三乙醇胺和三異丙醇胺對礦渣水泥水化過程的影響

2019年03月19日

摘要:采用三乙醇胺和三異丙醇胺作為礦渣水泥的助磨劑,通過測定水泥的顆粒特性、凝結時間、膠砂強度和化學結合水量,研究不同摻量的助磨劑對礦渣水泥水化過程的影響,并利用X射線衍射和掃描電鏡分析,研究礦渣水泥水化產物的物相組成和顯微結構。結果表明:兩種助磨劑均能顯著提高礦渣水泥的水化速率,使水泥漿體中生成更多的水化產物,形成更致密的結構,三異丙醇胺對礦渣水泥的增強效果優于三乙醇胺。

1引言礦渣水泥具有水化熱低,后期強度高,抑制堿集料反應,抗硫酸鹽腐蝕等優點,已在大量工程中得到應用。生產礦渣水泥時,由于礦渣的易磨性較熟料的差,共同粉磨時達不到各自的最佳活性粒度,而單獨粉磨又會造成大量的能耗,因此在粉磨過程中采用助磨劑來降低粉磨能耗和改善水泥性能。三乙醇胺(Triethanolamine,TEA)和三異丙醇胺(Triisopropanolamine,TIPA)作為常用助磨劑的主要成分,具有很強的極性,能夠降低水泥顆粒表面的自由能,防止顆粒團聚,增大顆粒的比表面積,還能加快熟料礦物的水化速率,因此受到國內外學者廣泛關注。以往的研究主要集中于醇胺類有機物及其復合改性物對水泥的助磨效果,關于TEA和TIPA對礦渣水泥水化影響機理的研究目前還較少。為此,本實驗選取TEA和TIPA作助磨劑,探討了礦渣水泥在TEA和TIPA作用下的水化過程,為TEA和TIPA在礦渣水泥中的應用提供一定的依據。

2原材料與方法

2.1原材料熟料、石膏和礦渣其化學成分見表1。TEA和TIPA,TEA純度大于99%,TIPA純度大于95%。

1原料的化學成分

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2。2試驗方法試驗設定0.01%~0.05%五組助磨劑摻量及空白組,如表2所示。將熟料粉、礦渣、石膏按質量分數比65∶30∶5混合均勻。助磨劑用少量去離子水稀釋后,均勻點灑在粉料表面,然后倒入500mm×500mm球磨機中粉磨42min,各組樣品磨制過程中保持鋼球級配和粉磨時間不變。

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水泥的細度按照GB/T1345《水泥細度檢測方法》測定;比表面積按照GB/T8074《水泥比表面積測定方法》測定;標準稠度用水量和凝結時間按照GB/T1346-2001測定;膠砂強度按照GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》測定。采用水灰比0.3成型2cm×2cm×2cm礦渣水泥試塊,養護至相應齡期后破碎,取試塊中央部位用無水乙醇終止水化。用日立S-2500型掃描電鏡(SEM)觀察試塊斷面的顯微形貌;將試塊磨細至通過80μm方孔篩,經50℃真空干燥后,測定粉末的化學結合水量;用日本理學D/Max-ⅢA型X射線衍射儀(XRD)分析粉末的物相組成。

3結果與分析

3.1助磨劑對礦渣水泥顆粒特性的影響對磨制出的各組礦渣水泥進行細度、比表面積測定,結果見圖1。由圖1可知,粉磨時摻入助磨劑的礦渣水泥,細度減小,比表面積增大。且隨著助磨劑摻量的增加,細度降低率和比表面積增長率呈線性增長趨勢。當TEA和TIPA的摻量為0.05%時,細度分別降低了22.2%和33.3%,比表面積分別提高了4.1%和5.0%。這說明摻入的兩種助磨劑都起到了細化水泥顆粒的作用,并且相同摻量的TIPA和TEA相比,顆粒細化效果更為明顯。選取空白組、A-3和B-3三組水泥樣品進行粒徑分布測試,結果如表3所示。

undefined對比表3中數據可知,摻量0.03%的TEA、TIPA對礦渣水泥的粒徑分布有顯著影響,表現為3~32μm的顆粒含量分別增加了1.33%、4.15%,大于47μm的顆粒含量明顯降低,小于1μm的細顆粒含量提高。這表明TEA、TIPA的加入能夠促使粗顆粒分散為細顆粒,并防止細顆粒團聚,增加對強度有貢獻的顆粒含量,起到了助磨作用,同時造成一定的過粉磨。此外,同TEA相比,TIPA具有更強的助磨作用。

3.2助磨劑對礦渣水泥凝結時間的影響圖2為礦渣水泥在不同助磨劑作用下的凝結時間的變化。

undefined2結果表明,隨著TEA、TIPA摻量的增加,礦渣水泥標準稠度需水量不斷提高,其中摻TIPA的水泥需水量增幅高于摻TEA的。這印證了水泥顆粒特性的測定結果,因為細顆粒含量提高,需水量也相應增加,而且摻TIPA的水泥中細顆粒更多。TEA和TIPA對礦渣水泥凝結時間的影響較弱。對于摻TEA的水泥,各組凝結時間均較空白組有所增加,其中初凝增幅為1~7min,終凝增幅為5~19min。對于摻TIPA的水泥,各組凝結時間呈降低趨勢,其中初凝降幅為1~8min,終凝增幅為5~19min。

