低碱度水泥基材料固化模拟放射性焚烧灰性能与机理研究

放射性焚烧灰中存在铝单质金属,其在碱激发水泥或硅酸盐水泥的高碱性孔溶液环境下会反应产生氢气,造成固化体膨胀与性能劣化。为克服此问题,本研究以水泥、硅灰和粉煤灰为主要原料,添加沸石、聚羧酸减水剂、定优胶和聚合硫酸铝协同改性制备低碱度水泥基材料,开展低碱度水泥基材料对模拟放射性焚烧灰的固化处置研究。结果表明:模拟放射性焚烧灰质量包容量为30%的低碱度水泥基材料固化体的28 d抗压强度达16.6 MPa以上,抗冻融性能、抗浸泡性能及抗冲击性能均满足GB 14569.1—2011《低、中水平放射性废物固化体性能要求-水泥固化体》的要求。Ce³⁺第42 d浸出率为4.41×10^-9 cm/d,累计浸出分数为3.4×10^-7 cm。低碱度水泥基材料固化模拟放射性焚烧灰过程中未产生大量氢气,其原因是,在早期孔溶液pH值较低,同时孔溶液中的高钙离子浓度延缓了焚烧灰中的单质铝与孔溶液发生反应释放氢气的速度,在后期孔溶液pH值低于11.75,焚烧灰中的单质铝不会与孔溶液发生反应。     

煤矸石对硅酸盐水泥水化历程的影响

从强度、反应程度、孔溶液碱度和SEM等方面,研究了煤矸石作为水泥辅助胶凝材料的水化情况,并与Ⅱ级粉煤灰进行比较。试验结果表明:煤矸石发生火山灰反应时间比粉煤灰早,且发生火山灰反应所需的碱度值比粉煤灰低;掺煤矸石水泥水化样的早期抗压强度比粉煤灰水泥水化样低,但7d到28d强度增长速率明显大于相同掺量的粉煤灰水泥,相同28d抗压强度的条件下,煤矸石掺量比粉煤灰的掺量高10%。     

海水环境下矿物掺合料对硫铝酸盐水泥的水化影响

研究了海水环境下掺入硅灰、粉煤灰、矿渣对硫铝酸盐水泥抗压强度、化学收缩和水化产物的影响规律.结果表明:当硅灰的掺量为2.5%时,水泥浆体的抗压强度比空白组高.矿渣掺量为10%的水泥浆体28 d抗压强度明显超过掺入硅灰和粉煤灰时的强度,60 d强度高于空白组.掺入2.5%硅灰后,水泥浆体的化学收缩增大;在水化早期,粉煤灰和矿渣的火山灰活性很低,导致水泥浆体的化学收缩降低.掺入10%硅灰加快了硫铝酸盐水泥3 d水化反应,钙矾石生成量增多,水泥浆体早期强度比掺其它掺合料有所提高,但体积过快膨胀会破坏其内部结构,对水泥浆体的强度发展不利.     

超硫酸盐水泥早期强度影响因素及提高途径

超硫酸盐水泥是一种环境友好的材料,具有水化热低、抗蚀性能好、后期强度高等诸多优点,但存在早期强度低等缺陷。本文综述了超硫酸盐水泥早期强度影响因素及提高途径的研究进展,并对今后的研究方向进行了展望。矿渣活性、硫酸盐浓度,尤其是碱度,是影响该水泥早期强度的关键因素。通过选用活性较高的矿渣和溶解特性合适的石膏,使用具有控制碱度和促进矿渣溶解作用的添加剂等途径,可以有效提高该水泥早期强度。如何控制合适的碱度,进而控制水化产物的形成速率、形态和比例,是值得以后侧重研究的方向。     

城市生活垃圾焚烧灰渣胶凝活性的初步研究

介绍了利用城市垃圾焚烧底灰和飞灰制备新型辅助性胶凝材料的初步试验研究工作。研究结果表明：焚烧底灰和飞灰均可不同程度地延缓水泥的凝结硬化，但两者都具有一定的胶凝活性；与焚烧底灰相比，焚烧飞灰的活性较好，但在水泥中的掺量不宜过大；与矿渣复合可改县焚烧飞灰的胶凝活性，提高水泥浆体的强度；焚烧飞灰宁的重金属可被固化于水泥水化产物中，不会对环境造成危害，通过一定的技术措施有望将焚烧飞灰开发成一种新型水泥基材料组分应用于建筑工程。     

