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三乙醇胺和三异丙醇胺对矿渣水泥水化过程的影响

来源:石家庄市海森化工有限公司  日期:2016-08-29 09:00:00  属于:产品技术
文章摘要:采用三乙醇胺和三异丙醇胺作为矿渣水泥的助磨剂,通过测定水的颗粒特性、凝结时间、胶砂强度和化学结合水量,研究不同掺量的助磨剂对矿渣水泥水化过程的影响,并利用X射线衍射和扫描电镜分析,研究矿渣水泥水化产物的物相组成和显微结构。结果表明:两种助磨剂均能显著提高矿渣水泥的水化速率,使水泥浆体中生成更多的水化产物,形成更致密的结构,三异丙醇胺对矿渣水泥的增强效果优于三乙醇胺。
1引言
矿渣水泥具有水化热低,后期强度高,抑制碱集料反应,抗硫酸盐腐蚀等优点,已在大量工程中得到应用。生产矿渣水泥时,由于矿渣的易磨性较熟料的差,共同粉磨时达不到各自的最佳活性粒度,而单独粉磨又会造成大量的能耗,因此在粉磨过程中采用助磨剂来降低粉磨能耗和改善水泥性能。三乙醇胺(Triethanolamine,TEA)和三异丙醇胺(Triisopropanolamine,TIPA)作为常用助磨剂的主要成分,具有很强的极性,能够降低水泥颗粒表面的自由能,防止颗粒团聚,增大颗粒的比表面积,还能加快熟料矿物的水化速率,因此受到国内外学者广泛关注。以往的研究主要集中于醇胺类有机物及其复合改性物对水泥的助磨效果,关于TEA和TIPA对矿渣水泥水化影响机理的研究目前还较少。为此,本实验选取TEA和TIPA作助磨剂,探讨了矿渣水泥在TEA和TIPA作用下的水化过程,为TEA和TIPA在矿渣水泥中的应用提供一定的依据。
三乙醇胺和三异丙醇胺对矿渣水泥水化过程的影响
 
2原材料与方法
2.1原材料
熟料、石膏和矿渣都是采用市场常见的,其化学成分见表1。试验用TEA和TIPA为南京红宝丽生产,TEA纯度大于99%,TIPA纯度大于95%。
2.2试验方法
试验设定0.01%~0.05%五组助磨剂掺量及空白组,如表2所示。将熟料粉、矿渣、石膏按质量分数比65∶30∶5混合均匀。助磨剂用少量去离子水稀释后,均匀点洒在粉料表面,然后倒入500mm×500mm球磨机中粉磨42min,各组样品磨制过程中保持钢球级配和粉磨时间不变。
水泥的细度按照GB/T1345《水泥细度检测方法》测定;比表面积按照GB/T8074《水泥比表面积测定方法》测定;标准稠度用水量和凝结时间按照GB/T1346-2001测定;胶砂强度按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测定。
采用水灰比0.3成型2cm×2cm×2cm矿渣水泥试块,养护至相应龄期后破碎,取试块中央部位用无水乙醇终止水化。用日立S-2500型扫描电镜(SEM)观察试块断面的显微形貌;将试块磨细至通过80μm方孔筛,经50℃真空干燥后,测定粉末的化学结合水量[10];用日本理学D/Max-ⅢA型X射线衍射仪(XRD)分析粉末的物相组成。
3结果与分析
3.1助磨剂对矿渣水泥颗粒特性的影响
对磨制出的各组矿渣水泥进行细度、比表面积测定,结果见图1。
由图1可知,粉磨时掺入助磨剂的矿渣水泥,细度减小,比表面积增大。且随着助磨剂掺量的增加,细度降低率和比表面积增长率呈线性增长趋势。当TEA和TIPA的掺量为0.05%时,细度分别降低了22.2%和33.3%,比表面积分别提高了4.1%和5.0%。这说明掺入的两种助磨剂都起到了细化水泥颗粒的作用,并且相同掺量的TIPA和TEA相比,颗粒细化效果更为明显。
选取空白组、A-3和B-3三组水泥样品进行粒径分布测试,结果如表3所示。
对比表3中数据可知,掺量0.03%的TEA、TIPA对矿渣水泥的粒径分布有显著影响,表现为3~32μm的颗粒含量分别增加了1.33%、4.15%,大于47μm的颗粒含量明显降低,小于1μm的细颗粒含量提高。这表明TEA、TIPA的加入能够促使粗颗粒分散为细颗粒,并防止细颗粒团聚,增加对强度有贡献的颗粒含量,起到了助磨作用,同时造成一定的过粉磨。此外,同TEA相比,TIPA具有更强的助磨作用。
3.2助磨剂对矿渣水泥凝结时间的影响
图2为矿渣水泥在不同助磨剂作用下的凝结时间的变化。
图2结果表明,随着TEA、TIPA掺量的增加,矿渣水泥标准稠度需水量不断提高,其中掺TIPA的水泥需水量增幅高于掺TEA的。这印证了水泥颗粒特性的测定结果,因为细颗粒含量提高,需水量也相应增加,而且掺TIPA的水泥中细颗粒更多。TEA和TIPA对矿渣水泥凝结时间的影响较弱。对于掺TEA的水泥,各组凝结时间均较空白组有所增加,其中初凝增幅为1~7min,终凝增幅为5~19min。对于掺TIPA的水泥,各组凝结时间呈降低趋势,其中初凝降幅为1~8min,终凝增幅为5~19min。
3.3助磨剂对矿渣水泥强度的影响
不同掺量助磨剂对矿渣水泥胶砂强度的影响见表4。
 
