超胶凝水泥制备及水化性能研究

杜巍

摘 要：研究超胶凝水泥的在不同体系的混凝土的应用效果，建立面向混凝土应用的系统体系和关键技术。力学性能相当的情况下，单位体积混凝土中，采用超胶凝水泥和矿粉取代普通水泥，超胶凝水泥掺量为8.33%，水泥用量减少30.00%；采用超胶凝水泥和粉煤灰取代普通水泥，超胶凝水泥掺量为 16.67%，水泥用量减少 25.00%；采用超胶凝水泥、粉煤灰和矿粉取代普通水泥，超胶凝水泥掺量为 8.33%，水泥用量减少 30.00%。研究并分析超胶凝水泥的工业化应用的物料流平衡，并绘制工业化应用流程图，奠定超胶凝水泥应用和推广的理论基础和关键技术。

关键词：超胶凝水泥；制备；水化性能研究

通过对不同掺量微研磨介质对水泥颗粒的影响及能耗分析，C-0 的 D50 为15.45um，微研磨介质处理 5min，掺量为 20%和 30%时，D50 分别为 8.10um 和7.08um，能耗分别为 31.25 千瓦·时和 3571 千瓦·时。对比微研磨介质掺量为20%和30%时分别处理 5min时，颗粒单位粒径减少的能耗分别为4.25千瓦·时/um和4.27千瓦·时/um，选用微研磨介质掺量20%时，对水泥的整形效果好。基于水泥颗粒激光粒度分析的结果，研究固定粉磨时间 5min，表面改性剂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的最佳掺量分别为0.15%、0.025%、0.10%条件下，不同掺量的微研磨介质协同水泥处理与微研磨介质和水泥分别粉磨后混合，两种方式下对水泥水化程度的影响。编号 CS20-1 表示掺量 20%的微研磨介质、0.15%的表面改性剂Ⅰ和水泥混合后粉磨5min。20%S-1 表示掺量20%的微研磨介质与掺0.15%的表面改性剂Ⅰ的水泥分别粉磨5min后混合，其中，-后面的数字分别表示固定掺量的表面改性剂的种类。固定表面改性剂掺量下，水灰比为0.35，分析微研磨介质掺量为20%和30%时，表面改性剂种类对水泥水化 24h 水泥水化程度的影响。与微研磨介质和水泥混合粉磨后，表面改性剂种类对水泥的水化程度影响大小排序：Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ。

而微研磨介质和水泥分别粉磨后，水泥水化程度明显比协同粉磨的低。相同外加剂条件下，掺30%微研磨对水泥整形的水泥水化程度比掺 20%微研磨对水泥整形的水泥水化。单独粉磨水泥与微研磨介质，水泥掺30%的微研磨介质与20%的微研磨介质的水化程度大。微研磨介质本身吸水性差，在相同水胶比条件下研究，其中，掺微研磨介质的量越大，用于水泥水化的水会增加，参与水泥水化反应的实际水胶比会增加。固定微研磨介质的掺量为20%，水灰比为0.3时，研究表面改性剂掺量对水泥水化的影响。表面改性剂Ⅰ促进了水泥的水化，在24h之内所有整形后的水泥的水化程度均明显比C-0高。随着表面改性剂Ⅰ掺量的增加，在相同水化时间内，水泥水化的程度对应增加。其中表面改性剂Ⅰ掺量为0.15%，水泥24h水化程度最高，接近12%。 分析表面改性剂Ⅱ掺量对超胶凝水泥24h水化程度影响。表面改性剂Ⅱ促进了水泥的水化，在24h之内所有整形后的水泥的水化程度均明显比C-0高。随着表面改性剂Ⅱ掺量的增加，在相同水化时间内，水泥水化的程度变化规律不明显。其中表面改性剂Ⅱ掺量为 0.025%，水泥 24h 水化程度最高，接近14%。表面改性剂Ⅲ促进了水泥的水化，在24h之内所有整形后的水泥的水化程度均明显比 C-0 高。

