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1、2012 届毕业（设计）论文题 目无水泥CaO-SiO2-Al2O3胶凝材料体系专业班级08绿色建材与装饰设计学 号0802100110学生姓名指导教师指导教师职称教授学院名称材料科学与工程学院完成日期： 2012 年 06月 01无水泥CaO-SiO2-Al2O3胶凝材料体系NO cement cementitious material systemof CaO-SiO2-Al2O3 学生姓名林琦指导教师 曹宏摘要大多数活性废渣均含有大量的硅、铝等活性成分。被活化的活性废渣在有氢氧化钙存在的条件下，可以发挥火山灰活性，生成与水泥成分相同的水化硅酸产物，它们具有胶凝性，产生强度。同时，根据集料
2、级配原理，通过提高材料组份的细度与活性，减少材料内部的缺陷（空隙与微裂缝），获得高强度与高耐久性。本文通过压制成型制备硅酸盐免烧砖试块，通过合理的养护，对制品各项性能进行测试，探索原料配比制度，养护制度等因素对制品性能的影响。关键词：活性废渣；活化；火山灰活性；级配原理；强度；测试AbstractMost of the active sludge contain a lot of silicon, aluminum and other active ingredients. Be activated slag in a calcium hydroxide under the condition
3、s of existence, can play a volcano ash activity, generation and cement compositions of the same silicate products, they have the gelling property, strength. At the same time, according to the aggregate gradation principle, by improving the material component fineness and activity, reduce the materia
4、l internal defects ( void and microcrack ), high strength and high durability. This article through pressing preparation of silicate brick block, the products of the performance test, exploring the raw material proportioning system, maintenance system and other factors influence on the properties of
5、 the products.Keyword：Active sludge; activation; volcano ash activity; gradation principle; strength; test目 录摘要IAbstractII第一章 文献综述11.1硅酸盐免烧砖原理11.2免烧砖的应用21.3制备工序流程概述31.4国内外的研究状况71.5本文的主要研究内容及意义7第二章 实验部分92.1 实验原料及设备92.1.1 试验原料92.1.2 试验设备92.2实验方案92.3实验步骤102.3.1试件的制备102.3.2试件的养护122.3.3试件的测试13第三章 结果与分析13
