固体颗粒物侵蚀包含粉煤灰和高炉矿渣的地质聚合物

固体颗粒物侵蚀包含粉煤灰和高炉矿渣的地质聚合物
摘要：固体颗粒物的侵蚀是研究由粉煤灰和粒化高炉矿渣地质聚合物。

用390微米带角的Al2O3颗粒在30，60，或90度，以50，70，或100米/秒的速度进行侵蚀。

稳态侵蚀率是通过电子显微镜进行研究获得和材料损失机制。

作为一个经典的脆性材料，地质聚合物的表现很正常。

弹塑性压痕导致形成脆性材料损失，导致横向裂缝；侵蚀的速率与电源腐蚀成正比。

在60°的角度产生类似的结果，侵蚀速率一般略低。

在30°时有很高的侵蚀速率但与速度无关。

此反应是由于基体中存在的微裂纹和碎裂的聚集体通过径向裂纹的传播。

关键词：地质聚合物、侵蚀、断裂、硅酸铝
1、引言
地质聚合物是一种新型的由聚合的硅，铝，氧物种形成非晶的三维框架结构的材料。

自20世纪70年代以来一直研究利用纯材料合成地聚合物。

碱性溶解和聚合硅和铝物质形成具有优良的防火，耐酸性能的陶瓷材料。

铝硅酸盐矿物的基本化学粘合剂已经被发现至少有半个世纪。

Glukhovsky等在1957年进行了古老的水泥和现代混凝土的耐久性的研究。

这项工作导致从粘土，长石，火山灰，粉煤灰，冶金渣合成各种材料。

Glukhovsky等发现他们的新材料与现有的水泥基材料所具有的优异性能。

最近许多的工作集中于用废物利用的产品，如粉煤灰，炉渣和粘土合成地质聚合物。

尽管对地质聚合物的反应存在不同的意见，但是很明显在很多情况下材料如粉煤灰使用的原材料溶解之前没有完成最终硬化结构的形成。

此外，在许多情况下，表面反应是负责未溶解的废物颗粒粘结到最终的地质聚合物。

尽管地质聚合物技术的隔离和稳定废物材料有潜在的用途，但是对这些新型材料的耐久性和目前使用的水泥基材料所进行的工作却很少。

对于重金属的封装，现在大多数基于波特兰或磷酸盐水泥。

根据对最终产品和它的功能，力学性能可能会关注的问题很多。

例如，耐磨损，水侵蚀，固体颗粒侵蚀，和断裂研究等已在各种波特兰和骨水泥上进行。

地质聚合物通常比水泥和砂浆含有较少的孔隙率，因此可以预计地质聚合物有相对优越的机械性能。

我们先前的研究的机械性能包括波特兰和磷基水泥受到带角的Al2O3颗粒侵蚀。

在目前的研究中，相同的测试在有代表性的地聚合物
上进行了，与那些从以往的研究中得到的数据比较。

我们的目标是比较侵蚀的地聚合物和水泥或其他传统的脆性材料。

2.实验程序
将C类粉煤灰，粒化高炉矿渣，和硅酸钠作为原材料。

占总构成的52％，碱活化剂是总质量的11.2％；粉煤灰+矿渣硅酸盐的质量比为0.29。

将这些材料称重，放入塑料容器中，混合5分钟，并铸成直径为50mm具有1：2的直径和长度比的圆柱体，振动2分钟，以减少包封的空气，然后在42℃、95％相对湿度的环境中养护。

