材料研究学报  2014 , 28 (5): 325-332 https://doi.org/10.11901/1005.3093.2013.777

赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料的水化特性*

张娜1, 刘晓明2, 孙恒虎13

1. 清华大学建筑设计研究院有限公司绿色建材与循环经济研究中心 北京 100084
2. 北京科技大学冶金与生态工程学院 北京 100083
3. 美国太平洋大学太平洋资源研究中心 加利福尼亚州 95211

Hydration Characteristics of Intermediate-Calcium Based Cementitious Materials from Red Mud and Coal Gangue

ZHANG Na1, LIU Xiaoming2**, SUN Henghu13

1. Green Construction Materials and Circulation Economy Center, Architectural Design and Research Institute of Tsinghua University Co., Ltd., Beijing 100084
2. School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083
3. Pacific Resources Research Center, University of the Pacific, Stockton, CA 95211, USA

中图分类号:  TB321

通讯作者:  **To whom correspondence should be addressed, Tel: (010)62332786, Email:liuxm@ustb.edu.cn

收稿日期: 2013-10-18

修回日期:  2014-01-16

网络出版日期:  --

版权声明:  2014 《材料研究学报》编辑部 版权所有 2014, 材料研究学报编辑部。使用时,请务必标明出处。

基金资助:  * 国家自然科学基金51302012和北京市科技专项-首都设计提升计划Z131110000213046。

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摘要

采用XRD、IR、TG-DTA、MIP等手段表征赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料的水化产物及其硬化浆体的孔结构, 研究了解赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料的水化特性。结果表明, 赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料的水化产物主要有C-S-H凝胶、钙矾石和Ca(OH)2, 前两者对其强度的发展有促进作用; 水化1 d至90 d其中Ca(OH)2的含量呈先升高后降低的趋势; 随着水化反应的进行在CaO/SiO2比值较低的赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料中Si-OH基团之间发生聚合反应, 水化产物的聚合度升高; CaO/SiO2比值为0.95和1.04的赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料的硬化浆体具有较好的孔结构, 而CaO/SiO2比值为1.13的胶凝材料硬化浆体的孔结构相对较差。

关键词: 无机非金属材料 ; 中钙体系胶凝材料 ; 微观结构 ; 赤泥 ; 煤矸石 ; 水化

Abstract

In order to deep understand the hydration characteristics of red mud-coal gangue based intermediate-calcium cementitious materials, XRD, IR, TG-DTA and MIP techniques were used to investigate the hydration products and pore structure of the hardened pastes, which formed after a hydration process of the red mud-coal gangue based intermediate-calcium cementitious materials. The results show that the hydration products mainly are C-S-H gel, ettringite and calcium hydroxide. As the dominant products, C-S-H gel and ettringite are principally responsible for the strengthening of the intermediate-calcium cementitious materials. By hydration for 1 d to 90 d, the content of calcium hydroxide increases at the initial stage and later decreases. With the progress of hydration process, the polymerization between Si-OH bonds tends to be easier, resulting in an increasing of polymerization degree of the hydration products. The red mud-coal gangue based intermediate-calcium cementitious materials with CaO/SiO2 ratios of 0.95 and 1.04 possess good pore structure of the hardened pastes, while the pore structure of the hardened paste for the material with CaO/SiO2 ratio of 1.13 is relatively poor.

Keywords: inorganic nonmetallic materials ; intermediate-calcium based cementitious materials ; microstructure ; red mud ; coal gangue ; hydration

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张娜, 刘晓明, 孙恒虎. 赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料的水化特性*[J]. , 2014, 28(5): 325-332 https://doi.org/10.11901/1005.3093.2013.777

ZHANG Na, LIU Xiaoming, SUN Henghu. Hydration Characteristics of Intermediate-Calcium Based Cementitious Materials from Red Mud and Coal Gangue[J]. 材料研究学报, 2014, 28(5): 325-332 https://doi.org/10.11901/1005.3093.2013.777

赤泥是氧化铝生产过程中排放的一种泥状废渣, 我国赤泥的年产量已超3000万吨。由于赤泥具有强碱性(pH 10.0-12.5), 大量赤泥的堆积对环境造成了严重破坏, 引起地表及地下水污染、土壤碱化、沼泽化等。煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的一种固体废弃物, 其年产出量约占当年煤炭产量的10%-15%。

