【摘 要】
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碱矿渣水泥是一种具有优良力学性能、抗冻性能和抗化学侵蚀性能的新型胶凝材料,其开发应用符合经济社会可持续发展方向,具有良好的应用前景。碱矿渣水泥浆体的粘度较大,传统的减水剂在该体系中作用效率极低甚至失效是制约其应用发展的关键技术问题之一,深入开展碱矿渣水泥浆体塑化性能研究是解决上述问题的核心基础。因此,研究碱矿渣水泥浆体塑化性能,揭示碱矿渣水泥浆体流变行为机制并提出相应的改善措施对提高碱矿渣水泥浆体
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碱矿渣水泥是一种具有优良力学性能、抗冻性能和抗化学侵蚀性能的新型胶凝材料,其开发应用符合经济社会可持续发展方向,具有良好的应用前景。碱矿渣水泥浆体的粘度较大,传统的减水剂在该体系中作用效率极低甚至失效是制约其应用发展的关键技术问题之一,深入开展碱矿渣水泥浆体塑化性能研究是解决上述问题的核心基础。因此,研究碱矿渣水泥浆体塑化性能,揭示碱矿渣水泥浆体流变行为机制并提出相应的改善措施对提高碱矿渣水泥浆体工作性和拓展碱矿渣水泥高效应用具有重要意义。针对碱矿渣水泥浆体粘度较大的主要问题,本文研究了碱组分对碱矿渣水泥浆体流变性的影响,采用电泳法、薄层渗透法、接触角法及旋转摩擦法等分析了碱矿渣水泥浆体中矿渣表面荷电特征、固/液表面能量特征及碱组分溶液摩擦系数,研究了颗粒间静电斥力、范德华引力、路易斯酸碱作用力及摩擦作用对浆体流变性的影响,揭示了碱矿渣水泥浆体的流变机理。在此基础上,通过掺入低引力矿物掺合料、路易斯酸及表面活性剂等调控碱矿渣水泥浆体的流变性。采用FTIR、XRD和TEM等测试方法分析了表面活性剂在碱组分溶液中的分子结构稳定性及形貌特征,并结合表面活性剂在碱组分溶液中的扩散情况,分析了表面活性剂效率降低的原因,提出了路易斯酸改善表面活性剂作用效率的措施。通过研究路易斯酸对碱组分中水结构及硅结构的影响,揭示了其改善机理。通过上述研究,揭示的主要规律如下:(1)碱组分的种类及掺量对碱矿渣水泥浆体的流变行为有显著的影响。相同碱当量条件下,以Na OH为碱组分时,浆体的屈服应力大于水玻璃为碱组分时的屈服应力,但塑性粘度更低;随着碱当量增加,浆体的屈服应力呈降低趋势,塑性粘度呈增加趋势,其原因主要表现在两方面:第一,切向上颗粒间低的摩擦作用减小了浆体的屈服应力。水玻璃溶液的摩擦系数比Na OH溶液的更低;在6%范围内增加碱当量,碱组分溶液的摩擦系数降低。较低的摩擦系数增加了颗粒间的润滑作用,降低了浆体的屈服应力。第二,法向上颗粒间高的凝聚作用增加了浆体的塑性粘度。碱矿渣水泥浆体中颗粒间凝聚作用主要是路易斯酸碱作用力和范德华引力,碱组分溶液中较高的离子强度严重压缩了双电层,导致双电层不重叠,静电斥力难以产生。碱组分溶液极性较强并且表面能的路易斯碱分量极大,浆体中颗粒间范德华引力和路易斯酸碱作用力较大。此外,水玻璃溶液中大量的胶团结构也会增加颗粒间的凝聚作用。(2)采用低表面能的矿物掺合料替代矿渣有利于减小浆体中颗粒间的作用力,从而改善浆体的流变性。其中降低粉料表面能的非极性分量使其与碱组分溶液表面能的非极性分量更接近可以降低浆体中颗粒间的范德华力;降低粉料表面能的路易斯碱分量可以减小浆体中颗粒间的路易斯酸碱作用力。萤石粉和锂渣粉的总表面能、表面能的非极性分量和路易斯碱分量均比矿渣的更低,掺入萤石粉和锂渣粉等矿物掺合料能降低碱矿渣水泥浆体中颗粒间的作用力,增加颗粒的分散程度,从而降低浆体的屈服应力和塑性粘度,改善浆体的流变性能,但萤石粉和锂渣粉的掺入会降低碱矿渣水泥砂浆的力学性能。(3)碱组分溶液表面能的路易斯碱分量极强导致碱矿渣水泥浆体中颗粒间路易斯酸碱作用力极大是浆体塑性粘度较大的重要原因,削弱碱组分溶液表面能的路易斯碱分量能有效降低浆体中颗粒间作用力,从而改善浆体的流变性。在0.6%掺量范围内掺入硝酸钡、硼砂和硼酸锌等路易斯酸削弱了碱组分溶液表面能的路易斯碱分量,从而降低了浆体中颗粒间的路易斯酸碱作用力,改善了浆体的流变性。路易斯酸具有一定的缓凝效果,能降低碱矿渣水泥砂浆3d的力学性能,但对28d力学性能影响不明显。(4)萘系减水剂在碱矿渣水泥浆体中分子结构保持稳定,其对浆体流动性的提升效果随碱当量的增加而降低,且碱组分碱性越强减水剂作用效果降低程度越大。究其原因,碱组分能促进萘系减水剂分子的胶束化,从而降低减水剂的溶解性。碱组分碱性越强减水剂胶束结构越致密,减水剂溶解性降低越大。另一方面碱组分溶液粘度较高,降低了萘系减水剂在溶液中的扩散性能。减水剂溶解性和扩散性降低导致其作用效果降低。在0.15%掺量范围内掺入硝酸钡溶液可显著提高萘系减水剂的作用效果,其原因在于Ba2+可水玻璃溶液中的Si O(OH)3-反应,降低了溶液中水的氢键化程度和不饱和硅酸基团的含量,能有效改善碱矿渣水泥浆体中减水剂的溶解性和扩散性。
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