礦渣-水泥水化動(dòng)力模型研究

唐 劍， 樓偉杰， 付海華， 王家栩， 諶聯(lián)平

(南昌理工學(xué)院，江西 南昌 330013)

混凝土是目前使用范圍最廣泛的一種建筑材料，其強(qiáng)度、耐久性與其中水泥水化過程有很大的關(guān)系。礦渣等工業(yè)廢料既可以節(jié)省水泥用量，又可以改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高混凝土力學(xué)耐久性能[1]。

水泥的主要成分有石膏、C3A、C4AF、C2S和C3S，水泥水化是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，而礦渣等火山灰材料在氫氧化鈣的激發(fā)下會(huì)改變水泥的水化過程。而現(xiàn)有水化動(dòng)力學(xué)模型通常把礦渣-水泥看作一個(gè)整體，把復(fù)合膠凝材料當(dāng)作均質(zhì)材料去研究其動(dòng)力學(xué)過程和動(dòng)力學(xué)參數(shù)[2]，這并不能夠清晰準(zhǔn)確地反映礦渣的反應(yīng)機(jī)理及表征礦渣-水泥的水化動(dòng)力學(xué)[3-4]。

因此，對(duì)于礦渣-水泥體系的水化過程，由于實(shí)驗(yàn)對(duì)象和手段、研究目標(biāo)與側(cè)重點(diǎn)的差異，得到的結(jié)論也有較大差別，因此有必要對(duì)礦渣-水泥水化動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行研究，這也助于水泥水化程度的預(yù)測(cè)，進(jìn)而評(píng)估水泥基材料的性能。

1 純硅酸鹽水泥水化動(dòng)力學(xué)模型

C3S的水化動(dòng)力模型目前研究得比較多，也具有一定的代表性。雖然C3A、C4AF、C2S對(duì)水泥水化熱的影響較小，但對(duì)水泥漿中水化產(chǎn)物的影響仍然比較明顯。因此，本文在純C3S水化動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出純硅酸鹽水泥的水化動(dòng)力學(xué)模型。

C3S水化過程反應(yīng)方程如式(1)。

(1)

與純C3S不同，純硅酸鹽水泥水化的晶核生長速率、成核速率是恒定不變的，因此在局部生長假說的基礎(chǔ)上，引入了CSH的法向長度。假設(shè)到t時(shí)刻水泥水化的晶核生長的法向長度，考慮距C3S表面高度為y的平面與該晶核相交圓，該圓面積為式(2)。

Acircle(x,t,y)=πg(shù)[G2(t-x)2-y2]

(2)

則x時(shí)刻產(chǎn)生的所有晶核在t時(shí)刻與y截面相交圓的總截面積離散化為式(3)。

(3)

臨界長度范圍內(nèi)CSH的體積分?jǐn)?shù)計(jì)算見式(4)。

Vextended(t)=

(4)

CSH在其空間內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)計(jì)算見式(5)(Vwater為體系內(nèi)可供水化產(chǎn)物生長的空間)。

VCSH(t)=Vwater×Vextended(t)

(5)

CSH凝膠沉淀速率計(jì)算見式(6)。

(6)

則水泥的反應(yīng)速率計(jì)算見式(7)。

(7)

動(dòng)力學(xué)方程為式(8)。

α[i]=α[i-1]+

(8)

2 礦渣-水泥復(fù)合材料水化動(dòng)力學(xué)模型推導(dǎo)

礦渣在水泥中的化學(xué)作用主要是指其火山灰反應(yīng)，即，硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物為礦渣提供了穩(wěn)定的堿性環(huán)境，激發(fā)了礦渣自身的水化反應(yīng)活性。本文在選取礦渣主要化學(xué)組成和礦渣主要反應(yīng)產(chǎn)物的化學(xué)組成為相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)礦渣水化動(dòng)力學(xué)模型。

2.1 基本參數(shù)的確定

礦渣的化學(xué)組成如表1所示，選定礦渣反應(yīng)產(chǎn)物的化學(xué)組成如表2所示。

表1 礦渣主要化學(xué)組成及其含量

表2 礦渣主要反應(yīng)產(chǎn)物的化學(xué)組成

礦渣的反應(yīng)方程式見式(9)。

100·礦渣+15.76g·CH+

40.72g·C4AH13+30.86g·M4AH10+

10.21g·C6AS3H32+2.95g·U

(9)

式中，U為礦渣中不參與反應(yīng)的物質(zhì)統(tǒng)一標(biāo)記。

2.2 礦渣-水泥復(fù)合材料水化動(dòng)力學(xué)模型

Atrul,SCM(t,y)為t時(shí)刻礦渣反應(yīng)產(chǎn)物的固定晶核與y高度界面相交圓的總面積，計(jì)算公式見式(10)。

(10)

Vextended,SCM(t)為臨界長度范圍內(nèi)礦渣反應(yīng)產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)，計(jì)算公式見式(11)。

(11)

VPSCM(t)為礦渣反應(yīng)產(chǎn)物生長的空間范圍內(nèi)的反應(yīng)產(chǎn)物總體積，計(jì)算公式見式(12)。

VPSCM(t)=(Vwater-VCSH(t1))×Vextended,SCM(t)

(12)

由此可得礦渣反應(yīng)程度，見式(13)。

(13)

動(dòng)力學(xué)方程見式(14)。

αSCM[i]=αSCM[i-1]+

(14)

3 結(jié)論

建立水化動(dòng)力學(xué)模型是研究水泥水化機(jī)理的重要方法。而水泥的水化提供了堿性環(huán)境，激發(fā)了礦渣的火山灰反應(yīng)，因此，建立基于礦渣反應(yīng)機(jī)理的礦渣-水泥水化動(dòng)力學(xué)模型是非常有必要的。

本文以礦渣-水泥為研究對(duì)象，對(duì)純硅酸鹽水泥的水化動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了修正，在此基礎(chǔ)上建立了礦渣水泥體系水化動(dòng)力學(xué)模型，其主要結(jié)論如下：

1)修正了純硅酸鹽水泥體系水化動(dòng)力學(xué)模型。純硅酸鹽水泥水化的擴(kuò)散控制階段采用了修正的Jander方程，而且根據(jù)水泥水化的反應(yīng)程度采用了不同的擴(kuò)散系數(shù)。

2)建立了礦渣-水泥的水化動(dòng)力學(xué)模型。首先確定了礦渣的反應(yīng)方程式；礦渣-水泥水化的擴(kuò)散控制階段也采用了修正的Jander方程，而且綜合考慮了礦渣反應(yīng)程度和礦渣極限反應(yīng)程度采用了不同的擴(kuò)散系數(shù)。