氧化硼和粒度对铝酸盐水泥水化过程及浇注料性能的影响

摘要

近年来，资源利用，铝酸盐生产企业开始用煅烧阿尔法氧化铝过程中产生的收尘粉作为部分氧化铝源来生产铝酸盐水泥。这些收尘粉中会有一定量的氧化硼，进入水泥中有可能会影响水泥的物相组成，进而影响其水化过程，从而影响铝酸盐水泥的使用性能。到目前为止，尚未见到熟料中的氧化硼对水泥的水化过程及浇注料高温性能影响的研究。
　　现有水泥结合浇注料中的铝酸盐水泥平均粒径为20-30μm，与硅酸盐水泥的平均粒径基本一致，具体如何定义铝酸盐水泥的平均粒径并没有找到合理的解释。由于使用领域的不同，作为建筑材料的硅酸盐水泥而言，其水化时间可以延长到与建筑物寿命等同，而对用于水泥结合浇注料的铝酸盐水泥来说，其水化时间一般在24h以内就要脱模，进而烘干，终止水化。已有的研究表明，在20℃养护24h后的水泥颗粒的水化层厚度只有1.3～1.7μm，意味着铝酸盐水泥水化24h以后，现有的铝酸盐水泥颗粒大部分没有水化。当铝酸盐水泥粒度减小时，有可能加速水泥水化速率，从而影响浇注料是否有足够的施工时间，水泥在浇注料中的分散会更加均匀，水化产物也会更多和更加均匀的分布，可以为浇注料提供更高的脱模强度或者减少水泥的加入量。在热处理过程中伴随的局部体积膨胀的物相(CA2和CA6)也会在浇注料中分布的更为细小和均匀。这些结合相生成伴随的体积膨胀所导致的局部裂纹可能减少，因而有可能提高浇注料煅烧后的强度和高温体积稳定性。到目前为止，尚未见到铝酸盐水泥粒度对水泥的水化过程及浇注料高温性能影响的研究。
　　结果表明，含氧化硼铝酸盐水泥净浆潜伏期（约3h）及开始溶解到形成水化物沉淀的时间(约4h)均快于不含氧化硼的铝酸盐水泥净浆的潜伏期(约5h)及开始溶解到形成水化物沉淀的时间（约6h）。含氧化硼铝酸盐水泥制备的水泥砂浆的凝结时间(190min)和流动值(125mm)均低于不含氧化硼铝酸盐水泥砂浆的凝结时间(200min)和流动值(146mm)。经110℃烘干后的强度分析表明，含氧化硼铝酸盐水泥制各的浇注料的耐压强度(86.10MPa)和抗折强度(12.03MPa)均高于不含氧化硼铝酸盐浇注料的强度(分别为72.50和10.50MPa)。以上结果表明，水泥中氧化硼加速了水泥溶解和水化产物析出，导致铝酸盐水泥的水化凝结速度加快。冷冻真空干燥终止水泥水化后试样的物相分析和微观形貌分析证实，含氧化硼铝酸盐水泥较不含氧化硼铝酸盐水泥更易生成水化产物。由铝酸盐水泥中CA和CA2的晶格参数分析结果可知，含氧化硼铝酸盐水泥中CA及CA2最强峰的晶面间距均低于不含氧化硼水泥中CA和CA2的晶面间距，前者的最强峰的半高宽高于后者的。这些结果表明，水泥中的氧化硼铝酸盐水泥能固溶到铝酸钙物相的晶格中，增加可水化物的缺陷，活化晶格。导致水泥溶解和水化产物析出和铝酸盐水泥的水化凝结速度加快。
