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第24卷第1期2016年2月材料科学与工艺MATERIALSSCIENCE&TECHNOLOGYVol.24No.1Feb.2016doi:10.11951/j.issn.1005-0299.20160112不同水灰比下无水硫铝酸钙的水化反应常钧,余鑫,尚小朋,赵九野(大连理工大学土木工程学院,辽宁大连116024)摘要:为澄清无水硫铝酸钙的水化反应机理,利用化学试剂CaCO3、Al2O3、CaSO4合成纯度达90%以上的无水硫铝酸钙(C4A3Š)单矿物,研究其在水灰比为0.3、05、0.7条件下的水化反应,包括不同水化时间的水化产物及变化规律,用X射线衍射仪、综合热分析仪和扫描电子显微镜对水化产物进行分析.结果表明:水化产物为含不同摩尔结晶水的2种单硫型水化硫铝酸钙C4AŠH12(AFm-12)和C4AŠH14(AFm-14)以及无定形状态的铝凝胶(AH3),整个水化过程未生成钙矾石(AFt);随着水化时间的延长,C4AŠH12(AFm-12)会逐渐转化为C4AŠH14(AFm-14);水化反应主要集中发生在3~12h,后期C4AŠH14晶体不断长大.关键词:无水硫铝酸钙;水化反应;水化产物;单硫型水化硫铝酸钙;微观形貌中图分类号:TQ172.1文献标志码:A文章编号:1005-0299(2016)01-0075-05Hydrationofcalciumsulphoaluminateatdifferentwater/solidratiosCHANGJun,YUXin,SHANGXiaopeng,ZHAOJiuye(SchoolofCivilEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)Abstract:Calciumsulphoaluminate(C4A3Š)withhighpurity(>90%)wassynthesizedfromCaCO3,Al2O3andCaSO4,andthehydrationofC4A3Š,includinghydrationproductsandtheirevolutionatdifferenthydrationtime,wasinvestigatedatdifferentwater/solidratios(mw/ms=0.3,0.5,0.7),aimingtoclarifythehydrationmechanism.ThehydrationproductswereexaminedbymeansofX-raydiffraction,differentialscanningcalorimetry-thermogravimetryandscanningelectronmicroscope.Therearetwokindsofcalciummonosulphoaluminate,namely,C4AŠH14andC4AŠH12,andamorphousaluminiumgel(AH3),whilethereisnoettringite(AFt)inthehydrationproducts.C4AŠH12graduallyconvertstoC4AŠH14astheextensionofhydrationduration.Thehydrationreactionmainlyoccursbetween3and12hoursaftermixedwithwater.ThecrystalsofC4AŠH14growlargerinlaterperiod.Keywords:calciumsulphoaluminate;hydrationreaction;hydrationproduct;calciummonosulphoaluminate;microtopography收稿日期:2015-08-19.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51472041).作者简介:常钧(197—0),男,教授,博士生导师.通信作者:常钧,E-mail:mlchang@dlut.edu.cn.硫铝酸盐水泥在中国的应用已有30多年的历史,与传统的硅酸盐水泥系列相比具有以下优点[1-4]:水泥熟料烧成温度低,降低了能耗;生产过程中CO2排放量低,减缓了温室效应;早期强度高、后期强度不倒缩等.