作为二次资源, 国内外众多学者对赤泥和煤矸石的综合利用开展了大量的研究。将赤泥和煤矸石应用于建材行业, 可产生可观的环境效益和经济效益。但是, 赤泥较高的碱含量限制了其在传统水泥中的掺配量, 使其综合利用率较低[1]。即使将赤泥作为配料生产硅酸盐水泥熟料, 在原料中的掺配量也不能高于5%[2-7]。我国氧化铝厂排出的赤泥多为烧结法赤泥, 由于在炉料烧结过程中加入了石灰, 烧结法赤泥中的CaO含量高达38%[8]。如果将水泥熟料(CaO含量一般为65%左右)视为高钙质物料, 烧结法赤泥具有中等钙含量, 则可将其称为中钙质物料。硅酸盐水泥属于高钙低硅铝体系(简称高钙体系, CaO/SiO2比值约为3), 而碱激发胶凝材料, 或地质聚合物, 多为低钙高硅铝体系(简称硅铝体系)。从高钙体系到硅铝体系, 中间有一个中钙体系的过渡, 将胶凝材料的发展衔接起来。对于中钙体系, 可将其理解为胶凝材料的化学成分中含有中等的钙含量, 其中CaO含量为35%左右, 且CaO/SiO2比值接近1。中钙体系胶凝材料这一思想的提出, 为烧结法赤泥这类中钙质固体废弃物的大宗高效利用开辟了一条路径。

作者所在的课题组以山东铝业公司的烧结法赤泥与北京房山煤矸石为研究对象, 通过复合热活化方式提高赤泥-煤矸石混合体系的胶凝活性[9], 并研究了复合热活化赤泥-煤矸石物料的火山灰反应[10], 在此基础上制备出物理性能和力学性能优良的赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料[11]。本文在前期研究工作的基础上采用XRD、IR、TG-DTA、MIP等微观分析手段深入研究赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料的水化产物及其孔结构, 以期进一步了解赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料的水化特性。

1 实验方法

实验用赤泥为山东铝业公司的烧结法赤泥, 煤矸石取自北京房山, 矿渣选用唐山钢铁公司水淬高炉矿渣, 熟料取自北京新港水泥制造有限公司, 石膏为柳州硬石膏(其中SO3含量为40%), 各原料的化学组成列于表1。本着中钙体系的理念, 以复合热活化的赤泥-煤矸石为主要原料, 辅以矿渣, 熟料和少量石膏, 配制三种具有不同CaO/SiO2比值(以下简称Ca/Si比)和(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)比值(以下简称(Ca+Mg)/(Si+Al)比)的复合胶凝材料, 其物料配比列于表2。其中, 复合热活化赤泥-煤矸石物料的制备方法为: 将干赤泥与煤矸石按3∶2比例混合后加入自来水使其液固比为0.3, 将其造粒后置于温度为100℃的烘箱烘干以脱除其中的游离水, 再将其在600℃马弗炉中煅烧2 h。取出后在干燥空气中冷却, 最后经行星式磨机粉磨6 min, 使物料的比表面积达到425 m2/kg[9, 10]。表2中三种配比试样O、A、B相对应的化学组成列于表3, 从中可见随着原料中熟料掺量的增加胶凝材料的Ca/Si比提高, 分别为0.95、1.04、1.13, 其(Ca+Mg)/(Si+Al)比也提高, 分别为0.79、0.87、0.95。

表1   原料的化学组成 (质量分数/%)

Table 1   Chemical composition of raw materials (mass fraction/%)

OxidesSiO2Al2O3CaOFe2O3MgONa2OK2OTiO2SO3LOI
Red mud17.786.2737.5212.321.152.750.463.270.4917.76
Coal gangue49.4121.322.526.021.561.442.850.940.6512.75
Slag33.5914.3738.321.118.430.180.110.852.260.44
Clinker21.945.2766.092.960.880.300.70-0.310.67

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表2   赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料的物料配比(质量分数/ %)

Table 2   Designed proportion of red mud-coal gangue based intermediate-calcium cementitious materials (mass fraction/%)

SampleCompound activated
red mud-coal gangue
SlagClinkerGypsum
O5024206
A4524256
B4024306

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表3   赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料的化学组成(质量分数/ %)

Table 3   Chemical composition of red mud-coal gangue based intermediate-calcium cementitious materials (mass fraction/%)