超细磷渣粉对水泥性能的影响

为了研究超细磷渣粉对水泥性能的影响,测试了普通磷渣,4 μm、2μm超细磷渣-水泥复合胶凝材料的标准稠度用水量、凝结时间、水化热、胶砂抗压强度.结果 表明:与纯水泥相比,超细磷渣掺入使复合胶凝材料标准稠度用水量增大5.6％～12.6％,凝结时间延长;普通磷渣-水泥复合胶凝材料相比于纯水泥水化速率缓慢,第二水化放热峰时间延迟8.26h;超细磷渣-水泥复合胶凝材料相比于普通磷渣-水泥复合胶凝材料水化放热速率增大,第二水化放热峰提前5.5h,超细磷渣-水泥复合胶凝材料120 h水化放热总量接近纯水泥;超细磷渣-水泥复合胶凝材料3d、7d抗压强度与水泥胶砂强度持平,28 d抗压强度超过水泥胶砂强度.超细化处置可增强磷渣的活性,促进磷渣本身的火山灰反应,提高水泥基材料性能,对实现磷渣的资源化利用具有重要意义.     

水泥-硅灰/粉煤灰体系强度、收缩性能与微观结构研究

为研究硅灰及粉煤灰对不同养护龄期的水泥浆体强度及收缩性能的影响,以水胶比为0.29的水泥浆体为基体,设计制备了五种硅灰及粉煤灰掺量的复合水泥浆体,借助量热仪和压汞仪测试表征了不同复合水泥浆体的水化放热特性以及孔结构组成,分析了水化放热量、孔隙率等参数随硅灰和粉煤灰掺量增加的变化规律,建立了复合浆体抗压强度与孔结构以及水化特性与收缩应变之间的量化关系。结果表明,掺入粉煤灰会大幅降低水泥净浆早期抗压强度,但对减小自收缩应变和干缩应变极为有利。掺入硅灰能明显提高净浆3 d抗压强度,但当硅灰掺量超过10%(质量分数)后,净浆3 d自收缩应变及28 d干缩应变增加极为明显。掺入硅灰会使水泥水化诱导期开始和结束的时间提前,还会增加水化反应级数和各阶段的反应速率常数值,导致水泥-硅灰复合浆体的水化放热总量和放热速率相较于水泥-粉煤灰体系大幅增加。粉煤灰和硅灰的掺入均能有效细化水泥浆体内部孔结构,提高凝胶孔比例,大幅降低大孔比例。复合浆体的72 h水化放热总量和3 d自收缩应变呈现正相关关系,而孔隙率和抗压强度呈现明显的负相关关系。     

防腐阻锈剂和矿物掺合料对复合胶凝材料性能与水化特性的影响

通过水泥胶砂强度和水化热试验对不同替代水泥量的防腐阻锈成分、粉煤灰、矿渣粉三种活性掺合料进行了SEM、XRD衍射分析,观察其水化形貌及特性。试验结果表明:单掺防腐阻锈剂、双掺矿物掺合料都有利于提高水泥胶砂的抗压强度、降低水泥水化速率,但后者因早期水化慢会降低砂浆早期强度;三者复合后,进一步降低了水泥早期水化放热速率,避免了胶凝材料水化的集中放热,使胶砂56 d抗压强度高于基准组8 MPa。通过SEM水化产物结构形貌分析和XRD衍射图谱可知:防腐阻锈成分的掺入对矿物掺合料实现了碱改性,促进了矿物掺合料的二次水化,提高了砂浆或混凝土的强度及耐久性。     

热养护对大体积混凝土不同活性矿物掺合料早期水化性能的影响

研究了大体积混凝土中粉煤灰和矿粉在热养护条件下对水泥早期抗压强度的影响,并通过水化热、XRD以及TGA等技术手段阐述了水化反应过程。结果表明：常温时,粉煤灰和矿粉加入均会大幅度降低早期强度;热养护时,粉煤灰-水泥体系的早期强度仍远低于空白组;但随着矿粉用量的增加和热养护温度的升高,体系早期强度与空白组的差距逐渐减小;50℃养护时,矿粉-水泥体系的早期强度高于空白组。这说明在热激发条件下,粉煤灰的早期火山灰反应仍然有限,但矿粉的早期水化活性显著提高,通过火山灰反应和自水化反应完成水化产物的积累。     