硫铝酸盐水泥在我国已成为一种非常重要的特种水泥,基于该水泥可以开发出如用于防渗堵漏、快速修补、防腐抗蚀等特种工程的材料,但是前提是要搞清楚其水化反应机理.关于硫铝酸盐水泥水化方面的研究已有很多[1,4-7],但由于水泥熟料中含有无水硫铝酸钙(C4A3Š)、硅酸二钙(C2S)等多种矿物,水化反应复杂,需对各单矿物进行研究,再研究水泥的水化硬化过程.C4A3Š作为硫铝酸盐水泥中的主要矿物,对硫铝酸盐水泥性能的发挥起着决定性作用.目前关于C4A3Š的单矿物水化研究较少且存在较大分歧.王燕谋等[2]认为,单矿物的水化产物中同时存在钙矾石(AFt)和单硫型水化硫铝酸钙(AFm),水化初期生成的水化产物AFt逐渐减少,AFm逐渐增多,最终水化产物以AFm和铝凝胶为主,水灰比较小时会含少量AFt.一些学者认为[8-11],单矿物的水化产物中同时存在AFt和AFm-12,但关于水化过程的表述如水化产物生成的时间等不尽相同,而其他研究人员[12-14]没有发现水化产物中有AFt生成.Martin等[9]认为,单矿物的水化反应与水灰比密切相关,在较小水灰比时水化反应依式(1)进行,在大水灰比条件下会倾向于发生式(2)的水化反应生成AFt,最终AFt会转化为AFm.C4A3Š+18H→C4AŠH12+2AH3,(1)4C4A3Š+80H→C6AŠ3H32+C4AŠH12+2C3AH6+8AH3.(2)目前对单矿物的水化没有明确的结论,因此本文采用人工合成的C4A3Š研究了单矿物在较低水灰比下的水化反应机理,上述2个水化反应式计量的水灰比分别为0.53和0.59,因此选择mw/ms=0.3、0.5、0.7作为本文试验的水灰比.1试验1.1C4A3Š合成和水化采用分析纯化学试剂CaCO3、Al2O3、CaSO4按物质的量比∶3∶31准确称量后放入ND7型行星式球磨机中粉磨并混合均匀,加少许水压制成φ50mm×10mm圆柱试样,在℃110下烘干1h,再放入刚玉坩埚中置于DK200型高温电炉内升温至℃1350保温2h,取出急冷至室温[10].熟料通过球磨机磨细至全部通过80μm方孔筛备用.单矿物合成后进行水化试验,按照不同水灰比称取相应质量的水和C4A3Š并搅拌均匀,在水化实验中为了隔绝外部环境对实验结果的影响,将试样装入密封袋中置于标准养护箱中养护.在水化后3h、6h、9h、12h、1d、3d、7d、28d分别选取水化样,将所取水化样破碎研细后浸泡在无水乙醇中停止水化,然后在真空干燥箱中以4℃0烘干备用.1.2表征用德国Bruker公司D8ADVANCE型X射线衍射仪分析烧成矿物和各水化时间产物的组成,管电压和管电流分别为40kV、40mA,扫描范围为5°~60°.用Mettler-ToledoTG/DSC1综合热分析仪对不同时间的水化样品进行热分析,测量温度范围为40~4℃00,升温速率为℃10/min.用FEIQuanta450型扫描电子显微镜对水化样品进行微观形貌观察.2结果与分析2.1XRD分析2.1.1C4A3Š熟料图1为所烧熟料的X射线衍射(XRD)谱图.通过定性分析可知,熟料的主要成分是C4A3Š,此外还含有少量的C3A和C5A3.利用德国Bruker公司的全谱分析软件TotalPatternSolution(TOPAS4.2)中的全谱结构拟合法(Rietveld法衍射谱分析)对熟料XRD谱进行定量分析,拟合结果显示,C4A3Š质量分数为94.3%,C5A3质量分数为3.9%,C3A质量分数为1.8%.12840102030405060I/1032θ/(°)C4A3ŠC3AC5A3图1C4A3Š的XRD谱图2.1.2水化样图2列出了不同水灰比下12h和28d水化样的XRD谱图,可以看到C4A3Š的特征衍射峰(d值为0.374、0.265、0.217nm)在28d的XRD谱图中依然存在,说明水化样中C4A3Š有残留,未完全水化.水化过程中均有含12mol结晶水的单硫型水化硫铝酸钙(AFm-12,d值为0.893、0.446、0.400nm)和含14mol结晶水的单硫型水化硫铝酸钙(AFm-14,d值为0.955、0.478、0.248nm)生成.此外,在各XRD谱图中均未发现AFt的特征衍射峰,可以确定在水化过程中没有AFt生成,这是因为水化体系中SO42-离子的浓度过低,只能生成含SO42-离子较少的AFm[9].