SampleCaOSiO2Al2O3Fe2O3MgONa2OK2OTiO2SO3Ca/Si(Ca+Mg)/
(Si+Al)
O32.9434.7012.777.614.531.571.261.972.660.950.79
A35.9334.6910.966.273.851.591.221.643.281.040.87
B37.7833.5310.585.634.061.361.141.483.911.130.95

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根据表2中的物料配比制备净浆。采用20 mm×20 mm×20 mm试块进行净浆试验, 水灰比为0.35。成型后在20±1℃、相对湿度为95±1%的条件下养护1 d, 脱模后将净浆试块在20±1℃、相对湿度为95±1%的养护箱中养护至相应龄期。然后取出敲碎, 将其中心部位用无水酒精终止水化, 然后在60℃真空干燥箱中烘干, 将样品磨细后用作XRD、IR和TG-DTA分析; 用于MIP分析的净浆试块养护至相应龄期后直接将整块样品用无水酒精终止水化, 然后在60℃真空干燥箱中烘干。

用X射线荧光分析仪(XRF-1700型号, 岛津)分析物料的化学组成。用X射线衍射仪(XRD)(D/max-RB, Rigaku)分析赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料的水化产物。实验条件: 40kV, 100mA, Cu靶, 扫描速度8°/min, 扫描范围: 5°~70°。用傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)(Spectrum GX, PE)分析水化产物的化学结构。取粒径小于80 μm的粉末样品1-2 mg置于200 mg干燥KBr粉末中(选用400-4000 cm-1区域内无吸收峰的光谱纯KBr), 在玛瑙研钵中研磨使其混合均匀, 然后转移至压片模具中在低真空度下制成透明薄片以进行实验。用热重法(TG)和差热分析(DTA)(Netzsch STA 449C, Germany)测量水化产物在加热过程中的质量变化。测试条件: 升温速率为10℃/min, 温度范围为20~1000℃, 测试气氛为氮气。用Autopore IV 9510型压汞仪(MIP)测试净浆水化硬化体的孔结构。

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

图1和图2分别给出了赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料O、A、B水化3 d和90 d硬化浆体的XRD谱图。

图1   胶凝材料水化3 d硬化浆体的XRD谱图

Fig.1   XRD patterns of the hydrated pastes at 3 days

图2   胶凝材料水化90 d硬化浆体的XRD谱图

Fig.2   XRD patterns of the hydrated pastes at 90 days

由图1和图2可见, 在3d和90d的XRD谱图中除了赤泥-煤矸石中的原有物相石英, 方解石, 钙钛矿, 白云母, 钠长石和赤铁矿之外, 硬化浆体中生成有Ca(OH)2、钙矾石(AFt, Ca6Al2(SO4)3(OH)1226H2O)、水化硅酸钙凝胶(C-S-H)、类沸石矿物斜方钙沸石(CaAl2Si2O84H2O)等水化产物。在O-3 d, A-3 d和B-3 d试样中均有较强的表征Ca(OH)2的衍射峰, 随着胶凝材料中Ca/Si比的提高硬化浆体中Ca(OH)2的衍射峰增强。相对而言, 水化3 d时三个谱图中表征钙矾石的衍射峰均较弱, 而水化90 d时O-90 d, A-90 d, B-90 d三个试样中表征钙矾石的衍射峰均明显增强。这表明, 随着水化龄期的增长硬化浆体中钙矾石的数量增多。复合热活化赤泥-煤矸石物料的火山灰反应研究的结果表明, 存在于Ca3Al2O6xH2O中六配位铝的相对含量随着水化龄期的增长而增大[10]。由此可知, 当胶凝体系中没有石膏时赤泥-煤矸石物料溶出的AlO2-离子参与水化反应, 与溶液中的Ca2+和OH-反应生成Ca3Al2O6xH2O, 在此过程中四配位铝转变为六配位, 且随着水化的进行Ca3Al2O6xH2O的生成量增多。其反应方程式可表示为

AlO2-+2OH-+2H2O=[Al(OH)6]3-

2[Al(OH)6]3-+3Ca2++(x-6)H2O

=Ca3Al2O6·xH2O

当胶凝材料体系中含有石膏时石膏遇水后迅速溶出Ca2+和SO42, 于是式1中形成的[Al(OH)6]3就与溶液中的Ca2+和SO42结合生成钙矾石。其反应方程式可表示为

