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1制作非传统胶凝材料的天然原料1

前言1

1.1概述1

1.1.1原料的种类和分类1

1.1.2各种天然原料的特点3

1.2碳酸盐类矿物3

1.2.1石灰石4

1.2.2菱镁矿11

1.2.3白云石27

1.3硫酸盐类矿物——石膏与硬石膏28

1.3.1硬石膏29

1.3.2石膏31

1.4二氧化硅（硅石）类原料39

1.4.1含有SiO2的矿物和岩石39

1.4.2 SiO2的晶体结构与同质多晶体39

1.4.3 SiO2的晶体结构40

1.4.4石英的主要种类42

1.4.5石英在非传统胶凝材料中的用途42

1.5黏土类原料43

1.5.1概述43

1.5.2黏土矿物的结构43

1.5.3黏土矿物受热时的变化48

1.5.4黏土矿物的性质50

1.5.5黏土矿物在非传统胶凝材料中的应用53

1.6火山灰58

1.6.1概述58

1.6.2火山灰的化学成分59

1.6.3火山灰的活性和测定方法60

1.6.4火山灰在胶凝材料中的应用60

小结61

参考文献61

2制作非传统胶凝材料的人工原料63

前言63

2.1工业固体废弃物概述63

2.1.1工业固体废弃物的产生63

2.1.2工业固体废弃物的化学成分64

2.1.3各种工业固体废弃物原料中存在的矿物和结晶状态64

2.1.4 以玻璃体状态或以无定形状态存在的工业固体废弃物65

2.1.5工业固体废弃物中离子与原子间的排列结构65

2.1.6各种工业固体废弃物的排放及应用66

2.1.7水泥工业在应用工业固体废弃物中“价值观”的演变66

2.2黑色冶金工业排放的固体废弃物67

2.2.1高炉矿渣68

2.2.2炼钢炉渣79

2.2.3硅灰86

2.3有色冶金工业排放的固体废弃物87

2.3.1赤泥87

2.3.2其它93

2.4化学工业排放的固体废弃物93

2.4.1磷渣93

2.4.2电石渣99

2.4.3磷石膏100

2.5热电工业排放的固体废弃物101

2.5.1粉末燃料飞灰——粉煤灰101

2.5.2烟气脱硫石膏109

2.6尾矿——煤矸石113

2.6.1煤矸石的产生113

2.6.2煤矸石的矿物组成和化学成分114

2.6.3煤矸石的活性和活化措施117

2.6.4煤矸石的选煤措施121

2.6.5煤矸石活性的评价方法122

2.6.6煤矸石的应用123

小结124

参考文献125

3制备非传统胶凝材料的方法（Ⅰ）——普通煅烧法127

前言127

3.1以简单热分解热处理单一原料127

3.1.1分解反应127

3.1.2以MgCO3制备M gO133

3.2脱水反应133

3.3高温下煅烧原料混合物133

3.3.1制备硅酸盐水泥熟料的原料混合物间的反应133

3.3.2铝酸盐水泥熟料的形成148

小结153

参考文献154

4制备非传统胶凝材料的方法（Ⅱ）——水热合成法与溶胶-凝胶法155

前言155

4.1水热合成法155

4.1.1基本概述155

4.1.2水热合成法的分类155

4.1.3水热合成法体系中反应的特点156

4.1.4晶体生长与粉体合成的水热反应157

4.1.5水热合成法在制备材料中的应用158

4.1.6水热合成法在制备无机胶凝材料中的应用158

4.1.7低温水热合成粉煤灰水泥159

4.2溶胶-凝胶法160

4.2.1发展简史160

4.2.2名词术语160

4.2.3溶胶-凝胶法的基本原理和反应162

4.2.4溶胶-凝胶法的工艺过程163

4.2.5溶胶-凝胶法在无机胶凝材料中的应用172

小结172

参考文献172

5制备非传统胶凝材料的方法（Ⅲ）——机械力化学法和化学激发法174

前言174

5.1机械力化学法——一门新兴的交叉学科174

5.1.1机械力化学的概念及发展174

5.1.2固体物质在机械力作用下发生的效应175

5.1.3机械力化学作用的原理和过程178

5.1.4颗粒的粒径与比表面积的变化180

