Al_(2)O_(3)掺杂对γ-C_(2)S碳化性能的影响

碳化程度( degree of carbonation, DOC) 的定义为硅酸钙矿物实际吸收 CO2 的质量与其理论上最大吸收
CO2 质量的比值。 具体操作步骤为:将坩埚放入高温炉在 1 000 ℃ 煅烧 2 h 至恒重称其质量,记为 m0 ,再取
10 g 左右的样品置于坩埚中在 300 ℃ 保温 2 h 后冷却至室温称其质量,记为 m1 ,然后在 1 000 ℃ 保温 2 h 后
按照 0. 15 的水固比称取 γ-C2 S 粉体和水溶液,将二者置于玛瑙研钵中搅拌均匀。 称取 12 g 混合好的物 料置于 ϕ20 mm 的模具中,成型压力为 30 MPa,保压 1 min,成型后的试样为尺寸 ϕ20 mm × 20 mm 的圆柱体。 将制备好的圆柱体试样放入不锈钢制的压力容器内进行碳化养护。 碳化养护的条件参数为 CO2 浓度为 100% ,相对湿度 RH≥95% ,容器内相对压强为 0. 3 MPa,初始温度为室温,容器内通入 CO2 之前进行抽真空 处理。 1. 3. 3 力学性能测试
压强度更高。
关键词:Al2 O3 ; γ-C2 S; 碳化; 碳酸钙; 力学性能; 半峰宽
中图分类号:TQ172. 1
文献标志码:A
文章编号:1001-1625(2021)06-2003-08
Effect of Al2O3 Doping on Carbonation Performance of γ-C2S
烧成熟料粉化后利用激光衍射 粒 度 分 析 方 法 测 试 其 粒 径 分 布 情 况, 选 用 英 国 马 尔 文 公 司 生 产 的 Mastersizer 2000 激光粒度仪。 应用理论为全量程完全的米氏理论,原理为当光线穿过物料时,反射光和透射 光与物料粒径大小有关,根据入射光的偏离角度可以计算出粒径分布。 累积分布曲线上 50% 处的对应粒径 值为物料的 D50 ,其可以表示熟料粒径大小。 1. 3. 2 碳化试样的制备及其碳化养护
量,仪器选择荷兰生产的 Empyrean 型 X 射线衍射仪( XRD) 。 熟料测试前需磨细,使其粒径都在 74 μm 以下
( 过 200 目方孔筛) ,扫描角度为 5° ~ 70°,步长为 0. 02°,仅做定性分析时的扫描速度为 10( °) / min,做定量
分析时的扫描速度为 2( °) / min,同时在物料里面掺加质量分数为 10% 的 α-Al2 O3 作为内标物。 1. 3. 5 碳化程度
本文通过研究不同 Al2 O3 掺量对 γ-C2 S 熟料的烧成与碳化性能( 碳化放热、碳化体产物组成与力学性能 等)的影响规律并分析作用机制,为 γ-C2 S 的工业化制备提供技术支撑。
1 实 验
1. 1 原材料 Ca( OH)2 、SiO2 和 Al2 O3 均为分析纯试剂,由国药化学试剂集团有限公司提供。
Abstract: The effect of Al2 O3 doping on the particle size, microstructure and mechanical properties of calcined γ-C2 S clinker was investigated. Results indicate that Al2 O3 doping has no influence on the crystal form of γ-C2 S, but significantly changes its morphology. The undoped γ-C2 S grains exhibit wrinkly surface morphology and the particle size is larger. After Al2 O3 doping, the grain surface becomes smooth. The compressive strength and the degree of carbonation of γ-C2 S carbonated for 24 h gradually increase with the increasing content of Al2 O3 . Based on the carbonation temperature rise, full width at half maximum of the diffraction peaks of calcium carbonate and the quantitative XRD analysis, Al2 O3 doping retards the heat release of carbonation, which is beneficial for a more sustained carbonation reaction. Al2 O3 doping also promotes the growth and the number of calcium carbonate crystals, which increases the degree of carbonation, densifies the carbonated matrix and increases the compressive strength. Key words: aluminate oxide; γ-C2 S; carbonation; calcium carbonate; mechanical property; full width at half maximum
冷却至室温称其质量,记为 m2 ,则 300 ~ 1 000 ℃ 烧失量 R 和碳化程度 α 如公式(1) 、(2) 所示。
R
=
m1 m1
- m2 - m0
(1)
α
=
172 88