6、3.1 制品表征133.1.1强度测试143.1.2吸水率测试143.1.3扫描电镜(SEM)测试143.1.4X射线衍射（XRD）分析153.2 本章小结17第四章 结论与建议1741 结论184.2 建议18参考文献20致谢21第一章 文献综述1.1 硅酸盐免烧砖原理 免烧砖的主要技术指标是强度和耐久性。因此，免烧砖的生产是以强度和耐久性为中心。要生产好的免烧砖，首先就要研究其强度及耐久性产生的原理。免烧砖的强度及耐久性主要来源于两个方面：成型时成型机的物理作用，成型后胶凝材料的化学作用。其强度及耐久性的产生，一般是这两种作用的共同作用的结果，而不是其中单方面的因素。1.1.1 物理作用硅
7、酸盐免烧砖产生强度及耐久性的物理作用力是成型机的压力、振动机的激振力等。另外，还有轮碾、搅拌对物料所产生的均化、塑化等辅助作用力。这些作用力有些是单作用力，如只采用压力成型或只采用振动成型。有些是复合作用，如采用压力成型，又采用振动成型。现在比较流行的是压力成型，振动成型，都获得了十分广泛的推广应用。本实验采用压振结合型制备试件。1.1.2 化学作用硅酸盐免烧砖产生强度的化学作用是通过激发材料对活性废渣产生激发作用，使活性废渣产生胶凝性。大多数活性废渣均含有大量的硅、铝成分。它们的活性来自高温，它们在高温下获得热能，在排放的时候急冷，来不及形成稳定的化合物，而以玻璃体状态将获得的热能转化成化学
8、能封存，从而形成化学活性。然而大量的硅、铝活性成分，被封存在玻璃体中，不能直接水化，所以，要想发挥这些活性废渣的活性，必须解放被封存的硅铝活性成分，并使它们产生胶凝性。要实现着一点，就是对活性废渣进行活化。活性废渣在活化之后，其被封闭在玻璃体内的硅铝成分被水溶出，其活性的发挥开始。但其硅、铝两大成分本身，并不具备胶凝作用。它们要产生胶凝作用，产生强度，还要进行一系列的复杂反应，形成水泥成分硅酸盐和铝酸盐，其最终的胶凝作用才可以形成和显现。要使活性废渣的硅铝成分形成水化硅酸盐和水化铝酸盐，必须有一个先决条件，那就是要有Ca(OH)2：的存在。只有Ca(OH)2：存在，活性废渣中的SiO2才能形成
9、水化硅酸钙，AL3O2才能和其形成水化铝酸盐。要知道，活性废渣的水化产物和水泥相同，因此，说到底其实就是让活性废渣变水泥，让它们产生和水泥相同的水化产物。Ca(OH)2来自生石灰，其反应如下：CaO+H2OCa(OH)2在Ca(OH)2：形成，并达到一定的浓度后，活性废渣溶出的硅铝成分就开始与Ca(OH)2：反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙。其反应如下：SiO2（活性）+mCa(OH)2+aqmCaOSiO2aqAl2O3（活性）+nCa(OH)2+aqnCaOAl2O3aq上述两个反应的生成物水化硅酸钙mCaOSiO2aq和水化铝酸钙nCaOAl2O3aq是一种胶状玻璃体，均为凝胶物质，和水
10、泥的水化产物相同。这种胶状玻璃体并不稳定，但在添加剂作用下，随时间的延续，反应逐渐凝聚，形成一种高强度的网络结构，加之原料合理调配及养护，从而形成了强度。1.1.3 物理作用与化学作用的关系在赋予免烧砖强度和耐久性的过程中，物理作用和化学作用是相互协调、相互叠加的配合关系，而不是孤立的。在一般情况下，只有二者良好的配合，且这种配合恰到好处，才能使免烧砖既有高性能，又有低成本。免烧砖的技术核心也就是如何使物理作用与化学作用最好地配合。1.2 硅酸盐免烧砖的特点及应用随着工业化生产的不断扩大，工业废渣的不断产生与积累，带来了能源危机、环境污染、以及资源枯竭等问题，因此利用工业废渣大掺量替代水泥熟料
11、，研究工业废渣在商品水泥和混凝土中的应用，是一项具有研究价值的课题。硅酸盐免烧砖主要的特点：1.利用各种工业废渣为主要原料，变废为宝，化害为利。2.不需要焙烧不用建窑，保护环境节约能源。3.极具竞争优势，目前，国家严格限制粘土砖的生产，该砖不用粘土作原料，保护良田，保护耕地。4.机械化生产,生产工艺简单，便于掌握，各地均能生产应用。5.因属在模腔内由砖机压制成型，该砖外观十分规整,各项技术指标优于粘土烧结砖，蒸养炉渣，灰砂砖。按照新型墙材应“节土，省地，利废，环保”的原则，我国的免烧砖主要以固体废弃物为主要原料，这不但符合国情的需要，也是可持续发展的需要，是必然的趋势。硅酸盐免烧砖应用：根据不