　　结果表明，含氧化硼铝酸盐水泥浇注料经中温1100℃和高温1450℃热处理3h后的耐压强度(75.3和139.59MPa)要高于不含氧化硼试样的耐压强度（60.07和130.61MPa）;含氧化硼铝酸盐水泥浇注料经煅烧后发生收缩（分别为-0.02％和-0.42％）要低于不含氧化硼的浇注料（分别为-0.01％和0.46％）;经1450℃煅烧3h后试样在1400℃的高温抗折强度结果表明含氧化硼试样的强度(7.24MPa)要低于不含氧化硼试样的强度(11.05MPa)。通过FactSage计算知道，水泥中的氧化硼可以增加浇注料在高温下的液相量。所以，含氧化硼铝酸盐水泥结合浇注料经1100℃和1450℃热处理后有较高常温强度、较大线收缩和较低高温强度，正是因为水泥中的少量氧化硼能增加高温液相所致。
　　结果表明，在20℃下，未经球磨CA70水泥的水化放热温度的最高峰的时间为3.5h，而经2h粉磨后该时间减少至1.5h;而Secar71的时间则由10h增加至25h。粉磨0h、1h和2h后的CA70砂浆的初凝时间逐渐降低和脱模耐压强度逐渐增加，而粉磨0h、1h和2h后的Secar71砂浆试样的初凝时间逐渐延长和脱模耐压强度则逐渐降低。以上结果表明，CA70水泥粒度减小加速了水泥溶解和水化产物析出，导致CA70水泥的水化凝结速度加快，Secar71水泥粒度减小延缓了水泥溶解和水化产物析出，导致Secar71水泥的水化凝结速度减慢。冷冻真空干燥终止水泥水化后试样的物相分析和微观形貌分析证实，随着CA70水泥的粒度减小水泥更易生成水化产物，促进水化产物的转变;而Secar71则随着水泥粒度的减小水化产物生成困难。经0h、1h和2h球磨后的两种铝酸盐水泥（CA70和Secar71）的粒度分析结果表明，经球磨后的CA70具有较窄的粒度分布宽度，而球磨后的Secar71则具有较宽的粒度分布宽度。由于CA70粒度分布宽度变窄后，获得较为疏松的结构，并且可以形成具有较疏松的水化产物结构，因而有利于水分子的扩散传质，加快了水泥颗粒的溶解和水化产物的形成和转换，从而缩短了凝结时间;而经球磨处理过的Secar71的粒度分布宽度则会增加会，导致颗粒间的孔隙减少，且生成的水化产物较为致密，不利于水分子的扩散传质，从而减缓水泥颗粒的溶解和水化产物成核及沉淀的速率，延长了凝结时间。
　　粉磨后CA70和Secar71水泥浇注料经中温1100℃和高温1450℃热处理3h后的常温耐压强度及经1450℃煅烧3h后试样在1400℃的高温抗折强度均发生增加，分别由未经球磨时CA70及Secar71的70MPa(1100℃)、120MPa(1450℃)和11.05MPa(1400℃)，及65.2MPa(1100℃)、124MPa(1450℃)和12.10MPa(1400℃)增加和2h时的90MPa(1100℃)、130MPa(1450℃)和16.85MPa(1400℃)，及83.1MPa(1100℃)、139.5MPa(1450℃)和17.66MPa(1400℃)。而粉磨后CA70和Secar71水泥浇注料经1450℃×3h热处理后线变化则由粉磨前的-0.15％和-0.19％降低至粉磨两小时后的-0.18％和-0.30％。对经相同温度热处理后浇注料基质的XRD分析表明，随着水泥粒度的减小，高温结合相CA2和CA6生成量变化不大，而晶粒粒径变小，因此使生成CA6时所伴随的体积膨胀降低，从而使线变化也就会有收缩的趋势;高温结合相晶粒粒径的减小，且水化产物分布均匀导致了高温结合相分布也会均匀，生成过程中伴随的体积膨胀减小，均会减缓浇注料内部微裂纹的形成，有利于提高浇注料的体积稳定性和常温及高温强度。