高掺量矿渣水泥与普硅水泥的水化进程对比研究

针对高掺量矿渣水泥与普硅水泥不同龄期时强度及水化机理的差异,测试分析了普硅水泥浆体(编号PC)和掺60％矿渣粉的水泥浆体(编号SC)各龄期强度及强度发展系数,并对比了两组试样早期水化放热速率,各龄期水化产物相及孔结构的变化.结果表明:SC试样3d、7d强度仅为25.6 MPa、39.5 MPa,分别低于同龄期PC试样13.3MPa及8.3 MPa;28 d、90d强度分别为55.7 MPa、59.6 MPa,高于同龄期PC试样3.5 MPa及2.2 MPa.两种水泥浆体早期强度主要受早期水化放热速率、孔结构分布特征的影响,后期高掺量矿渣水泥强度发展的优势在于:矿粉颗粒的填充效应以及二次火山灰活性,使其浆体形成了更多的水化产物,孔结构更加致密,有利于浆体强度的提高.     

Packing effect and pozzolanic reaction of fly ash in mortar

This research is to study the effect of particle size of fly ash on packing effect and pozzolanic reaction of mortar when 20% of fly ash is used to replace Portland cement type I. Both effects can be determined by using fly ash and insoluble material which have almost the same particle size to replace Portland cement type I. Normally, the compressive strength of fly ash mortar is contributed from hydration reaction, packing effect, and pozzolanic reaction. For mortar mixed with insoluble material, the compressive strength is due to hydration reaction and packing effect. Thus, compressive strength due to pozzolanic reaction can be determined from the difference in compressive strength between fly ash mortar and insoluble material mortar. The results show that the strength activity index of fly ash mortar depends on the median particle size of fly ash and curing ages of mortar samples. At early ages, the strength activity index of fly ash mortar due to packing effect is higher than that due to pozzolanic reaction. At the ages of 3 to 90 days, the difference in strength activity index due to packing effect of fly ashes with median particle size of 2.7 and 160 μm is almost constant about 22% of the strength of standard mortar (STD). The differences in strength activity index due to pozzolanic reaction of fly ashes with median particle size of 2.7 and 160 μm are 3%, 20%, and 27%, respectively, at the ages of 3, 28, and 90 days.     

矿渣-粉煤灰混合材料水化产物、微观结构和性能

用X射线衍射仪和扫描电子显微镜等对矿渣、粉煤灰混合材料的水化产物、硬化体微观结构及强度进行了检测和分析,确定了水化产物的组成及微观结构特点,揭示了矿渣粉煤灰材料的水化作用特点及强度特征.结果表明:矿渣在激发剂作用下使玻璃体首先发生表面水解,产生水化反应,进而引发粉煤灰的火山灰作用;混合材料的水化产物组分以水化硅酸钙凝胶为主,硬化体具有与油井水泥相类似的网络状微观结构;随养护时间增长,混合材料后期强度持续增加.     

磷渣对水泥浆体水化性能和孔结构的影响

通过对水泥浆体凝结性能、水化放热、力学性能和孔结构的测定,以及扫描电镜分析和差热-热重分析,研究了不同掺量磷渣对水泥浆体水化性能和微观结构的影响.结果表明:随着磷渣掺量的增加,浆体的凝结时间延长,水化热减少,早期抗压强度下降.但掺磷渣水泥浆体的后期抗压强度已接近或超过了纯水泥浆体的,磷渣掺量的增加对水泥浆体的后期抗压强度影响不显著.浆体中的Ca(OH)2量随龄期的延长而增加并随磷渣掺量的增加而降低.磷渣的活性效应和填充效应的发挥有效地改善了浆体水化后期的微观结构和孔结构,从而使浆体的力学性能有所提高.     