5.1.5密度的变化181

5.1.6脱水效应182

5.1.7结构变化185

5.1.8混合物在机械力作用下的化学反应191

5.1.9机械力化学效应在制备胶凝材料中的应用194

5.1.10机械力化学效应的检测和判断方法201

5.1.11机械力化学在应用中的优缺点202

5.1.12前景和展望202

5.2化学激发法——一种全新的制备非传统胶凝材料的方法203

5.2.1化学激发胶凝材料的含义203

5.2.2制备化学激发胶凝材料的工艺过程204

5.2.3主要原料204

5.2.4化学激发胶凝材料的形成特点205

小结205

参考文献206

6化学激发（碱激发）胶凝材料208

前言208

6.1化学激发胶凝材料概述208

6.1.1化学激发胶凝材料的含义208

6.1.2化学激发胶凝材料的特点208

6.1.3化学激发胶凝材料与硅酸盐水泥的异同209

6.2化学激发胶凝材料的发展过程和现状210

6.2.1比利时A.O.Purdon的发现和工作210

6.2.2苏联В.Д.Глуховский和П.В.Кривенко的工作210

6.2.3法国J.Davidovits的工作和Geopolymer一词的提出211

6.2.4欧洲和国际上对化学激发胶凝材料的关注212

6.2.5我国在化学激发胶凝材料领域的研究现状212

6.3化学激发胶凝材料的生产工艺过程213

6.3.1生产工艺流程213

6.3.2主要原料213

6.3.3碱的种类和性能215

6.4化学激发胶凝材料的分类和命名220

6.4.1化学激发胶凝材料的分类220

6.4.2化学激发胶凝材料的命名222

6.4.3碱激发胶凝材料的类别223

6.5化学激发胶凝材料的性能224

6.5.1化学激发胶凝材料的性能特点224

6.5.2力学性能224

6.5.3耐久性226

6.5.4碱-集料反应226

6.6 CaO-Al2O3-SiO2和Al2O3-SiO2玻璃体结构227

6.6.1玻璃体结构的一般概念227

6.6.2 CaO-Al2 O3-SiO2体系与Al2 O3-SiO2体系的玻璃体结构的特点和差异228

6.7化学激发胶凝材料与水的反应过程和机理230

6.7.1 A.O.Purdon的碱催化作用机理231

6.7.2 В.Д.Глуховский的“结构破坏-絮凝-聚合结晶”三阶段理论232

6.7.3铝硅酸盐矿物受碱激发的过程——“溶解—无定形产物形成—生成物聚合”的3个步骤234

6.7.4 J.Davidovits的沸石机理236

6.7.5 A.O.Palomo的沸石前驱体机理238

6.7.6碱激发胶凝材料和硅酸盐水泥熟料与水反应的异同239

6.8碱激发胶凝材料的品种239

6.8.1高钙含量的碱激发胶凝材料239

6.8.2原材料中无钙或少钙的碱激发胶凝材料245

6.9化学激发胶凝材料的反应过程与硅酸盐水泥水化的异同253

6.9.1反应过程和水化放热过程的相同点253

6.9.2反应机理的不同点254

6.9.3反应产物的不同点254

6.9.4浆体结构254

6.10杂交（杂化）胶凝材料256

6.10.1杂交胶凝材料概述256

6.10.2杂交胶凝材料的关键问题256

6.10.3杂交胶凝材料的品种259

6.10.4杂交胶凝材料的前景262

小结262

参考文献262

7大掺量混合材料硅酸盐水泥267

前言267

7.1传统和非传统硅酸盐水泥267

7.1.1传统硅酸盐水泥267

7.1.2非传统硅酸盐水泥269

7.2传统硅酸盐水泥工艺所面临的挑战269

7.2.1传统硅酸盐水泥生产的不可持续发展性269

7.2.2硅酸盐水泥熟料生产工艺过程的不合理性271

7.2.3应对措施272

7.3非传统硅酸盐水泥的实质272

7.3.1对于工业固体废弃物在水泥中应用的价值观的变迁272

7.3.2提高工业固体废弃物在水泥中掺加量的措施273

7.4矿渣和粉煤灰的超细粉磨工艺276

7.4.1矿渣的超细粉磨276

7.4.2粉煤灰的粉磨工艺277

