可陶瓷化大流态地聚物材料设计与性能研究开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

硅酸盐水泥已成为现代化建设与社会发展进步不可或缺的建筑材料之一.然而,普通硅酸盐水泥原材料煅烧过程中CO2的形成和释放造成了碳排放量增加1kg普通硅酸盐水泥生产过程中产生0.66-0.82kg碳排放全球水泥生产产生的CO2占人为二氧化碳排放的5%~7%[7].另一方面,生产过程中1400 ℃的高温条件消耗了大量的能量.因此低能耗高环保建筑材料的探索与研发已成为全球绿色建筑材料研究工作的重点。

. 地质聚合物是近几年来发展比较快的一种新型无机硅酸盐高聚合材料,它是由Davidovits 教授于20世纪70年代发现的一种新型绿色胶凝材料,并命名为Geopolymer[1,2]。现如今人们一般把多数采用天然矿物或者固体废弃物制备而成的由硅氧四面体和铝氧四面体聚合而成的具有非晶态和准晶态特征的三维氧化物网络凝胶体统一称为地质聚合物。该物质既具有有机高聚物、陶瓷的性能又兼有水泥的一些特征,同时其制备工艺比较简单,勿需采用生产硅酸盐水泥的“两磨一烧”工艺,仅将适量的偏高岭土和少量碱性激发剂溶液与大量天然或人工硅铝质材料相混合,在低于 100℃下或常温条件下养护,就可得到不同强度等级的无水泥熟料的高性能地聚合物材料[3,4]。为了充分利用工业废渣、保护环境,还可将粉煤灰、矿渣、硅灰等与粘土复合来制备地聚合物[5,6]。与以往的无机 Si-Al 质胶凝材料相比,其原材料为资源丰富、价格低廉的低钙 Si-Al 质材料,且生产过程中基本不排放 CO2,但其最显著的特点是耐久性能优异,可抵 1000~1200 ℃高温的炽烤而不损坏,其抗酸侵蚀性能与硅酸盐水泥相比可提高一个数量级。地质聚合物一系列优异的性能赋予它极其广阔的现实意义。

综合近几年的研究可知,在地质聚合物制备过程中,实验原料与碱性激活剂的选择范围非常广泛,一般情况下硅铝元素的来源主要是高岭土,但是粉煤灰、矿物废渣、烧粘土等也是可选择的原材料;碱激活剂方面除了氢氧化钾之外,氢氧化钠,硫酸钠,硫酸钾以及碳酸钠,硅酸钾等碱性盐类都可以作为反应的碱激活剂。利用矿山尾矿、煤研石、粉煤灰、钢渣、矿渣等生产地质聚合物,可有效根治此类固体废物造成的环境污染,部分消除造成浮尘天气的固体废物污染源,彻底消除某些尾矿中的重金属和残余氰化物对地表和地下水体的可能污染。随着材料在各行业的应用发展,提高材料强度、降低原材料的成本与能耗,提高材料的耐久性等多方面的需求也越来越强烈。由于地质聚合物在各方面的性能都很优异,因此地质聚合物是近年来国际上研究非常活跃的新型材料之一。

目前地质聚合物应用存在最大的问题是工作性能即流动性较差,无法满足大多数应用要求。综上本次课题拟制备流动性可满足浇注成型陶瓷胚体材料要求的地聚物材料,使用专用减水剂,设计制备不同的原料,配合比的地质聚合物胶凝材料,尝试研究出最大流动度的地聚物,并且研究大流态地聚物材料硬化过程,以及中温(低于600°C)烧结过程对低聚物材料晶相、孔隙结构、力学性能和耐久性能(抗折强度、耐酸碱腐蚀程度)影响规律。

2.研究(设计)的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1 基本内容

材料制备:利用粉煤灰、矿粉、硅灰、偏高岭土制备地质聚合物,并加入专用减水剂,进入标准养护。

材料表征:研究专用减水剂对不同地聚物流动度与凝结时间影响;研究大流态地聚物材料硬化过程,测试地质聚合物力学性能、微观结构随龄期变化,观察专用减水剂对地质聚合物水化过程影响;研究中温(低于600oC)烧结过程对地聚物材料晶相、孔隙结构、力学性能和耐久性能的影响规律; 。

2.2 研究目标

1、掌握可陶瓷化大流态地聚物的制备方法。

2、研究大流态地聚物材料硬化过程,测试地质聚合物力学性能、微观结构随龄期变化,观察专用减水剂对地质聚合物水化过程影响。

3、利用现代测试技术手段,研究地质聚合物硬化过程、烧结过程成分与化学元素变化、力学性能与耐久性和分析中温(低于600oC)烧结过程对地聚物材料晶相、孔隙结构、力学性能和耐久性能的影响规律;。

2.3 技术方案

1.地聚合物的制备

实验时将计量的KOH,蒸馏水混合制备得到浓度为 10mol/L 的氢氧化钾溶液,再加入计算所得的定量的纳米 SiO2粉体,磁力搅拌 24h 直至完全溶解形成硅酸钾即碱(钾)激发溶液。

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