粉煤灰与矿渣的早期火山灰反应放热行为及其机理

针对大体积混凝土绝热温升计算中粉煤灰与矿渣的火山灰反应放热问题,利用微量热仪法测试了不同掺量粉煤灰和矿渣对水泥水化热及放热速率的影响规律,分析了粉煤灰和矿渣水化3d以前的火山灰反应放热行为,采用X射线衍射与差示扫描量热–热重法研究了粉煤灰与矿渣对水泥早期水化及其火山灰放热行为的影响机理。结果表明：粉煤灰与矿渣水化3d时火山灰反应热分别约为3～5J/g和15～16J/g。粉煤灰对水泥水化的阻碍作用在水化24h前最为明显,其火山灰效应主要发生于水化24h之后;矿渣对水泥水化有促进作用,自加水开始即表现出一定的火山灰效应。粉煤灰与矿渣掺入后有助于水泥水化产物中钙矾石的稳定,钙矾石抑制了水泥水化,Ca（OH）2生成量减少,因而粉煤灰与矿渣的火山灰反应也受到影响。     

矿物掺合料对蒸养水泥净浆性能的影响

研究了蒸养条件下粉煤灰、矿渣的掺量对水泥净浆化学结合水量和抗压强度的影响,揭示了矿物掺合料对蒸养水泥净浆水化性能和力学性能的影响。试验结果表明,与标准养护相比,蒸汽养护更有利于激发粉煤灰和矿渣的火山灰活性,促进水泥的早期水化,提高水泥浆体的早期强度;但无论是蒸汽养护还是标准养护,随着矿物掺合料掺量的增加,复合胶凝材料的水化性能和力学性能明显减弱,因此矿物掺合料掺量不宜太大。     

Oil cracking waste catalyst as an active pozzolanic material for superplasticized mortars

Superplasticized mortars containing waste catalyst (EPcat) have been characterized. This waste catalyst comes from catalytic crackers of oil companies. It consists mainly of silicon oxide and aluminum oxide, and shows some amorphous structure. Test results indicate that more superplasticizer or water is required for maintaining the workability of mortars incorporating EPcat. Nevertheless, mortars with EPcat exhibit greater compressive strength than those without. The strength improvement could be attributed to high pozzolanic activity of the waste catalyst. One evidence is that earlier temperature rise was observed in EPcat mortars during hydration than plain ones. Besides, the microstructure analysis indicates that both ettringite and monosulfoaluminate were produced in the early curing period of EPcat mortars. These confirm that EPcat could accelerate the cement hydration by inducing a pozzolanic reaction between the catalyst and calcium hydroxide, the cement hydrated product.     

粉煤灰水泥基材料的水化产物

用热重仪-差示扫描量热仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线能量散射、高分辩电子显微镜、压汞仪,测定了粉煤灰水泥基材料水化产物的形貌特征、微观结构、化学组成及水泥石的孔结构,讨论了水化产物性质及水泥石孔结构随粉煤灰掺量的变化规律。结果表明：粉煤灰的大量掺加,可以改善凝胶的化学组成。水化后期,粉煤灰与Ca(OH)2及由熟料水化生成的高n(Ca)／n(Si)的水化硅酸钙(C—S—H)凝胶发生二次水化反应,生成低n(Ca)／n(Si)的C—S—H凝胶,此种凝胶的固碱能力强,可减少碱-集料反应的危害性。同时,二次水化产物能够填充那些对水泥石强度和耐久性极为不利的孔隙空洞,使水泥石的结构更加致密,优化水泥石的孔结构,对提高水泥基材料的耐久性作用极大,为进一步提高工业废渣利用的技术水平奠定了基础。     

纳米二氧化硅对玻璃粉水泥体系水化硬化的影响

利用X射线衍射、扫描电镜及力学性能测试等手段研究了纳米SiO2对玻璃粉水泥体系水化硬化的影响,结果表明:纳米SiO2促进了水泥早期溶解,提高了复合体系碱度,有利于玻璃粉内部高能键(Si-O,Al-O)断裂,从而提高复合体系中玻璃粉早期水化程度;纳米SiO2对材料凝结硬化的促进作用较大程度上缓解了掺玻璃粉体系早期性能发展不足的缺陷;纳米SiO2的微集料效应,改善了玻璃粉水泥浆的微观结构,使得硬化浆体更为密实;纳米SiO2的促凝作用可显著缩短复合体系凝结时间,大幅度提高其早期强度,但掺纳米SiO2的复合胶凝材料强度存在一个极值,而5%纳米SiO2为其最佳掺入量.