12、同的需求配制生产用途各异的承重非承重砖。1.3 制备工艺流程概述生产的全部工艺流程包括以下几道工序：1.3.1 原料的预处理 本工序包括固体废弃物及其他原料的破碎、粉磨、脱水烘干、过筛除杂等，有些原料需经过上述全部流程，而有些则只需要部分流程。1.3.2 配料 配料的中心任务是将胶凝材料、辅助胶凝材料（石膏）、活化剂和减水剂等外加剂、粗骨料和细骨料等各种原料，经计量后混合，为搅拌或轮碾做好准备。1.3.3 预搅拌 预搅拌一般是硅酸盐混凝土免烧砖的工艺设置（水泥硅酸盐免烧砖工艺流程中，不设置）。预搅拌一般设置在轮碾之前。计量后的物料送入搅拌机中，加水进行搅拌混合，然后送入轮碾机中进行轮碾。1.3
13、.4 轮碾 轮碾一般设置在第一次搅拌之后，它与成型、养护一起，组成了免烧砖生产的工艺核心。1.3.5 陈腐消化 消化工序是硅酸盐混凝土免烧砖的必需工序。它主要是提高活性废弃物的活性，而且能提高成型塑性并消除游离氧化、游离钙氧化镁及其它不安定因素的影响。1.3.6 终搅拌 终搅拌一般设置在成型之前，它是预搅拌及轮碾后的补充性搅拌。它粉碎消化期间的结块，完成配合料最终的均匀混合，提高成型塑性，为成型做最终准备。1.3.7 成型 成型时成型即将物料通过成型机制成坯体.它是各道工序中最重要的一道工序,其它前置工序均是为其进行准备,而后置工序也是为其进行配套服务。成型决定制品的尺寸的准确、外观的光洁度、
14、试件的密度，内在质量（有无分层，颗粒结合状况等），对制品的强度及综合性能也将是重要的影响因素之一。1.3.8 养护 制品在成型之后，逐步硬化并在经过一段时间后形成其内部结构，使已经密实的=成型的砖坯成正常完成水化反应，获得所需的物理力学及耐久性指标。养护是硅酸盐免烧砖的生产的最后一道工序。制品60的强度要在养护工序中产生，可见，养护效果的好坏，对制品的品质会产生重大影响。完全工艺流程示意图，如图1-1原料计量预搅拌外加剂成型终搅拌养护成品轮碾陈化水图1-1 免烧砖完全工艺流程示意图1.4 国内外的研究状况传统的烧结砖烧结需要大量的煤炭，而许多地方缺煤，我国最早的免烧砖就起源于那些缺煤的地区。它
15、们将粘土加水制成半干料，然后压制成型，自然养护，不经过烧结。这种砖成本低，我国20世纪80年代以前在许多缺煤的地区比较流行。在国外，如东南亚等缺煤地区至今仍比较流行。随着国家禁止实心粘土砖使用的力度的加大再加上国内的废渣资源和建材市场的大量需求，我国建立了大量的免烧砖厂，其中大多数是中小型砖厂，行业发展迅速。虽然免烧砖企业发展得如火如荼，但质量确频遭非议，有一些免烧砖质量差而引发的建筑事件也时常报道，令人担忧。免烧砖质量不高的原因很多，但最重要的还是技术上的原因。免烧砖是新产品、新技术、新设备、新工艺，几年前都还比较陌生。在国家墙体材料革新新政策的强力推动下，许多人是在缺乏技术准备的情况下仓促
16、转业，盲目的从事免烧砖生产的，仅仅凭一些免烧砖设备厂提供的配方和工艺，就开始摸索着生产。而许多免烧砖设备厂也缺乏对免烧砖技术全面的掌握。现在，免烧砖行业的从业人员最渴望的就是全面的、系统的、契合实际的、带有普及性质的免烧砖生产技术。同时，通过各组分的选择和搭配，力求达到低成本，高强的物美价廉制品。1.5本工作主要研究内容免烧砖配方(即配合比)的选择不像混凝土那样,有公式可遵循。免烧砖的原材料变化复杂，品种繁多，有土、砂、石和工业废渣等。这些原材料又因产地不同,性质也不一样。到目前为止，很难有一完整的数学公式来计算免烧砖的配合比。设计免烧砖配合比的任务：就是在满足强度、耐久性和尽可能经济的基本条