随着表面改性剂Ⅲ掺量<0.10%的时候，随掺量的增加，在相同水化时间内，水泥水化的程度增加当掺量>0.10%时，水化水化程度趋于稳定。其中表面改性剂掺量Ⅲ为0.10%，水泥24h水化程度最高，超过15%。以上分析结果与第四章中不同表面改性剂对分形维数、ζ 电位、剪切应力和黏度的分析，得出以下结论相同：表面改性剂Ⅰ的最佳掺量为0.15%；表面改性剂Ⅱ的最佳掺量为0.025%；表面改性剂Ⅲ的最佳掺量为0.10%。采用两种磨机（SM-500 水泥试验磨，S 和 ZM-2 振动磨，Z）对 C、M 和 CM三种物料（分别为普通水泥、微研磨介质和掺微研磨介质的水泥混合物），通过激光粒度分析、分形维数，研究不同物料颗粒变化，如表5-1所示，C-0的D50为15.45，分形维数D为2.0285。观察球磨机处理的三种物料的激光粒度 D50 和分形维数 D 均出现规律性变化：随处理时间的延长 D50 减小，分形维数 D 增大。而采用振动磨处理的物料的激光粒度 D50 和分形维数 D 变化规律不明显。为便于后期工业化生产，在实验室前期研究基础上，采用球磨机，不采用振动磨对水泥进行处理。根据分析微研磨介质掺量和能耗之间的关系，SCM30%-5min、SCM20%-10min、SCM10%-15min 与 SC-20min 的 D50 接近，颗粒 D50 在 7um左右，能耗分别为 35.71 千瓦·时、62.50 千瓦·时、83.33 千瓦·时和 100 千瓦·时。SCM20%-5min、SCM5%-10min和SC-15min的 D50 接近，颗粒集中在8um，能耗分别为31.25千瓦·时、52.63千瓦·时和75.00千瓦·时。通过分析比较，采用的微研磨介质掺量控制在SCM20%-5min和SCM30%-5min的每吨用电量分别比SC-15min和SC-20min减少43.75 千瓦·时和64.29千瓦·时。根据对水泥颗粒D50 及能耗综合分析，整形时间控制在 5min。1、通过整形方式、整形时间、表面改性剂掺量、微研磨介质掺量及掺入方式的优选，优化超胶凝水泥的制备方案：采用球磨机，整形时间控制在 5min，表面改性剂Ⅰ的最佳掺量为 0.15%；表面改性剂Ⅱ的最佳掺量为 0.025%；表面改性剂Ⅲ的最佳掺量为0.10%，微研磨介质掺量20%，微研磨介质与水泥混合粉磨。 2、对超胶凝水泥粒度进行分析，SA-Ⅰ、SA-Ⅱ、SA-Ⅲ颗粒的 D50 分别为掺入表面改性剂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ后 D50 粒径分别为6.92um、683um、6.85um，均小于7um。观察超胶凝水泥SEM 形貌发现水泥颗粒的形貌更加圆滑，并研究超胶凝水泥凝结时间与标稠用水量，分析超胶凝水泥力学性能。 3、分析超胶凝水泥的水化过程、水化热特点，研究其水化理论，建立超胶凝水泥水化模型，总结超胶凝水泥胶凝性评价方法。微研磨介质在超胶凝水泥浆体中有稀释效应、颗粒级配的改善效应、异相成核的表面效应。表面改性剂在超胶凝水泥中会对水泥颗粒有分散作用，使水泥颗粒发生分散。 4、通过超胶凝水泥水化热、水化产物热分析、化学结合水及水化产物 XRD和SEM 分析水泥的水化程度。

超胶凝水泥的第二个放热峰与普通水泥相比，水化热第一个放热峰峰值均提高 2mW/g，第二个放热峰明显增大 4mW/g 并提前 3h 左右。实验条件下，与普通水泥相比，超胶凝水泥水化 3d 的 Ca（OH）2含量增加 9.99%，化学结合水量增加2.43%，水化程度增加2204%。超胶凝水泥在水化1d的水化程度明显提高19.05%，超胶凝水泥在水化 3d 的水化程度提高 22.04%，水化 180d 的水化程度提高达 21.25%。超胶凝水泥水化产物中 Ca（OH）2的特征衍射峰峰值强度增加，水化产物结构更加致密。