摘要:本文研究了 Al2 O3 掺杂对 γ-C2 S 熟料粒径、微观结构和力学性能的影响。 试验结果表明:Al2 O3 掺杂不会改 变 γ-C2 S 的晶型,但显著改变了其形貌;纯相 γ-C2 S 颗粒表面褶皱较多,颗粒尺寸较大,掺杂 Al2 O3 后 γ-C2 S 颗粒表 面褶皱消失而变得光滑;γ-C2 S 碳化体的抗压强度与碳化程度随着 Al2 O3 掺量的提高逐渐增加。 通过碳化反应温 升并结合碳酸钙衍射峰的半峰宽和 X 射线衍射仪( XRD) 定量分析表明,Al2 O3 掺杂延缓了碳化放热,有利于碳化 反应的持久进行,同时促进了碳酸钙晶粒的生长和数量的增加,从而使碳化程度更高,基体结构更加密实,因而抗
表 1 不同 Al2 O3 掺量的 γ-C2 S 原料化学组成
Table 1 Chemical composition of raw materials for γ-C2 S with different Al2 O3 dosages
Sample
Ca( OH) 2 / g
SiO2 / g
Al2 O3 / g
现有研究大多利用化学纯试剂在实验室条件下制备得到 γ-C2 S,用于解析碳化反应动力学、碳化产物以 及碳化体力学性能等[6] 。 为了进一步推广其应用,有学者利用石灰石、砂岩和铁矿等工业原料制备以
收稿日期:2021-01-19;修订日期:2021-03-03 基金项目:国际科技合作重点项目计划(2018YFE0106300) ;国家自然科学基金(51925205,U2001227,51872216) 作者简介:明心昭(1994—) ,男,硕士研究生。 主要从事 γ-C2 S 碳化性能影响的研究。 E-mail:352456964@ qq. com 通信作者:刘志超,博士,教授。 E-mail:liuzc9@ whut. edu. cn
A0
444
180
0
A1
444
180
14. 45
A2
44418019. Fra bibliotek0A3
444
180
24. 56
每组试样按照表 1 配制好后置于球磨罐中,然后称量物料质量 80% 的水倒入混料罐中并以 250 r / min 的转速混合 3 h。 将混好后的物料置于 105 ℃ 的烘箱中烘干 12 h,然后在高温炉中以 5 ℃ / min 的速率升温 到1 400 ℃ 保温 3 h,烧结过后物料在炉内自然冷却,得到自粉化的 γ-C2 S 熟料。 通过乙二醇-乙醇法测得 A0、A1、A2 和 A3 的游离氧化钙低于 0. 145% ( 质量分数) ,表明生料易烧性良好。 1. 3 试验方法 1. 3. 1 激光粒度仪测试
1. 2 样品的制备 设计 4 组不同 Al2 O3 含量的 γ-C2 S 水泥熟料,Ca( OH)2 和 SiO2 摩尔比为 2 ∶ 1,氧化铝掺量为 Ca( OH)2
和 SiO2 质量和的 0% 、2. 32% 、3. 13% 、3. 94% ,在 1 400 ℃ 保温 3 h 煅烧得到,分别记为 A0、A1、A2 和 A3。 表 1 为 A0 ~ A3 试样的原料配比。
第 40 卷 第 6 期 2021 年 6 月
硅 酸 盐 通 报
BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY
Vol. 40 No. 6 June,2021
Al2 O3 掺杂对 γ-C2 S 碳化性能的影响
明心昭,刘志超,王发洲,胡曙光,胡传林
( 武汉理工大学,硅酸盐建筑材料国家重点实验室,武汉 430070)
0 引 言
硅酸二钙具有 α、αH′ 、αL′、β 和 γ 五种晶型[1] ,通常情况下,α-C2 S、αH′ -C2 S、αL′-C2 S、β-C2 S 在常温下都不能 稳定存在,具有向 γ-C2 S 转变的趋势,在 β-C2 S 向 γ-C2 S 晶型转变的过程中,由于 Ca 的配位数发生变化,引 发约 12% 的体积膨胀,出现自粉化的现象[2] 。 β-C2 S 具有较高的水化活性,而 γ-C2 S 几乎没有水化活性,因 此在煅烧水泥熟料过程中采用急冷的方式来阻止 β-C2 S 向 γ-C2 S 的晶型转变。 研究表明,γ-C2 S 在有水的情 况下表现出较高的碳化活性[3-5] ,碳化反应速率是 β-C2 S 的 2 倍[4] ,因此有学者利用 γ-C2 S 高碳化活性的特 点开展了许多研究工作。
利用美国 MTS 公司生产的 CMT5105 微机控制电子万能试验机对烧成熟料的碳化制品进行抗压强度测 试,加载速率为 1. 2 mm / min。
第6 期
明心昭等:Al2 O3 掺杂对 γ-C2 S 碳化性能的影响
2005
1. 3. 4 矿物组成表征
通过对烧成熟料和碳化养护不同龄期的碳化制品进行 X 射线衍射测试,分析其矿物组成和非晶相的含
MING Xinzhao, LIU Zhichao, WANG Fazhou, HU Shuguang, HU Chuanlin
( State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)
2004 水泥混凝土
硅 酸 盐 通 报
第 40 卷
γ-C2 S 为主要矿相的自粉化低钙水泥[7] ,并且不可避免地引入铝、铁、铬等杂质相,对 C2 S 的晶型稳定性以及 反应活性产生一定影响。 目前,现有研究都集中于探究 Al3 + 对 β-C2 S 晶型稳定性的影响,相关研究[8-9] 表 明,Al3 + 可以稳定 β-C2 S 晶型,防止熟料的粉化,但 Feng 等[10] 以离子极化能力( C2 / R,其中 C 表示离子电价, R 表示离子半径) 为判断依据,发现 Al3 + 并不能阻止 β-C2 S 向 γ-C2 S 晶型转变。 部分文献[11-13] 也报道了 Ba2 + 、V5 + 、Cr3 + 等离子对 C2 S 晶型转变以及碳化活性的影响,但还未见 Al2 O3 掺杂对 γ-C2 S 碳化性能影响的 报道。