17、件下，比较合理地确定胶凝材料，骨料和水的用量及其比例关系。从这个角度讲，免烧砖的配合比设计与混凝土配合比设计类似，但是两者有本质上的区别。免烧砖是在给定的原材料和外加压力功能的条件下，以最大砖的强度为基础，求砖中的各胶凝材料的最佳掺量，而不是水灰比。 由于免烧砖原材料组成复杂，企图用计算方法求配合比是困难的。所以，免烧砖配合比并没有成熟的公式可采用，在目前条件下，一般采用试配法对免烧砖各组分进行探究，力求掌握免烧砖生产的最优配合比，最优养护制度等。第二章 实验部分2.1 实验原料及设备2.1.1 试验原料 本试验主要原料和试剂列于表2.1。表2.1 试验用原料与试剂品名规格来源粉煤灰AR硅灰A
18、R生石灰AR石膏石英砂AR石英粉AR无水硫酸钠AR减水剂自来水2.1.2 试验设备 本试验主要设备列于表2.2。表2.2 试验中所用设备仪器设备生产厂家电子天平中山市衡新电子有限公司20A特性强力高速搅拌器中外合资上海恒麦机械制造有限公司磨粉磨浆机湖北首兴机械有限公司振动台沈阳市建材设备厂液压机中英合资浙江竞远机械设备有限公司水泥砼养护箱上海东星建材试验设备有限公司蒸压釜威海市锅炉制造厂干燥箱陶瓷吸水率测试仪万能试验机KQ100E型超声波清洗器Multi Mode/Ns-4原子力显微镜美国 Veeco DI2.2实验方案2.2.1 配比制度设计的方法步骤a. 确定粉煤灰与骨料的品种及比例；b.
19、 确定生石灰及辅助胶凝材料（硅灰，石膏）的加量；c. 确定胶凝料与骨料的比例；d. 按照活性废渣的量确定活化剂的量，并根据胶材料的量确定外加剂（减水剂）的用量；2.2.2 养护制度设计的方法步骤a. 空气中养护3db. 90蒸汽养护3dc. 90蒸汽养护2d，于蒸压釜中1d.2.3实验步骤2.3.1试件的制备2.3.1.1原料配制按设计好的配合比例在电子天平上秤取各组分物料，然后在先将胶凝料，活化剂等倒入搅拌机中搅拌150s然后加入骨料，并加入70混合有减水剂的谁容易，搅拌150s 。再加入剩余水，继续搅拌150s至物料混合均匀。将混合好的物料通过磨粉磨浆机进行轮碾，配制好出实验所需的混合料封
20、装于塑料袋中。2.3.1.2配合料陈化将配制好的混合料，置于20的环境中（冬天可以置于装有灯泡的保温泡沫箱中），陈化12小时。2.3.1.3 再搅拌对陈化好的物料进行再搅拌，可以加入适量水分，直至达到压制成型半干料的技术要求。2.3.1.4压制成型用电子天平秤取250g陈化好的混合料，将其均匀的倒入5612的钢制模具中，置于振动台上振动20s，然后在液压机上，用180KN的压力压制成型。脱模，取出压制好的试块。2.3.2试件的养护2.3.2.1 90蒸汽养护 将压制好的试块置于90水泥砼快速养护箱中养护3d.2.3.2.2蒸压釜养护 将试件从养护箱中移入蒸压釜中，在174.5，0.8MPa的环
21、境中养护8h。2.3.3试件的测试2.3.3.1X射线衍射分析（XRD）X射线衍射分析（X-ray diffraction，简称XRD），是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。X射线衍射分析是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。将具有一定波长的X射线照射
22、到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。衍射X射线满足布拉格（W.L.Bragg）方程：2dsin=n式中：是X射线的波长；是衍射角；d是结晶面间隔；n是整数。波长可用已知的X射线衍射角测定，进而求得面间隔，即结晶内原子或离子的规则排列状态。将求出的衍射X射线强度和面间隔与已知的表对照，即可确定试样结晶的物质结构，此即定性分析。从衍射X射线强度的比较，可进行定量分析。XRDX-射线衍射（Wide Angle X-ray Diffraction）主要是对照标准谱图分析纳米粒子的组成，分析