结果表明,在试验水灰比下单矿物的水化过程中没有AFt晶体生成,只生成了2种AFm晶体,明确了单矿物在较低水灰比下的水化反应机理.C4A3Š在不同水灰比下发生相同的水化反应,并且各XRD谱图是在相同测试条件下由同一台X射线衍射仪测得,因此可以依据其主要衍射峰强度的变化反映其含量的相对变化.图3为不同水灰比下C4A3Š的特征衍射峰最强峰(d值为0.374nm)强度随水化时间的变化曲线.·67·材料科学与工艺第24卷1020304050602θ/(°)I0.7,28d0.7,12d0.5,28d0.5,12d0.3,28d0.3,12dC4A3ŠAFm-14AFm-12图2不同水灰比下12h和28dC4A3Š水化样的XRD谱图I/1031210864203h12h1d3d7d28d0.30.50.7水化时间图3不同水灰比和水化时间下C4A3Š的特征衍射峰最强峰强度由图3可知:当mw/ms=0.3时,水化的前3h内特征衍射峰强度只降低了1.9%,说明只有少量C4A3Š发生反应,水化进行缓慢;随着水化时间的延长,衍射峰的下降呈先加速后减速的趋势,在1d时下降率达到44.7%,1d之后的下降率虽有增加但变化很小,说明水化反应在加速进行一段时间后逐渐变缓直至最终停止,这可能是由于C4A3Š与水发生反应,使得自由水不断消耗,导致水化逐渐停止进行;mw/ms=0.5时,水化前3h内衍射峰强度下降幅度为3.7%,之后C4A3Š的特征衍射峰强度下降速度加快,在9~12h时间段内衍射峰强度下降率达31.4%,12h内总下降率为58.9%,超过12h后下降骤然减缓,可知C4A3Š的水化主要发生在前12h内,此阶段内水化速度逐渐加快,并在9~12h时间段内达到顶峰,12h后水化速度大幅减缓;mw/ms=0.7时,衍射峰强度的下降速度进一步加快,但变化趋势基本一致,水化12h时强度下降率达到68.5%,水化12h后衍射峰强度变化较小,说明剩余的C4A3Š的量基本保持不变,水化反应即接近于终止.比较不同水灰比下相同水化时间的衍射峰强度可知,水灰比越大,同一水化时间的衍射峰强度越低,说明随着水灰比的增大,水化反应速度加快,在相同水化时间内有更多的C4A3Š参与反应.图4是AFm-14和AFm-12的XRD特征衍射峰最强峰所在位置(d值分别为0.955和0.893nm)的局部放大图.I8910112θ/(°)28d14d7d3d1d12h9h6h3h1hAFm-14AFm-12I8910112θ/(°)28d14d7d3d1d12h9h6h3h1hAFm-14AFm-12I8910112θ/(°)28d14d7d3d1d12h9h6h3h1hAFm-14AFm-12(a)mw/ms=0.3(c)mw/ms=0.7(b)mw/ms=0.5图4C4A3Š水化样XRD谱局部图(2θ=8°~11°)由图4可知:mw/ms=0.3时,水化12h的XRD谱图中出现了强度很低的AFm-12和AFm-14的衍射峰,说明水化产物中有2种不同的AFm生成,水化1d时AFm-14的峰略有上升,而AFm-12的峰却消失了,之后无显著变化;mw/ms=0.5时,9h的XRD谱图中出现AFm-12的特征衍射峰,水化12h的产物中除了AFm-12还有AFm-14生成,1d、3d的水化产物XRD谱各特征峰强度没有变化,3d后的XRD谱中呈现出AFm-12的特征衍射峰下降而·77·第1期常钧,等:不同水灰比下无水硫铝酸钙的水化反应AFm-14的特征衍射峰上升的趋势,由于水化反应在12h后大幅减缓,后期参与水化反应的C4A3Š的量很少,但AFm-12和AFm-14相对含量变化较大,因此说明水化产物中存在AFm-12向AFm-14转化的现象,即初期生成的AFm-12在水化过程中吸收未参与水化反应的水变成AFm-14,到28d时水化产物中只有AFm-14存在;当mw/ms=0.7时,水化6h即出现了产物AFm-12,12h的水化产物中也同时存在着AFm-12和AFm-14,由于自由水的增多,AFm-12向AFm-14的转化也相应提前,在水化1d后即开始转化,在7d的水化产物XRD谱图中已经找不到AFm-12的特征衍射峰了,说明转化过程已经结束.2.2热分析利用TG-DSC分析方法分析水化产物的组成,可以辨别XRD方法无法分析的非晶态物质.