粘土矿物对硫铝酸盐基高水材料的改性_陈洪令

1. 2 3. 8
7
3
1
3
A3 B1 C3
0. 8 3. 1
8
3
2
1
A3 B2 C1
1. 0 4. 2
9
3
3
2
A3 B3 C2
0. 6 2. 7
2. 2 正交实验极差分析
对 1 d 和 28 d 抗压强度作极差分析，其结果见
表 4。其中：Ki （ i = 1，2，3） 为各因素对应三水平的 实验结果之和；ki （ i = 1，2，3） = Ki /3；极差 ΔR = kmax － kmin 。
铝酸盐基高水材料结构体强度的影响，并得出了最佳配比方案。结合 X 射线衍射（ XRD） 、扫描电子显微镜（ SEM） 等现代测试
方法，对改性硫铝酸盐基高水材料的微观结构及性能进行了研究。结果表明，原料配比是影响高水材料结构体强度的主要因
素，硫铝酸盐水泥熟料∶ 石膏∶ 石灰 = 1∶ 0. 4∶ 0. 15，外掺 10% 的膨润土，水化形成以钙矾石为主的结构体，28 d 抗压强度达到
12. 4 13. 3 10. 0 4. 1 4. 4 3. 3 1. 1
13. 0 12. 7 10. 0 4. 3 4. 2 3. 3 1. 0
12. 8 11. 9 11. 0 4. 3 4. 0 3. 7 0. 6
从表 4 中三因素的极差分析结果可以看出，对 1 d 和 28 d 抗压强度影响的主次顺序为：原料配比 > 细度 > 外掺粘土矿物，原料配比是影响强度的主 要因素。这说明了，在外掺适量粘土矿物时，胶凝材 料的配比始终决定着整个水化过程中高水材料的强 度增长。 2. 2. 1 原料配比对强度的影响
待一定龄期后，用 CMT5105 型电子万能试验机 测定试样的抗压强度；采用日本理学电机公司 D / maxⅢA 型 X 射线衍射仪分析水化产物物相；采用 TM-1000 扫描电子显微镜观察水化产物的 微 观 形 貌。
2 结果分析与讨论
2. 1 实验结果 正交实验方案及结果见表 3。
表 3 正交实验方案及结果 Table 3 Design and results of orthogonal experiment
经机械加工成不同细度的粉体，其比表面积测试结
果见表 2。
表 2 因素水平 Table 2 Factors and levels
因素 水平
1 2 3
原料配比 A （熟料∶ 石膏∶ 石灰）
1∶ 0. 5∶ 0. 2 1∶ 0. 4∶ 0. 15 1∶ 0. 3∶ 0. 1
细 度B / （ m2 / kg）
四川建筑科学研究
第 36 卷 第 2 期
240
Sichuan Building Science
2010 年 4 月
粘土矿物对硫铝酸盐基高水材料的改性
陈洪令，王玉平
（ 西南科技大学材料科学与工程学院，四川 绵阳 621010）
摘 要：在硫铝酸盐基高水材料中引入了粘土矿物对其进行改性，通过正交实验讨论了原料配比、细度及粘土矿物掺量对硫
6. 5 MPa；外掺适量膨润土可以改善浆体的均匀性，减少泌水和分层现象，促进结构体的形成。改性后的高水材料，可用作一
种优良的充填材料。
关键词：高水材料；粘土矿物；硫铝酸盐水泥熟料；强度
中图分类号：TB321
文献标识码：A
文章编号：1008 － 1933（2010）02 － 240 － 04
Modification of clay material for high-water material based on sulphoaluminate cement
w/%
名称 ASC 熟料
膨润土
CaO Na2 O MgO Al2 O3 SiO2 Fe2 O3 SO3 K2 O 41. 66 0. 05 1. 67 26. 17 13. 27 2. 05 7. 75 0. 72 1. 31 3. 22 4. 11 16. 61 65. 41 2. 82 － 0. 86
因素 A
B
抗压强度 / MPa C 实验方案
实验号
1 d 28 d
1
1
1
1
A1 B1 C1
1. 3 4. 8
2
1
2
2
A1 B2 C2
1. 0 4. 1
3
1
3
3
A1 B3 C3
0. 9 3. 5
4
2
1
2
A2 B1 C2
1. 6 5. 1
5
2
2
3
A2 B2 C3
1. 4 4. 4
6
2
3
1
A2 B3 C1
表 4 极差分析结果 Table 4 Results of range analysis
1 d 抗压强度
28 d 抗压强度
指标
原料配比 细度 粘土矿物 原料配比 细度 粘土矿物
K1
3. 2
K2
4. 2
K3
2. 4
k1
1. 1
k2
1. 4
k3
0. 8
ΔR 0. 6
3. 7 3. 5 3. 4 3. 2 2. 7 3. 1 1. 2 1. 2 1. 1 1. 1 0. 9 1. 0 0. 3 0. 2
为此，本文引入粘土矿物对硫铝酸盐基高水材 料进行改性设计，利用正交实验确定其强度最优配 方，并结合 XRD，SEM 等现代测试方法，对改性后的 硫铝酸盐基高水材料的微观结构及性能进行研究， 以期为进一步改善硫铝酸盐基高水材料的工程化应 用效果提供参考。
2010 No. 2
陈洪令，等：粘土矿物对硫铝酸盐基高水材料的改性
242
四川建筑科学研究
第 36 卷
2. 2. 2 细度对强度的影响 分析表 4 中细度各水平的数据结果可以发现，
k1 > k2 > k3 ，随着原料中硫铝酸盐水泥熟料比表面积 的减小，1 d 和 28 d 抗压强度逐渐降低。其原因主 要与原料水 化 程 度 有 关，当 比 表 面 积 越 大，细 度 越 细，参与水化反应越充分，单位体积内发生水化反应 的粒子基点数多，有利于水化新矿物的形成；同时， 原料越细，能够与体系中的其他原料形成良好的级 配关系，有 利 于 提 高 结 构 体 的 致 密 性，促 进 强 度 增 长。因此，熟料比表面积为 1200 m2 / kg 的配方强度 最高。 2. 2. 3 粘土矿物的掺量对强度的影响