23、粒径，结晶度等。2.3.3.22.3.3.32.3.3.4第三章 结果与分析3.1制品的表征方法尺寸偏差和外观；抗折抗压强度；吸水率；X射线衍射图谱；扫描电镜测试3.1.1尺寸偏差和外观项目尺寸大小偏差差厚度质量缺棱掉角个数尺寸裂纹条数长度3.1.2 力学性能 （单位：Mpa）配比抗折强度抗压强度石灰粉煤灰硅灰石膏石英砂石英粉无水硫酸钠减水剂3.2 本章小结1.陈化工序必不可少，它对制品的强度和耐久性都有很到贡献，而且陈化需要保持一定的温度。2.石灰的活性也是影响制品强度和耐久性的关键因素。3.硅灰，粉煤灰要经过筛分，这样效果会更好。4.蒸压釜中养护要优于90蒸汽养护，而90蒸汽养护要优于在空
24、气中养护。5.成型水量要控制好，它会很大程度的影响到制品的成品率及外观。第四章 结论与建议4.1产品展示4.2结论通过配合料各组分比例的试配，经过振压成型，再通过合理的养护，无水泥CaO-SiO2-Al2O3胶凝材料体系可以生产出具有高强度的硅酸盐免烧砖。这种免烧砖成本低廉，生产工艺简单，而且成品率较高，可以机械化生产。在多次充分的试验证明下，蒸压粉煤灰砖可以用于承重墙体，该产品是利用大量粉煤灰作为主要原材料之一，而且粉煤灰价格十分低，生产工艺十分简单，规格尺寸和红砖规格一样，15T粉煤灰可做一万块砖，方便施工。4.3建议1. 要注意原料的保存，避免原料变质。2. 每一步工序都很重要，都要仔细
25、对待。3. 可以改进成型机，方便成型，方便脱模。4. 蒸压粉煤灰砖所用的粉煤灰湿灰不要过大，干粉煤灰可直接放入料仓中,石灰要采用破碎的块石头，颗料要细，可能和粉煤灰快速发生反应，也不要过细，石灰要注意防潮，采用水渣，煤渣为细集料，尽量不要有粘土和杂物。5.蒸压粉煤灰砖最主要是蒸压养，在砖坯进入蒸压釜前要放置一段时间，为的是使砖的强度增加，这样的作用是砖的在高温养护的状态下，不易有裂缝，砖的好坏取决于蒸养温度的高低，养护时间的长短，养护中温度升降不当砖容易裂缝。参考文献1 Geim A K, Novoselov K S. NatureMaterials, 2007, 6: 1832 Katsne
26、lsonM I, Novoselov K S. Solid State Communications,2007, 143: 33 Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V et al. Nature, 2005,438: 1974 Nikolaos T, Csaba J, Mihaita P et al. Nature, 2007, 448: 5715 Zhang Y B, Tan YW, Horst L S et al. Nature, 2005, 438:2016 Hubert B H, Pablo J H, Jeroen B O et al. Nature
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30、1) : 42223 BrarV W et al. App lied Physics Letters, 2007, 91: 122102致谢本论文是在曹宏教授的指导下完成的，在做本科毕业论文期间，曹宏教授一直给予我耐心而细致的指导。曹老师严谨的治学态度,丰富的创新思维深刻感染着我，每当我遇到问题就直接请教他，他都会用他渊博的知识悉心教导我，用正确的思维方式引导我去思考问题。此外，曹老师注重细节，时刻不忘培养学生的独立思维和动手能力以及为人处世的能力。同时，他亲和的交谈方式，平易近人的性格，使得我们在一起讨论问题时非常愉快，这也使我更加尊敬他，敬佩他，在此我要特别感谢曹宏教授给我的帮助！在实验期间，薛俊老师和实验室的各位师兄师姐也给了我很大的帮助。尤其是安子博师兄，他给我我很多建议，帮助我熟悉实验所需的各项操作等。在此，我向各位师兄师姐、薛俊老师表示衷心的感谢！最后要感谢无机非专业的各位老师，感谢你们在大学期间对我的教导和培育！