18h后从模具中取出，放入密封的塑料袋中，并储存于环境温度中，直到测试。

试样的密度由几何形状决定。

按照澳大利亚标准1012.9，测试直径50mm，径长比为1:2的圆柱体试样，养护7d后的抗压强度。

测试三个试样，并取其平均值作为抗压强度值。

试样所用仪器为阿姆斯勒FM2750抗压强度测试装置。

侵蚀测试的标本是用铸造用钻石刀片锯切掉的。

平均试样≈3毫米×19毫米×25毫米。

将试样表面抛光。

用 1微米金刚石研磨膏抛光较小的试样。

固体颗粒侵蚀先前已经描述了在一个抛油环型装置进行测试（参考文献[20]和其中的参考文献）。

试验是在真空环境中（≈500mTorr），所以空气动力效应可以忽略不计。

腐蚀的进给速率≈8克/分钟，很慢，腐蚀的颗粒之间的相互作用可以忽略不计。

腐蚀的颗粒是平均直径390微米的带角的氧化铝磨料（刚玉38，诺顿，伍斯特，MA，USA）。

影响的角度（α）为30，60，或90度和粒子速度（V）为50，70，或100米/秒。

所有侵蚀表面为19毫米×19毫米。

稳态侵蚀率（ER毫克/克）是测定试样的重量损失与剂量（重量影响表面的粒子）。

至少对每个试样进行五次测试。

为了避免由于环境的影响可能出现的问题，比如吸附的水，每一个实验确定ER值必须在一天内完成。

每次试验之后，标本取出，刷，清洁空气高炉，并称重。

称量试样每个周期耗时14±2分钟。

据估计，平均重量损失的测量，精确到±5％。

清洗不彻底，表面轻微的吸附水中会产生不确定性，对于单冲击试验，5克Al2O3磨料供入。

扫描电子显微镜（SEM）的观察结果是被腐蚀的表面与重量损失的测量相关联的损伤形貌。

用SEM检查稳态和单冲击损伤位点。

3.结果与讨论
地质聚合物试样包含有限的孔隙度，他们的平均密度为2.1G/CM3。

包括各
种各样的大小和形状主要是无定形的基质键合的聚集体的微观结构。

聚集残余的渣粒。

特别是沿矩阵/聚合接口的微裂纹是普遍的（图1）。

地质聚合物的平均抗压强度为35MPa。

试样的重量损失与影响粒子
的剂量代表性的数据示于图2。

线
性最小二乘方拟合的数据的斜率
被定义为ER。

ER最高是在90°时，
最低在30°时。

每个试样的数据是
相当一致的，据估计，ER值精确
到±5％。

然而，重复的样品在90°
发现显著变化。

分散重复标本的数
据可能是由于标本，而不是难以进
行重复性测量之间的差异。

在该装置中的侵蚀速率测量的一致性一直是优良的，典型的加或减几个百分点。

ER的三个冲击速度的影响
α角的效果示于图中.3（拟合的
数据的意义将在下面讨论）。

对
于脆性材料ER最高应该在90°
时和最低是在掠入射时。

100米/
秒的数据按照预期的趋势，在70
米/秒较差，在50米/秒的数据根
本没有。

ER在50米/秒的影响
是独立的。

这种趋势的原因与角
度的讨论将在SEM观察后提交。

从图3和表1中的数据可以推断出每个角
度的侵蚀率与速度的关系。

脆性材料的侵蚀
模型预测影响正常ERαVN，其中n的范围从
2.0到
3.4。

对于无机聚合物，ERαV2.3±0.2，
包括估算固有的不确定性使测量质量的统计
数据拟合存在误差。

由Wiederhorn和同事准
静态压痕模型垂直入射时的冲击值是接近预测值 2.4。

正如预期的那样，在60度时的数据影响这一趋势（n =1.8）。

在30度时ER是独立的速度。

据我们所知，这样一个近乎独立的ER在V前尚未观察到的任何入射角。

这种异常的根源将对下面讨论的微观结构的研究提供了一个线索。

对于脆性材料影响接近正常，材料损耗是一个连续的事件。

（1）压痕导致了弹塑性区下方的撞击粒子；（2）这些裂缝的诱导型加载，径向裂纹大致垂直于试样表面的弹性塑性区; （3）由于腐蚀的颗粒反冲，所产生的拉伸应力状态诱导形成近似平行于表面的横向裂纹；（4）横向裂纹的表面，芯片被移除。