AlO2-+2OH-+2H2O=[Al(OH)6]3-

2[Al(OH)6]3-+6Ca2++3SO42-+26H2O=

Ca6Al2(SO4)3(OH)12·26H2O

随着水化龄期的增长赤泥-煤矸石物料逐渐解聚, 并不断地释放出AlO2-离子。这些离子与液相中的Ca2+和SO42将持续反应, 从而使硬化体中钙矾石的数量增多。值得注意的是, 图1和图2中在2θ介于25°~38°之间均存在一弥散峰, 表明水化产物中存在部分结晶状态较差的铝硅酸盐凝胶类物质。

2.2 IR分析

图3给出了O试样3 d、28 d和90 d硬化浆体的IR谱图。由图3可见, 中心位于3452 cm-1的宽大吸收谱带表征Si-OH的伸缩振动, 1640 cm-1位置的吸收谱带为H2O的弯曲振动。随着水化龄期的增长自由水通过参与水化反应逐渐转变为结晶水。从图中可见, 从3 d到90 d, 1640 cm-1处的吸收峰逐渐增强。谱图中1482 cm-1位置的吸收峰为CO32的特征吸收谱带, 1425 cm-1位置为C-S-H凝胶的一个吸收峰。随着水化龄期的增长1425 cm-1处的吸收峰逐渐增强, 表明硬化浆体中C-S-H凝胶的数量相应增多。值得注意的是, 中心位于975 cm-1的吸收峰为表征C-S-H凝胶中Si-O-Si的非对称伸缩振动谱带。在水化产物中876 cm-1位置出现的弱小吸收峰表征Si-OH的弯曲振动[12], 460 cm-1位置为石英的特征谱带, 表征Si-O弯曲振动。

图3   O试样不同水化龄期硬化浆体的IR谱图

Fig.3   IR spectra of the hydrated pastes of sample O at different hydration days

图4和5分别给出了A试样、B试样不同龄期硬化浆体的IR谱图。基于O、A、B试样都为赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料, 三者水化产物的IR谱图较为相似。由图3、图4和图5中均可发现, 随着水化反应的进行表征C-S-H凝胶的876 cm-1处吸收峰逐渐明显, 且975 cm-1位置的宽大吸收谱带逐渐锐化。这说明, 随着水化龄期的增长C-S-H凝胶有趋于结晶的趋势。

图4   A试样不同水化龄期硬化浆体的IR谱图

Fig.4   IR spectra of the hydrated pastes of sample A at different hydration days

图5   B试样不同水化龄期硬化浆体的IR谱图

Fig.5   IR spectra of the hydrated pastes of sample B at different hydration days

图6给出了O、A、B试样3 d水化产物中波数位于4000 cm-1~3000 cm-1的IR谱图。随着振动基团数量的增加表现在IR谱图中该基团的透过率将降低, 因此可根据谱图中3452 cm-1处透过率的大小来判断水化产物中Si-OH基团相应数量的高低。由图6可见, 水化3 d时O、A、B试样中表征Si-OH基团的伸缩振动谱带的透过率分别为15.66%、17.25%、23%, 呈升高趋势。由此可知, 在水化初期, O试样(Ca/Si比为0.95)的水化产物中Si-OH基团较多, 而B试样(Ca/Si比为1.13)的水化产物中Si-OH基团较少。

图6   O、A、B试样3 d水化产物中波数位于4000 cm-1~3000 cm-1的IR谱图

Fig.6   IR spectra (wavenumbers between 4000cm-1 and 3000 cm-1) of hydrated pastes of samples O, A and B at 3 days

图7给出了O、A、B试样90 d水化产物中波数位于4000 cm-1~3000 cm-1的IR谱图。从图7可见, 水化90 d时O、A、B试样中表征Si-OH基团的伸缩振动谱带的透过率分别为30.95%、31.17%、23.38%。相对于3 d水化产物, B-90 d试样中Si-OH伸缩振动谱带的透过率变化不大, 而O-90 d和A-90 d试样中Si-OH伸缩振动谱带的透过率明显增高。这些结果说明, 水化90天时B试样(Ca/Si比为1.13)的水化产物中Si-OH基团的数量没有发生明显变化, 而O试样(Ca/Si比为0.95)和A试样(Ca/Si比为1.04)中Si-OH基团的数量则显著减少。这表明, 随着水化反应的进行在Ca/Si比较低的体系中Si-OH基团之间易发生聚合反应, 水化产物的聚合度升高, 从而降低了水化产物中Si-OH基团的数量。由此可以推断, 在水化后期, 随着胶凝材料Ca/Si比的降低水化产物的聚合度将增大。