图5为不同水灰比下28d水化产物的DSC曲线,可以看到在220和℃290左右有2个大的吸热谷,其他位置包括130和17℃0存在有较小的吸热谷.AFm在℃180左右有一个大的吸热谷及其他几个小的吸热谷,AH3在℃280~300有吸热谷,随结晶度的不同吸热谷温度会有所偏移[8,14].从XRD分析结果可知水化产物中无AFt产生,因此可确定℃290处吸热谷对应的水化产物为AH3,其余位置吸热谷对应的为AFm.结合XRD定性分析的结果,可以得出单矿物在低水灰比下发生如式(3)的水化反应,并且水化过程中同时伴随着式(4)的转化.C4A3Š+(n+6)H→C4AŠHn+2AH3,(n=12or14).(3)C4AŠH12+2H→C4AŠH14.(4)0-0.5-1.0-1.5-2.050100150200250300350400温度/℃热量/(W?g-1)0.30.50.7AFmAH3图5C4A3Š水化样DSC曲线图6是根据各水灰比不同水化时间水化产物的TG曲线得到的失重率随水化时间的变化曲线.就同一个水灰比而言,随着反应时间的延长,C4A3Š水化生成的AFm和AH3的量越来越多,使得水化样的失重率不断提高.各水灰比3h的水化样失重率均较小,说明水化反应在前3h内进行缓慢.当mw/ms=0.5、0.7时水化3~12h的水化样失重率增长较快,12h后的变化再次变小,也进一步说明了水化反应主要在3~12h间进行,12h后反应大幅减缓.当mw/ms=0.3时水化反应速度会慢一些,在1d后反应物失重率基本停止增长.通过比较不同水灰比下相同水化时间水化样的失重率,会发现随着水灰比的增大,各时期的水化样的失重率也会相应增加,同样说明随着反应中水的增多,更多的C4A3Š参与到水化反应当中.353025201510503h12h1d3d7d28d水化时间0.30.50.7质量损失/%图6C4A3Š水化样失重率曲线2.3微观形貌分析图7为mw/ms=0.7时不同时间水化产物的SEM照片.在水化12h的照片中可以观察到熟料颗粒被表面生成的水化产物包裹严密,很难找到具有规则形貌的物质.根据XRD谱图和热分析的结果,水化反应在12h后大幅减缓,原因是由于水化初期生成的水化产物包裹在C4A3Š颗粒的表面,阻止了反应的进一步进行.水化3d的照片中除了凝胶状物质及被凝胶包裹的C4A3Š颗粒还有少量片状的AFm出现,而根据XRD图谱已知3d及以后的水化产物中的AFm晶体大部分为AFm-14,因此可以认定其中具有片状形貌的是AFm-14.7d、28d照片中可观察到堆积紧密呈层状的AFm-14,说明水化后期晶体不断长大.此外,各电镜照片中未找到具有针棒状形貌的AFt晶体,也证明了水化反应未生成AFt.3结论1)单矿物C4A3Š在较低水灰比下的水化过程中生成AFm-12、AFm-14和AH3三种水化产物,没有AFt生成.随着水化的进行,前期生成的AFm-12会向AFm-14转化,AFm-14晶体不断长大,因此最终的水化产物为AFm-14和AH3.·87·材料科学与工艺第24卷(a)水化12h(b)水化3d(c)水化7d(d)水化28d图7C4A3Š水化样SEM照片2)当mw/ms=0.3时,C4A3Š的水化反应主要集中于3h~1d的时间段内.随着水量的增多,在mw/ms=0.5、0.7下反应主要发生在3~12h,在9~12h达到顶峰,而12h后水化反应速度大幅下降,反应减缓.随着水灰比的增加,C4A3Š反应率也有提高.3)在mw/ms=0.3、0.5下单矿物在28d的水化时间后有较多残余,即使超过计量水灰比,在mw/ms=0.7下28d的水化产物中仍有未水化的C4A3Š.参考文献:[1]建筑材料科学研究院水泥研究所.硫铝酸盐水泥水化、硬化及其特性[J].硅酸盐学报,1978(3):123-140.CementResearchDivision,ResearchInstituteofBuildingMaterials.Hydrationandhardeningofsulfoaluminatecementanditsproperties[J].JChinCeramSoc(inChinese),1978(3):123-140.[2]王燕谋,苏慕珍,张量.硫铝酸盐水泥[M].北京:北京工业大学出版社,1999:154-155.[3]HERRMANNP.Investigationoffreshandhardenedprop-ertiesofCalciumsulfoaluminate(CSA)cementblends[J].MagazineofCivilEngineering,2014,47:63-70.