胶凝材料理论分析.docx

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1、胶凝材料理论分析1思路比较粉煤灰和矿粉比为I：2和3：7两种比例的好坏，首先利用Aim和GOiT模型对两种比例下胶凝材料初始状态的物理堆积密实度进行比较，堆积密实度大的较优。然后对两种比例下的产物Ca(OH)2量和水化产物量进行比较，Ca(OH)2量越少越优，水化产物的量越多越优。2原材料参数表2-1原材料参数材料化学参数物理参数SiO2(%)A12O3(%)平均粒径d(urn)堆积密度。T(kgm3)表观密度QF(kgm3)水泥(C)-2013003160矿粉(SP)36.7411.453100O2910粉煤灰(F)55.3218.0967901060注：水泥、矿粉表观密度由厂商提供。矿粉和

2、粉煤灰的化学参数由华润水泥厂检测。其余为网上数据。表2-2水泥熟料化学组成化合物名称氧化物成分缩写符号含量(%)硅酸三钙3CaO.SiO2C3S56.31硅酸二钙2CaO.SiO2C2S20.38铝酸三钙3CaO.Ah3C3A7.63铁铝酸四钙4CaO.Al2O3.Fe2O3C4AF10.37注：水泥熟料化学组成由厂家提供。3初始状态物理堆积密度计算由表2-1可知dsPdFdc,所以可以先把矿粉和粉煤灰看成一元体系，再在此基础上按照Aim和Goff模型计算加入水泥后体系的堆积密实度。当Msp：Mf=2:1,此时Msp=3O%,Mf=15%,Mc=55%假设(3-1)(3-2)(3-3)(3-4

3、)Msp=30MMf=15MMc=55M式中：M为为假定的参数矿粉的个数如下公式(3-4)所示：MSPPspf11sp/6粉煤灰的个数如下公式(3-5)所示:(3-5)MfPfdp/6由公式(3-4)(3-5)可知此时矿粉和粉煤灰的个数总和如下公式(3-6)所示:再有下式Nsp&f=Nsp + Nf =MSPMF3 + 3PSPF 4d sp / 6 Pp 7 d p / 6(3-6)_Mspl PJMJ PfNsP&F -；3 /么兀 dsp&F /6(3-7)可以得出矿粉和粉煤灰的平均粒径如下公式(3-8)所示:/6(%J+M%)N. NSP +兀 N卜.(3-8)利用公式(3-8),通过

4、表2-1代入数据可以求出二元体系的平均粒径为3.80 um。将矿粉与粉煤灰看成一元体系，加入水泥按二元体系考虑。对于含有两种粒径颗粒的二元颗粒体系，可用Aim和GOff等人发展的数学模型对其堆积密实度进行 估算。按照该模型,此二元体系中存在一个最大堆积密实度KS且此时尺寸较小的颗粒所对应的体积分数 U产可用下式计算。WJl-(I+09d 他)(12-( l0.9dd2)( I-E2)(3-9)式中：5为小颗粒的平均粒径;ch为大颗粒的平均粒径；Ez为大颗粒材料的空隙率。此处5为矿粉和粉 煤灰的平均粒径;d2为水泥的平均粒径;E2为水泥的空隙率。此时的实际Ul按下式计算UT =M sp/psp

5、+ M fjPfM sp/p sp + M f，Pf + M JPc(3-10)当5C3A、C4AF质量为15.49g、5.60g、2.10g2.85go而C3S、C2SC3A.C4AF的摩尔质量分别为228g/mol、172g/mol、270g/mok486g/moL通过计算可以算出其C3S、C2SC3AC4AF摩尔量为0.068mok0.033mol、0.008moL0.006mok根据上述反应式反应物与产物的摩尔量比，可以计算出水化硅酸钙为0.5X0.068+0.5X0.033=0.05OmOL水化铝酸钙为0.008+0.006=0.014mol,4.3 3第二次水化反应反应机理如下：C

6、a(OH)2+SiO2+mH2O=CaO.SiO2.mH2O(4-5)Ca(OH)2+AI2O3+mH2O=CaO.A2O3.mH2O(4-6)因为C3S的摩尔量为0.068mol在化学反应式中根据化学反应式的系数比(即摩尔量比)可以反应生成Ca(OH)2为0.102mol、C2S的摩尔量为0.033mol在化学反应式根据化学反应式的系数比(即摩尔量比)中可以反应生成Ca(OH)2为0.016mol。所以C3SC2S反应生成的Ca(OH)2共计摩尔量为0.118moL矿粉30g,粉煤灰15g。根据表2-1,矿粉与粉煤灰参与反应的分别为40%和30%,则参与反应的矿粉中SiCh为4.4088g,

7、AI2O3为L374g,粉煤灰中SiCh为2.4894g,AI2O3为0.81405g。其中SiO2的摩尔质量为60gmol,AI2O3的摩尔质量为100g/mol。则矿粉中SiCh为0.073mol,AI2O3为0.014mol,粉煤灰中SiO2为0.041mol,Al2O3为0.008moL所以共有SiO2为0.115mol,Al2O3为0.022moL所以SiO2和AbCh总的为0.137mol0根据上述二次水化反应式，1molCa(OH)2和1molSiO2反应生成1mol水化硅酸钙，水化铝酸钙同理。因此水化硅酸钙和水化铝酸钙的总量由Ca(OH)2的量与SiO2AI2。3总量中较少的决

8、定,且当SQ和Al2O3总量大于Ca(OH)2的量时，认为Ca(OH)2完全反应。因此二次水化反应Ca(OH)2的剩余量为0,水化硅酸钙与水化铝酸钙的量为0.118mol。综合第一次水化反应与第二次水化反应，水化硅酸钙与水化铝酸钙的总量为0.050+0.014+0.118=0.182molO同理，当粉煤灰与矿粉比例为3:7时，即水泥50g,矿粉35g,粉煤灰15g。计算的结果列于下表。5计算结果比较表5-1计算结果对比粉煤灰与矿粉比例物理堆积密实度Ca(OH)2的剩余量(mol)水化硅酸钙与水化铝酸钙的总量(mol)1:20.676O0.1823:70.667O0.166注：表中Ca(OH)2的剩余量和水化硅酸钙与水化铝酸钙的总量均是假设胶凝材料总量为100g时的计算结果。从表5-1可以看出，粉煤灰与矿粉比例为2:1时，相比于比例为3:7时，其物理堆积密度和水化硅酸钙与水化铝酸钙的总量均较大，因此可以判断比例为2:1时更优。