图7   O、A、B试样90 d水化产物中波数位于4000 cm-1~3000 cm-1的IR谱图

Fig.7   IR spectra (wavenumbers between 4000 cm-1 and 3000 cm-1) of hydrated pastes of samples O, A and B at 90 days

2.3 TG-DTA分析

图8、图9和图10分别给出了O、A、B试样28 d硬化浆体的TG-DTA曲线, 可见在三试样的差热曲线上均出现三个主要吸热峰。中心位于120℃左右的宽大吸热峰为水化产物中C-S-H凝胶和钙矾石的分解吸热峰, 450℃左右的吸热峰对应于Ca(OH)2的分解, 718℃左右出现的吸热峰为CaCO3分解所引起。O试样和A试样的28 d硬化浆体中表征Ca(OH)2分解的吸热峰极为弱小, 而B试样中表征Ca(OH)2分解的吸热峰相对来说比较明显, 说明O和A的水化样中Ca(OH)2的数量较少, 而B试样中形成Ca(OH)2的数量相对较多。从三试样的热重曲线可见, 70℃-400℃之间O、A、B的28 d水化试样的质量损失分别为7.87%、7.48%和7.62%, 该温度区间的质量损失主要由C-S-H凝胶和钙矾石脱水所致, 可间接反映出不同试样中这两种水化产物含量的高低。三试样在400℃-475℃温度区间的质量损失分别为0.99%、0.98%和1.28%, 对应Ca(OH)2含量分别为4.07%、4.03%和5.26%。由此可以看出, 由于B试样的熟料掺量相对较高, 其28 d硬化浆体中生成的Ca(OH)2含量明显比O试样和A试样的高。

图8   O试样28 d硬化浆体的TG-DTA曲线

Fig.8   TG-DTA curves of hydrated pastes of sample O at 28 days

图9   A试样28 d硬化浆体的TG-DTA曲线

Fig.9   TG-DTA curves of hydrated pastes of sample A at 28 days

图10   B试样28 d硬化浆体的TG-DTA曲线

Fig.10   TG-DTA curves of hydrated pastes of sample B at 28 days

由TG分析可得出不同龄期硬化浆体中C-S-H凝胶和钙矾石的质量损失, 及Ca(OH)2的质量损失, 然后根据其质量损失可反映出水化产物的含量随水化龄期的变化。图11给出了O、A、B试样不同水化龄期C-S-H凝胶和钙矾石的质量损失。由图11可见, 从水化1 d至90 d, C-S-H凝胶和钙矾石这两种主要水化产物的含量基本呈增长趋势, 这确保了赤泥-煤矸石基胶凝材料强度的发展。水化21 d内, O试样中C-S-H凝胶和钙矾石的含量比A试样和B试样的低。其原因是, 在水化早期主要是熟料的水化反应, 即一次水化反应起主导作用, 而O试样中熟料的掺量在三者中最低, 因此其水化早期产生的C-S-H凝胶和钙矾石的数量相对A试样和B试样来说较少。随着水化的进行赤泥-煤矸石物料的火山灰反应, 即二次水化反应逐渐起主导作用, 而O试样中赤泥-煤矸石物料的掺量相对较高, 其二次水化反应生成的C-S-H凝胶和钙矾石的数量迅速增加。这从图11中O试样在21~28天之间C-S-H凝胶和钙矾石的质量损失快速升高可以得到验证, 也说明O试样在21~28天之间发生了明显的二次水化反应。

图11   O、A、B试样不同龄期C-S-H凝胶和AFt的质量损失

Fig.11   Mass loss of C-S-H gel and AFt of samples O, A and B at different hydration days

图12给出了O、A、B试样不同水化龄期Ca(OH)2的质量损失。从图12可见, 从水化1 d至90 d, O、A、B三试样的硬化浆体中Ca(OH)2含量均呈现先升高后降低的趋势。龄期相同, 三试样的硬化浆体中Ca(OH)2含量由高到低的排序为: B>A>O。这与其体系中熟料的掺量有关, 而这种Ca(OH)2含量的差异在水化早期(21 d内)尤为明显。在水化过程中, 一次水化反应促使Ca(OH)2的生成量增加, 而二次水化反应需消耗Ca(OH)2。当赤泥-煤矸石物料进行二次水化反应所消耗的Ca(OH)2量大于一次水化反应生成的Ca(OH)2量时, 硬化浆体中Ca(OH)2的含量就降低。