由表4可得,TEA和TIPA均能提高矿渣水泥的胶砂强度,随着助磨剂掺量的增加,矿渣水泥的抗折强度和抗压强度总体上呈现增长趋势。这可能是由于助磨剂促进了水泥熟料矿物的水化,生成更多的水化硅酸钙和钙矾石。TEA对矿渣水泥的早期增强效果明显,如掺0.05%TEA的水泥3d抗压强度增长最多,为3.55MPa,而28d抗压仅增长了2.4MPa。TIPA的后期增强效果更为明显,如掺0.05%TIPA的水泥28d抗压强度增幅最大,达到了5.58MPa,而3d抗压较空白样只提高了3.24MPa。此外,对比各组相同掺量助磨剂的水泥强度可知,TIPA较TEA的增强效果更好。
3.4助磨剂对矿渣水泥化学结合水的影响
在一定温度和湿度条件下,化学结合水含量随水化产物的增多而增大,通过测定化学结合水的含量可以反映样品整体的水化程度。助磨剂对矿渣水泥不同龄期化学结合水的影响见表5。
由表5可知,在相同水化龄期和相同掺量的条件下,掺TIPA水泥的化学结合水含量均为最高,掺TEA水泥次之,空白样最低。这表明在加入TIPA或TEA的矿渣水泥硬化浆体中,生成水化产物的数量增多,水化程度提高。从整体上看,同空白样相比,掺TIPA水泥的化学结合水有较大的增长,例如B-3水化3d时增长了4.89%,28d时增长了2.65%;而掺TEA水泥的化学结合水增长较小,如A-3水化3d时增长了4.22%,28d时仅增长了1.88%。这说明掺TIPA水泥产生的水化产物数量比掺TEA水泥的多,即TIPA的增强效果较TEA明显。矿渣水泥化学结合水的测定结果与胶砂强度的数据具有一致性。
3.5矿渣水泥硬化浆体XRD分析
选取KB、A-3和B-3的硬化浆体,水化龄期设定为3d和28d,分别对其进行XRD分析,得到的XRD图谱见图3。
从图3中可以看出,矿渣水泥的主要水化产物为氢氧化钙和钙矾石(AFt),TEA和TIPA未改变矿渣水泥的水化产物种类,但增加了水化产物数量。对各组样品而言,随着水化龄期的延长,C3S和C2S的特征峰强度(d=0.278nm,2θ=32.19°)均降低,AFt的特征峰强度(d=0.973nm,2θ=9.08°)呈增加趋势,这说明随着水化的进行,C-S-H凝胶和AFt等水化产物不断增多。从XRD图谱的相对强度来看,无论在哪个龄期,样品A-3和B-3的Ca(OH)2特征峰强度(d=0.487nm,2θ=18.19°)都要比KB样的低,这是由于液相中产生的Ca(OH)2与矿渣中的活性SiO2和Al2O3发生了火山灰反应,生成水化硅酸钙和水化铝酸钙,消耗了大量的Ca(OH)2,导致矿渣水泥的水化程度提高。
3.6矿渣水泥硬化浆体SEM分析
对KB、A-3和B-3的硬化浆体进行SEM观察,结果如图4所示。
从图4a中可知,在水化3d时,KB样的矿物颗粒已被侵蚀,颗粒表面生成了团簇状和细针状的C-S-H,相互之间还没有紧密连结,颗粒间的空隙率大,形成的空间网状结构比较疏松。仍有未发生水化的晶体,其表面轮廓清晰可见。而图4b和图4c与之相比,矿物的水化反应较为充分,晶体间的孔隙率小,水化产物之间相互紧密搭接,形成比较致密的板状结构。
从图4e可以看出,水化产物较为纤细,不能充分填充空隙,C-S-H之间以及C-S-H与矿物颗粒之间的连接不够紧密。而图4f和图4g中的晶体分布均匀,表面光滑平整,内部孔隙明显减少,这些水化产物之间相互交叉结合,形成了更为致密的板状结构。
以上结果说明TEA和TIPA提高了矿渣水泥的水化程度,使得水泥硬化浆体的晶体结构较为致密。同TEA相比,TIPA对矿渣水泥结构的改善效果更加明显。
4结论
(1)TEA和TIPA均能减小矿渣水泥的细度,增大比表面积,提高细颗粒的含量,增加水泥需水量,但对凝结时间的影响较小;
(2)TEA和TIPA对矿渣水泥强度的增强效果显著,矿渣水泥的强度随着助磨剂掺量的增加而得到增长,其中掺0.05%TIPA的水泥28d抗压强度增幅可达5.58MPa。TIPA对矿渣水泥的增强效果明显优于TEA;
(3)在TEA和TIPA的作用下,矿渣水泥的水化速率加快,水化产物种类不变,但数量增多,结晶度更好。这些水化产物之间交叉连接,从而形成更为致密的结构。

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