从表 4 原料配比对 1 d 和 28 d 抗压强度的水平 数据分析结果可知，k2 > k1 > k3 ，即在原料配比为 1∶ 0. 4∶ 0. 15 时，高水材料的 1 d 和 28 d 抗压强度最 佳，而石膏、石灰掺量过多或过少时，强度均出现下 降，考察其 原 因，可 能 是 石 膏 和 石 灰 的 掺 入 量 过 多 （1∶ 0. 5∶ 0. 2） 时，参与水化反应后剩余的石膏和 Ca （OH）2 会附着在水化结构体中，由于石膏和石灰的 溶 出 性 较 大，对 整 个 水 化 体 后 期 强 度 的 增 长 不 利［5-6］。当石膏和石灰的掺入量过少 （1 ∶ 0. 3 ∶ 0. 1 ） 时，水化浆体中 Ca2 + ，OH － 以及 SO24 － 的相对浓度较 小，则生成的钙矾石的量不足，不利于早期钙矾石结 构体的形成，从而限制了水化后期高水材料强度的 增长。
1200 800 350
粘土矿物 C /（w% ）
10 20 30
1. 3 实验方法 高水材料主要由甲、乙两组分组成，甲组分由硫
铝酸盐水泥熟料（胶凝剂）和膨润土（ 改性剂） 组成， 乙料（ 调凝剂） 由石灰和石膏、稳定剂等组成，其中 具体原料配比方案见表 2。实验过程中，分别称取 适量的原料，以水固比为 2. 5 ∶ 1 充分搅拌，并制成 甲、乙两种单独浆体，然后，将两种浆体混合继续搅 拌均匀后注入到 40 mm × 40 mm × 160 mm 试模中 成型，待脱模后，在标准养护条件下养护至规定的龄 期，以备测试用。
1. 2 实验设计
由于影响实验结果的因素较多，本实验采用正
交设计，以原料配比、原料细度及外掺粘土矿物作为 影响因素，选取适当的水平，选用 L9 （34 ） 正交。原 料配比及粘土矿物（ 膨润土） 的掺入量，均以硫铝酸
盐水泥熟料质量百分比（ w% ） 计，细度主要考察的
是对结构体强度有重要贡献的硫铝酸盐水泥熟料，
CHEN Hongling，WANG Yuping
（ School of Material Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China） Abstract：The sulphoaluminate high-water material was modified by the addition of clay mineral. The raw material ratio，fineness and the amount of clay mineral that influenced on characters of sulphoaluminate high-water material was studied by orthogonal experiment， and the best proportion was obtained. The microstructure and characters of hydrate was discussed by the modern methods of X ray diffraction，scanning electron microscopy. The results showed that the main factor was the raw material ratio，the best proportion of sulphoaluminate cement clinker，gypsum，lime was 1∶ 0. 4∶ 0. 15，and the mixing amount of clay material was 10% ，the main composition of hydrate was ettringite，and the strength of structure was 6. 5MPa at 28 days. The bentonite can improve the uniformity of the paste， decrease phenomenon of bleeding and phase separation during the hydration，and promote the formation of structure. The material after modification could be used as a kind of good performance filling material. Key words：high-water material；clay mineral；sulphoaluminate cement clinker；strength
0前言
高水速凝固材料 （ 简称高水材料）［1］，它是 20 世纪 80 年代问世的一种价廉、使用方便，并具有一 定力学性能的可泵性支护材料，可替代木材、钢材使 用，主要用于采矿工程巷道支护、采矿区充填等，其 充填工艺简单，凝结速度快，水固比为 2. 0 ～ 3. 0 时， 1 d 抗压强度可达 1. 0 ～ 3. 0 MPa，最终强度可达 4. 0 ～ 8. 0 MPa。由于其优异而独特的性能，许多研究 学者对其 开 展 了 大 量 的 实 验 研 究。 常 钧［2］等 利 用 含钡废渣烧制成的水泥制备含钡硫铝酸盐水泥基高 水材料，其凝结时间比硫铝酸盐水泥基高水材料快
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1 实验部分
1. 1 原 料
硫铝酸盐水泥（ ASC） 熟料来源于四川省乐山市
富祥建材公司，其化学成分 w% 见表 1。外掺粘土
矿物（ 膨润土） 来源于四川成都，其化学成分 w% 见
表 1。石灰、石膏等均为工业级原料。
表 1 原料化学成分
Table 1 Chemical composition of materials
收稿日期：2008-11-14 作者简介：陈洪令（1983 － ） ，男，重庆人，硕士研究生，主要从事无机 功能材料方面的研究。 E － mail：chling08@ 126. com
一倍，性能更优越。胡华［3］、侯林涛［4］等研究表明， 高水材料固结充填体具有速凝早强、高结晶水、强度 再生、耐水等特性，其充填作用效果明显优于普通胶 结材料充填体，且更适用于深部高应力环境及复杂 应力条件下的充填。虽然高水材料具备众多优异的 性能，在许多工程中也得到一定的应用，但是，在高 水材料的研究和应用中发现，高水固比条件下，其水 化凝结过程中常出现泌水、分层等工艺方面的不足， 以致在许多实际工程应用中，充填体的强度达不到 相应的要求。