目录

声明

摘要

1 前言

2 文献综述

2．1 铝酸盐水泥简介

2．2 铝酸盐水泥的物相组成

2．3 铝酸盐水泥在耐火材料行业的应用

2．4 铝酸盐水泥的水化过程及其水化产物

2．4．1 铝酸盐水泥的水化过程

2．4．2 铝酸盐水泥的水化产物

2．5 影响铝酸盐水泥水化行为的因素

2．5．1 水泥的物相组成对水化反应的影响

2．5．2 杂质含量对铝酸盐水泥的水化速度的影响

2．5．3 替代原材料对水泥水化的影响

2．5．4 水泥的粒度对水泥水化的影响

2．5．5 影晌铝酸盐水泥水化的其它因素

3 课题的提出及研究内容

3．1 课题研究的思路

3．2 课题研究的内容

3．3 课题研究的创新点

4 实验过程

4．1 实验原料

4．1．1 铝酸盐水泥

4．1．2 水泥试样的均化

4．1．3 水泥样品的粉磨

4．2 浇注料和基质料的制备

4．3 表征方法

4．3．1 铝酸盐水泥的化学和物相组成和颗粒粒度分布

4．3．2 铝酸盐水泥的水化热测定

4．3．3 铝酸盐水泥水化过程的电导率分析

4．3．4 铝酸盐水泥水化产物的物相组成和微观结构分析

4．3．5 铝酸盐水泥砂浆和浇注料的物理性能分析

5 水泥中氧化硼对于铝酸盐水泥水化的影响

5．1 引言

5．2 实验

5．2．1 水泥试样准备

5．2．2 实验过程

5．3 结果与讨论

5．3．1 不同氧化硼含量的铝酸盐水泥的化学组成、物相组成以及碱度系数

5．3．2 铝酸盐水泥中的氧化硼对水泥水化放热行为的影响

5．3．3 铝酸盐水泥中的氧化硼对水泥悬浮液电导率的影响

5．3．4 铝酸盐水泥中的氧化硼对水泥水化产物的影响

5．3．5 铝酸盐水泥中的氧化硼对水泥凝结时间的影响

5．3．6 铝酸盐水泥中的氧化硼对水泥砂浆流动性的影响

5．3．7 铝酸盐水泥中的氧化硼对水泥结合浇注料常温强度的影响

5．3．8 铝酸盐水泥中的氧化硼对水泥CA和CA2物相的影响

5．3．9 铝酸盐水泥中的氧化硼对铝酸盐水泥结合浇注料性能的影响

5．4 本章小结

6 铝酸盐水泥粒度对水泥水化的影响

6．1 引言

6．2 实验部分

6．3 结果与讨论

6．3．1 铝酸盐水泥在粉磨0h，1h和2h前后的粒度比较

6．3．2 铝酸盐水泥球磨不同时间后的游离Fe，C和灼减量的变化

6．4 铝酸盐水泥球磨不同时间后水泥净浆的水化行为

6．4．1 铝酸盐水泥粒度分布对铝酸盐水泥净浆水化放热的影响

6．4．2 铝酸盐水泥的粒度对水化热的影响受环境温度限制

6．4．3 不同粉磨时间的铝酸盐水泥净浆在不同养护温度下的电导率

6．4．4 不同粉磨时间的铝酸盐水泥水化产物的物相组成

6．4．5 不同粉磨时间的铝酸盐水泥水化过程的物相显微结构

6．5 粒度对铝酸盐水泥砂浆性能的影响

6．5．1 不同粉磨时间的铝酸盐水泥砂浆的凝结时间

6．5．2 不同粉磨时间的铝酸盐水泥砂浆的强度

6．6 粒度对铝酸盐水泥浇注料使用性能的影响

6．6．1 铝酸盐水泥粒度对铝酸盐水泥结合的浇注料流动度的的影响

6．6．2 水泥粒度对浇注料的烧后强度，线变化和高温抗折强度的影响

6．6．3 水泥粒度对浇注料基质物相组成的影响

6．7 本章小结

7 结论

参考文献

个人简历

攻读博士期间发表论文

参与项目

致谢