图12   O、A、B试样不同龄期Ca(OH)2的质量损失

Fig.12   Mass loss of Ca(OH)2 of samples O, A and B at different hydration days

2.4 MIP分析

表4给出了采用压汞法(MIP)所测得的O、A、B试样水化90 d硬化浆体的总孔体积、孔隙率和孔径分布(体积分数)。由表4可见, 水化90 d时O、A、B三试样硬化浆体的总孔体积由大到小的排序为: O>A>B, 其中O试样的孔隙率较高, B试样次之, 而A试样的孔隙率最低。根据孔径分布情况, O试样和A试样硬化浆体中小于10 nm的凝胶孔及10-50 nm的中等毛细孔较多, 说明O、A试样的孔径较为细化, 浆体中小孔数量较多。这有利于改善硬化体的收缩和徐变等宏观性能, 并提高其强度和耐久性。相对于O试样和A试样, B试样硬化浆体中50 nm-1 μm的大毛细孔与大于1 μm的大孔含量较高, 说明其孔径较为粗化, 对其孔结构的发展有不利影响。

表4   O、A、B试样水化90 d硬化浆体的孔结构

Table 4   Pore structure of the hardened pastes of samples O, A and B hydrated for 90 days

SampleTotal pore volume
(mL/g)
Porosity
(%)
Pore size distribution (%)
<10 nm10~50 nm50 nm~1 μm>1 μm
O0.219934.6027.8851.3418.012.77
A0.186129.4428.7556.8012.202.26
B0.178532.9224.4340.0028.806.78

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图13给出了O、A、B试样不同龄期硬化浆体的平均孔径分布, 此处的平均孔径均为平均孔直径。由图13可见, 无论水化龄期如何, B试样硬化浆体的平均孔径均大于O试样和A试样。水化7 d内O、A、B三试样硬化浆体的平均孔径都比较大, 水化28d时, 硬化体孔隙中生长了大量AFt[13]使三试样硬化浆体的平均孔径均大幅度降低。水化28 d后O和A试样的平均孔径有所波动, 但变动的幅度不大。B试样由于孔隙中部分AFt逐渐转变为AFm[13], 使其结构的致密度变差, 平均孔径随着水化龄期的延长回升幅度较大, 这与上述表4中所发现的B试样90 d硬化浆体的孔径粗化一致。

图13   不同水化龄期硬化浆体的平均孔径

Fig.13   Average pore size of hardened pastes at different hydration days

将孔径分布曲线的斜率dV/dlgd对lgd作图, 可得到孔径分布微分曲线。微分曲线上的峰值对应的孔径叫做最可几孔径, 即出现几率最大的孔径。图14给出了O、A、B试样不同龄期硬化浆体的最可几孔径分布。由图14可见, 从3 d到90 d, 不论水化龄期如何, B试样水化浆体的最可几孔径均保持在50 nm左右。随着水化龄期的增长, A试样水化浆体的最可几孔径从3 d时的50.3 nm细化为26.5 nm左右。水化早期(7 d前), 由于赤泥-煤矸石物料的填隙作用, O试样中赤泥-煤矸石物料的掺量较高, 其浆体的最可几孔直径在三者中达到最小值, 28 d后O和A试样水化浆体的最可几孔径相当, 均保持在26.5 nm左右。综合来看, 由于O试样和A试样的Ca/Si比值(分别为0.95、1.04)接近于1, 都具有较好的且相似的孔结构, 而B试样的Ca/Si比值(1.13)与1的差距较大, 其孔径较为粗化, 孔结构较差。

图14   不同水化龄期硬化浆体的最可几孔径

Fig.14   The most probable pore size of hardened pastes at different hydration days

3 结论

1. 赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料的水化产物主要为C-S-H凝胶、钙矾石和Ca(OH)2, 前两者对强度的发展起积极的促进作用。水化1 d-90 d Ca(OH)2含量呈现先升高后降低的趋势。

2. 随着水化反应的进行在Ca/Si比较低的赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料中Si-OH基团之间易发生聚合反应, 水化产物的聚合度升高, 从而降低了水化产物中Si-OH基团的数量。

3. Ca/Si比为0.95和1.04的赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料的硬化浆体具有较好的孔结构, 而Ca/Si比为1.13的胶凝材料孔径较为粗化, 其孔结构较差。


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