与Wiederhorn和同事所预测的一样所产生的数据相一致的ER值为90度时的冲击值。

ER对V有依赖关系。

因此，应对在α= 90°作为一个理想的脆性材料。

如果模式I开裂发生时，斜入射的冲击与侵蚀速率成正比（辛恩α）（ER90°）。

例如对于n= 2.3的曲线示于图. 3。

审核表1中的数据和计算所预测的值ER在30度（ER）基于ER在90°表明，从预测的主要偏差为ER30°在V= 50米/秒，该测量ER值比预测的要大得多。

测定值ER30°在V= 70米/秒是仅稍低于预测的，并且在V= 100米/秒略高。

SEM观察与经典脆性陶瓷基本一致。

重叠脆性断裂裂缝是很明显（图4）。

此外，压痕的存在是很普遍，尤其是在90度时。

单影响位点对脆性固体的特征
也进行侵蚀。

两种基本类型的存在被观察到。

证明一些影响导致材料去除：缩进，径向裂纹的形成，和横向裂纹传播（图5a）。

最具影响力的位点相似，但横向裂纹没有充分地传播，以便除去显着的材料（图5b和c）。

模型和实验已证实横向裂缝是脆性材料垂直入射时的冲击材料损失的缘故。

对于冲击压力P，横向裂缝长度cL为
其中A是一个常数，F，E是几何因素H的硬度，弹性模量，和Kc是临界应力强度因子。

对于冲击压力P，径向裂缝，形成有长度cR为
其中，F*是一个几何因子和其他术语的定义同式。

径向裂纹长度有显着的相对横向裂缝。

实验已经证明在脆性材料中倾斜入射时的冲击的侵蚀速率高于只用正常速度分量和横向裂纹的形成的速率。

模式II或III装载模式的贡献被认为是可能的。

此外，简单的几何参数表明，径向裂纹也可能导致材料损耗斜向上冲击到表面。

例如径向裂纹被认为有助于显著材料多孔陶瓷的损失。

在凹凸体的冲击下，径向裂纹可能直接导致材料损耗，这样做可尽量减少横向裂纹的形成。

我们支持这一猜想：30度时主要侵蚀率高于低冲击速度时。

诚如上文所述，我们知道斜向上冲击表现出这种趋势。

其原因可能是由于这个特定的地质聚合物的独特的微观结构。

包括粉煤灰，特别是渣中存在的无机聚合物的总量和许多的微裂纹。

我们相信，这两个特征影响ER值在30度时的冲击角度，但在90度时达到最低限度。

对于正常发生率，较大的聚集应该削弱任何脆性材料，应先形成径向和横向裂缝，其次是碎裂。

每次撞击的接触面积，一般≈腐蚀的大小的1/10，为媲美许多在地质聚合物的聚集体的尺寸。

虽然具体的聚集体的侵蚀速率将不同于主机地质聚合物基体，但是在何种程度上他们会这样做的可能是比较小的。

此外，它们的体积分数表明其整体侵蚀速率的影响应该很小。

从侵蚀的角度来看，现
有的微裂纹与侵蚀引起的径
向裂纹没有什么区别，因此
不应作出显著ER值。

ERαV2.3±0.2，作为预测的正
常发生率的事实，强烈地表
明，地质聚合物是经典的脆
性材料。

在30°时对聚集微裂
纹的影响将是很大的不同。

这种碎裂的出现会导致ER值
高于预期，尤其是在较低的冲击速度下。

径向裂纹对ER的影响也应考虑。

正如在图中示意性地示出。

如图6所示，一个裂纹可以与现有裂纹交叉侵蚀，形成径向裂纹。

此外，在现有的裂纹的表面会捕捉到径向裂纹。

在某个范围内冲击速度传播径向裂纹是肯定存在的。

因此，在这地聚合物上上升动能冲击颗粒不会产生更多或更大的裂纹。

被侵蚀的表面（图4）中观察到的平均裂解功能的损伤位点与（图5）裂纹间距的平均规模相比较。

图1表明它们是相同的顺序。

此外，在稳态的表面上卵裂功能的影响在30°时大致相同。

如果只有横向裂缝造成破坏，侵蚀速率决定正常成分的影响速度。

在60°时应该得到相似的结果，那些在正常时的影响是因为sin2.360°= 0.72。

在实验误差范围内所观察到的地质聚合物可能是由于一些相同的材料的去除操作在30°稍稍较高于侵蚀速率为60°时，通过形成横向裂纹。

虽然侵蚀地质聚合物微观结构的影响的解释是合理的。

只有部分证据支持聚合和微裂纹的影响侵蚀速率是定性的。

它是真实的微裂纹，并相对容易地去除聚集的材料没有表现出显着的V ER依赖于斜入射。

然而，鉴于可能发生的地质聚合物作为粒子冲击和额外的微裂纹，我们无法准确量化额外开裂的程度，我们很难证明了我们的猜测。

SEM分析过程中出现的主要特征是高密度的地质聚合物存在大量的微裂纹，并诱导影响成大型裂缝。

这种大规模的压裂是致密的材料断裂韧性低的特点。

这是没有特征的，例如，砂浆，水泥或混凝土。

侵蚀机理在90°时的影响与这些规定的其他材料不同。

晶硅表现出经典的脆性断裂，很少或没有增韧机制以减
轻断裂。

由于其微观结构的复杂性，必须考虑的因素，例如切削骨料，地质聚合物的反应是类似的。

从影响和局部加热，会导致水分流失。

水泥基陶瓷表现出晶断裂和形成细瓦砾的晶体结构的变化。

无机聚合物的损伤更接近于晶体脆性材料，而不是水泥。

这些数据为地质聚合物的耐侵蚀性如何得到改善提供了指导。

地质聚合物很容易产生各种形式，他们容易地被纳入各种复合材料。

这种复合材料表现出改进的断裂韧性，可能被证明是比非增强型地聚合物更耐腐蚀。

4.结论
粉煤灰和粒化高炉矿渣Å地聚合物用390微米的Al2O3颗粒在30，60，或90度，50，70，或100米/秒的速度腐蚀时有不同的影响。

作为一个经典的脆性材料，地质聚合物对冲击回应很正常。

弹塑性压痕导致脆性横向裂缝形成，造成材料的损失。

侵蚀速率与腐蚀的速度的2.3 ± 0.2次方成正比。

在30°时是独立的导致形成异常高的侵蚀率。

这种反应是由于材料的损耗，通过横向和径向裂纹和微裂纹的存在聚集在矩阵中的传播。

对于速度为50-100米/秒，崩刃的程度认为主要是在基体中的微裂纹控制的。

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水泥浆体收缩性强在养护过程中出现了大量裂纹，在低速度冲蚀下强度高的试样反而冲蚀率大。

在高速度冲蚀下即V3风速以上C1C2C3试样冲蚀率表现出的规律是C1>C2>C3其原因是高风速动能大对靶材的冲击力强，在冲击动能大时裂纹的影响很小。