[4]DESBOIST,LEROYR,PAVOINEA,etal.Effectofgypsumcontentonsulfoaluminatemortarsstability[J].EuropeanJournalofEnvironmentalandCivilEngineering,2010,14(5):579-597.[5]韩建国,阎培渝.锂化合物对硫铝酸盐水泥水化历程的影响[J].硅酸盐学报,2010,38(4):608-614.HANJG,YANPY.Influenceoflithiumcompoundonsulphoaluminatecementhydrationprocess[J].JChinCeramSoc(inChinese),2010,38(4):608-614.[6]KASSELOURIV,TSAKIRIDISP,MALAMIC,etal.Astudyonthehydrationproductsofanon-expansivesulfoaluminatecement[J].CementandConcreteResearch,1995,25(8):1726-1736.[7]BERETKAJ,MARROCCOLIM,SHERMANN,etal.TheinfluenceofC4A3ŠcontentandW/Sratioontheperformanceofcalciumsulfoaluminate-basedcements[J].CementandConcreteResearch,1996,26(11):1673-1681.[8]WINNEFELDF,BARLAGS.Calorimetricandther-mogravimetricstudyontheinfluenceofcalciumsulfateonthehydrationof’yeelimite[J].JournalofThermalAnalysisandCalorimetry,2010,101(3):949-957.[9]MARTIND,MARTINP,VLADIMIRK.HeatevolutionandmechanismofhydrationinCaO-Al2O3-SO3system[J].Ceramics,2005,49(2):104-108.[10]SÁNCHEZ-HERREROMJ,FERNÁNDEZ-JIMÉNEZA,PALOMOA.C4A3Šhydrationindifferentalkalinemedia[J].CementandConcreteResearch,2013,46:41-49.[11]EL-DIDAMONYH.HydrationmechanismsofcalciumsulphoaluminateC4A3Š,C4A3Šphaseandactiveβ-C2S[J].Ceramics-Silikáty,2012,56(4):389-395.[12]HANICF,KAPRÁLIKI,GABRISOVÁA.MechanismofhydrationreactionsinthesystemC4A3Š-CŠ-CaO-H2Oreferredtohydrationofsulphoaluminatecements[J].Ce-mentandConcreteResearch,1989,19(5):671-682.[13]KAPRÁLIKI,HANICF.PhaserelationsinthesubsystemC4A3Š-CŠH2-CH-H2OofthesystemCaO-Al2O3-CŠ-H2Oreferredtohydrationofsulphoaluminatecement[J].CementandConcreteResearch,1989,19(1):89-102.[14]SONGJ,YOUNGJF.Directsynthesisandhydrationofcalciumaluminosulfate(Ca4Al6O16S)[J].JournaloftheAmericanCeramicSociety,2002,85(3):535-539.(编辑程利冬)·97·第1期常钧,等:不同水灰比下无水硫铝酸钙的水化反应
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