶度的影响28-29
• 3.1.2 Na~+、K~+对石膏晶体晶面间距的影响29-30
• 3.1.3 Na~+、K~+对石膏晶体形貌的影响30-32
• 3.2 Mg~(2+)、Fe~(2+)对石膏结构与形貌的影响32-36
• 3.2.1 Mg~(2+)、Fe~(2+)对石膏晶体结晶度的影响32
• 3.2.2 Mg~(2+)、Fe~(2+)对石膏晶体晶面间距的影响32-34
• 3.2.3 Mg~(2+)、Fe~(2+)对石膏晶体形貌的影响34-36
• 3.3 Al~(3+)对石膏结构与形貌的影响36-39
• 3.3.1 Al~(3+)对石膏晶体结晶度的影响36-37
• 3.3.2 Al~(3+)对石膏晶体晶面间距的影响37-38
• 3.3.3 Al~(3+)对石膏晶体形貌的影响38-39
• 3.4 F~-、Cl~-对石膏结构与形貌的影响39-43
• 3.4.1 F~-、Cl~-对石膏晶体结晶度的影响39-40
• 3.4.2 F~-、Cl~-对石膏晶体晶面间距的影响40-41
• 3.4.3 F~-、Cl~-对石膏晶体形貌的影响41-43
• 3.5 PO_4~(3-)、H_2PO_4~-、HPO_4~(2-)对石膏结构与形貌的影响43-47
• 3.5.1 PO_4~(3-)、H_2PO_4~-、HPO_4~(2-)对石膏结晶度的影响43-44
• 3.5.2 PO_4~(3-)、H_2PO_4~-、HPO_4~(2-)对石膏晶体形貌的影响44-47
• 3.6 本章小结47-49
• 第四章 缓凝剂离子对石膏结构与形貌的影响研究49-55
• 4.1 柠檬酸对石膏结构与形貌的影响49-52
• 4.1.1 柠檬酸对石膏晶体结晶度的影响49
• 4.1.2 柠檬酸对石膏晶体晶面间距的影响49-51
• 4.1.3 柠檬酸对石膏晶体形貌的影响51-52
• 4.2 三聚磷酸钠对石膏结构与形貌的影响52-54
• 4.2.1 三聚磷酸钠对石膏矿物组成的影响52
• 4.2.2 三聚磷酸钠对石膏晶体形貌的影响52-54
• 4.3 本章小结54-55
• 第五章 缓凝剂对石膏应用性能的影响研究55-66
• 5.1 缓凝剂单掺对建筑石膏性能的影响55-58
• 5.1.1 缓凝剂单掺对建筑石膏凝结时间的影响55-56
• 5.1.2 缓凝剂单掺对石膏硬化体强度的影响56-58
• 5.1.3 缓凝剂单掺对石膏硬化体吸水率与软化系数的影响58
• 5.2 复合缓凝剂对建筑石膏性能的影响58-63
• 5.2.1 复合缓凝剂对建筑石膏凝结时间的影响59-60
• 5.2.2 复合缓凝剂对石膏硬化体强度的影响60-61
• 5.2.3 复合缓凝剂对石膏硬化体吸水率与软化系数的影响61-63
• 5.3 缓凝剂对建筑石膏性能影响机理分析63-65
• 5.4 本章小结65-66
• 第六章 结论及今后的工作建议66-68
• 6.1 主要结论66-67
• 6.2 论文的主要创新点67
• 6.3 今后的工作建议67-68
• 参考文献68-73
• 攻读硕士学位期间所取得的研究成果73-74
• 致谢74-75

【参考文献】

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本文编号：649395