3.3助磨劑對礦渣水泥強度的影響不同摻量助磨劑對礦渣水泥膠砂強度的影響見表4。

undefined由表4可得,TEA和TIPA均能提高礦渣水泥的膠砂強度,隨著助磨劑摻量的增加,礦渣水泥的抗折強度和抗壓強度總體上呈現增長趨勢。這可能是由于助磨劑促進了水泥熟料礦物的水化,生成更多的水化硅酸鈣和鈣礬石。TEA對礦渣水泥的早期增強效果明顯,如摻0.05%TEA的水泥3d抗壓強度增長最多,為3.55MPa,而28d抗壓僅增長了2.4MPa。TIPA的后期增強效果更為明顯,如摻0.05%TIPA的水泥28d抗壓強度增幅最大,達到了5.58MPa,而3d抗壓較空白樣只提高了3.24MPa。此外,對比各組相同摻量助磨劑的水泥強度可知,TIPA較TEA的增強效果更好。3.4助磨劑對礦渣水泥化學結合水的影響在一定溫度和濕度條件下,化學結合水含量隨水化產物的增多而增大,通過測定化學結合水的含量可以反映樣品整體的水化程度。助磨劑對礦渣水泥不同齡期化學結合水的影響見表5。

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由表5可知,在相同水化齡期和相同摻量的條件下,摻TIPA水泥的化學結合水含量均為最高,摻TEA水泥次之,空白樣最低。這表明在加入TIPA或TEA的礦渣水泥硬化漿體中,生成水化產物的數量增多,水化程度提高。從整體上看,同空白樣相比,摻TIPA水泥的化學結合水有較大的增長,例如B-3水化3d時增長了4.89%,28d時增長了2.65%;而摻TEA水泥的化學結合水增長較小,如A-3水化3d時增長了4.22%,28d時僅增長了1.88%。這說明摻TIPA水泥產生的水化產物數量比摻TEA水泥的多,即TIPA的增強效果較TEA明顯。礦渣水泥化學結合水的測定結果與膠砂強度的數據具有一致性。第1期周維等:三乙醇胺和三異丙醇胺對礦渣水泥水化過程的影響693.5礦渣水泥硬化漿體XRD分析選取KB、A-3和B-3的硬化漿體,水化齡期設定為3d和28d,分別對其進行XRD分析,得到的XRD圖譜見圖3。 

undefined 從圖3中可以看出,礦渣水泥的主要水化產物為氫氧化鈣和鈣礬石(AFt),TEA和TIPA未改變礦渣水泥的水化產物種類,但增加了水化產物數量。對各組樣品而言,隨著水化齡期的延長,C3S和C2S的特征峰強度(d=0.278nm,2θ=32.19°)均降低,AFt的特征峰強度(d=0.973nm,2θ=9.08°)呈增加趨勢,這說明隨著水化的進行,C-S-H凝膠和AFt等水化產物不斷增多。從XRD圖譜的相對強度來看,無論在哪個齡期,樣品A-3和B-3的Ca(OH)2特征峰強度(d=0.487nm,2θ=18.19°)都要比KB樣的低,這是由于液相中產生的Ca(OH)2與礦渣中的活性SiO2和Al2O3發生了火山灰反應,生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣,消耗了大量的Ca(OH)2,導致礦渣水泥的水化程度提高。3.6礦渣水泥硬化漿體SEM分析對KB、A-3和B-3的硬化漿體進行SEM觀察,結果如圖4所示。 

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從圖4a中可知,在水化3d時,KB樣的礦物顆粒已被侵蝕,顆粒表面生成了團簇狀和細針狀的C-S-H,相互之間還沒有緊密連結,顆粒間的空隙率大,形成的空間網狀結構比較疏松。仍有未發生水化的晶體,其70專題論文硅酸鹽通報第32卷表面輪廓清晰可見。而圖4b和圖4c與之相比,礦物的水化反應較為充分,晶體間的孔隙率小,水化產物之間相互緊密搭接,形成比較致密的板狀結構。從圖4e可以看出,水化產物較為纖細,不能充分填充空隙,C-S-H之間以及C-S-H與礦物顆粒之間的連接不夠緊密。而圖4f和圖4g中的晶體分布均勻,表面光滑平整,內部孔隙明顯減少,這些水化產物之間相互交叉結合,形成了更為致密的板狀結構。以上結果說明TEA和TIPA提高了礦渣水泥的水化程度,使得水泥硬化漿體的晶體結構較為致密。同TEA相比,TIPA對礦渣水泥結構的改善效果更加明顯。

4結論

(1) TEA和TIPA均能減小礦渣水泥的細度,增大比表面積,提高細顆粒的含量,增加水泥需水量,但對凝結時間的影響較小;

(2)TEA和TIPA對礦渣水泥強度的增強效果顯著,礦渣水泥的強度隨著助磨劑摻量的增加而得到增長,其中摻0.05%TIPA的水泥28d抗壓強度增幅可達5.58MPa。TIPA對礦渣水泥的增強效果明顯優于TEA;

(3)在TEA和TIPA的作用下,礦渣水泥的水化速率加快,水化產物種類不變,但數量增多,結晶度更好。這些水化產物之間交叉連接,從而形成更為致密的結構

來源:石家莊市海森化工有限公司
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