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作为一种优质的天然矿产资源,高纯度高岭土被广泛应用于化工、造纸、建材、医药卫生等领域,而低品位高岭土却鲜有问津。为充分利用这一宝贵的矿产资源,本文拟通过化学配伍、水热合成、热活化等手段制备一种新型的胶凝材料,为高岭土的有效应用开辟一条新的途径。
本课题研究主要分为三个部分:(a)研究并探讨多因素条件下水热合成产物的组成及结构,选定适宜的水热合成制度;(b)研究水热合成产物的热活化机理,结合活化产物的再水化特征,确立适宜的热活化制度;(c)探索热活化产物对单矿水化的作用机制,研究复合胶凝材料浆体微结构的形成及随时间演变规律和凝结硬化过程的调节途径,掌握若干复合胶凝材料体系的基本性能和长期性能发展规律。
论文进行的主要内容和取得的重要成果有:
在深入分析CaO-SiO2-H2O体系反应机理及特征的基础上,对体系在不同温度时的吉布斯自由能变(△G)进行了计算,确定了各温度下水热合成环境中最稳定的水化硅酸钙产物的存在形式及n(Ca)/n(Si)对水化硅酸钙结构的影响,选定了水热合成的温度为363K(90℃)。经对三种n(Ca)/n(Si)下反应程度及反应时间曲线进行拟合后发现,其均与Jander方程较为吻合,且计算得到的KJ值分别为49.06×10-4、42.22×10-4和27.3×10-4,确定了MK在MK-Ca(OH)2-H2O体系中的溶解过程是非一致性溶解,且随着n(Ca)/n(Si)的提高而逐渐加剧。同时根据SEM及XRD的测试,水热合成的主要产物为表面多孔的半结晶态的C-S-H(B)及细丝网络状的C-S-H(Ⅱ),其中大量包裹着立方体颗粒状的水化石榴石,产物中还存在着少量的C4AH13及C2ASH8。
在通过XRD,TG-DSC,SEM-EDS,FTIR及溶出试验等手段对水热合成产物的脱水过程及机理展开了分析,矿物基脱水相的主要纽成为:C-S-H凝胶脱水相、C12A7H(或C12A7)、β-C2S、β-CS、CaO、α-SiO2及未完全反应的MK。脱水相中含大量由 C-S-H(B)和C-S-H(Ⅱ)脱水形成的呈细丝网絮状物相,大量粘附或包裹着立方体颗粒状C12A7H(或C12A7)。且根据综合热分析可知,C-S-H(B)和C-S-H(Ⅱ)在400~700℃范围内脱水生成无定形的C-S-H凝胶脱水相,在800℃附近逐渐转化为β-CS和β-C2S。通过SEM-EDS测试,结合不溶物化学成分分析,计算得到脱水相中C-S-H凝胶脱水相的平均n(Ca)/n(Si)分别为:0.86、0.99、1.44(按初始Ca(OH)2/MK=1.2、1.6、2.0排序),脱水相中主要物相C-S-H凝胶脱水相、C12A7和未反应MK组成比例分别为(按质量百分比):46.99%、10.16%、42.85%,57.05%、13.02%、29.93%,54.81%、18.46%、26.73%(按初始Ca(OH)2/MK=1.2、1.6、2.0排序)。
在分别对MDHP-C3S-H2O,MDHP-C2S-H2O和MDHP-cement-H2O等系统的水化特征进行研究后,经深入分析MDHP的优先吸附效应及晶核效应的形成机理,认为MDHP的掺入能显著促进C3S的水化,避免晶体的定向生长,弱化Ca(OH)2的定向排列并减小其结晶尺寸。但是当MDHP的掺量超过水泥的15%时,由于浆体中铝酸盐与硫酸盐的比例失衡,会导致水泥浆体的反常凝结及硬化后有害孔数量的增多。在研究和分析掺入MDHP的砂浆和混凝土后,试验结果表明MDHP的引入能显著改善其自收缩及抗渗性能。