7.4.3分别粉磨后的混合283

7.5大掺量磨细矿渣硅酸盐水泥283

7.5.1矿渣微粉的活性与矿渣硅酸盐水泥性能的关系283

7.5.2钢渣-矿渣硅酸盐水泥288

7.6大掺量粉煤灰水泥290

7.6.1概述290

7.6.2内蒙古鄂尔多斯电厂的粉煤灰试验292

7.6.3内蒙古伊敏电厂的粉煤灰的试验297

7.7大掺量磷渣硅酸盐水泥305

7.7.1磷渣活性的激发305

7.7.2磷渣水泥的凝结时间与调整305

7.8对大掺量矿渣水泥后期强度高于硅酸盐水泥原因的初步探讨306

小结307

参考文献307

8硅酸二钙和硅酸二钙水泥309

前言309

8.1硅酸二钙晶体的同质异晶和结构309

8.1.1硅酸二钙的化学组成和固溶体309

8.1.2硅酸二钙的多晶型309

8.1.3硅酸二钙各种晶型的晶体结构316

8.1.4硅酸二钙多晶转变类型318

8.1.5硅酸二钙相变动力学319

8.1.6硅酸二钙高温相的稳定320

8.1.7各种晶型硅酸二钙的水化性能322

8.2以硅酸二钙为主要矿物的高贝利特硅酸盐水泥324

8.2.1生产以硅酸二钙（贝利特）为主要矿物的水泥的意义325

8.2.2生产高硅酸二钙含量的水泥熟料的可行性326

8.2.3以硅酸二钙为主要矿物组成的低碳型硅酸盐水泥327

8.3高贝利特硅酸盐水泥基混凝土的制备与性能332

8.3.1外加剂的选择332

8.3.2高贝利特硅酸盐水泥混凝土的工作性332

8.3.3高贝利特硅酸盐水泥混凝土的力学性能333

8.3.4高贝利特硅酸盐水泥混凝土的耐久性334

8.3.5生产高贝利特硅酸盐水泥和混凝土的优越性335

8.4高活性β型硅酸二钙336

8.4.1高活性β型硅酸二钙的概念的提出337

8.4.2水热合成-低温烧成联合法制备高活性β-C2S338

8.4.3合成产物的鉴定340

8.4.4高活性β-C2S的形成机理343

8.4.5高活性β-C2 S的水化350

8.4.6活性β-C2 S的性能352

8.4.7水热合成-低温煅烧的β-C2 S活性高的原因探讨353

小结354

参考文献354

9贝利特-铝酸盐水泥和贝利特-硫铝酸盐水泥357

前言357

9.1贝利特-铝酸盐水泥357

9.1.1研究贝利特-铝酸盐水泥的出发点357

9.1.2从化学组成和矿物组成分析357

9.1.3铝酸盐矿物359

9.1.4贝利特-铝酸盐水泥熟料的形成360

9.1.5贝利特-铝酸盐水泥的水化362

9.1.6贝利特-铝酸盐水泥的性能363

9.1.7其它贝利特-铝酸盐水泥365

9.2波色尔水泥365

9.2.1 CaO-Al2O3-SiO2-SO3四元体系365

9.2.2波色尔水泥熟料的化学成分和矿物组成365

9.2.3波色尔水泥生料的配料366

9.2.4波色尔水泥熟料的形成366

9.2.5波色尔水泥的水化367

9.2.6波色尔水泥的性能367

9.3改进型贝利特-硅酸盐水泥368

9.3.1理论依据368

9.3.2改进型硅酸盐水泥矿物组成的设计368

9.3.3改进型硅酸盐水泥熟料的制备和性能370

9.4硫铝酸盐水泥——第3系列水泥371

9.4.1硫铝酸盐水泥中的主要矿物371

9.4.2硫铝酸盐水泥熟料的制备373

9.4.3无水硫铝酸盐水泥的水化375

9.4.4硫铝酸盐水泥的性能376

9.4.5硫铝酸盐的应用376

9.4.6含Ba （Sr）的硫铝酸盐水泥377

9.5低温合成低钙-粉煤灰水泥377

9.5.1低温水热合成粉煤灰水泥的由来377

9.5.2新工艺的构思377

9.5.3低温合成粉煤灰水泥的工艺流程378

9.5.4低温合成粉煤灰水泥的矿物形成及机理378

9.5.5低温合成的粉煤灰水泥的特性385

9.5.6低温合成的粉煤灰水泥的用途387

9.5.7对低温合成粉煤灰水泥的展望388

小结389

参考文献389

10磷酸盐胶凝材料391

前言391

10.1元素磷及其化合物391

10.1.1元素磷391

10.1.2磷的氧化物392

10.1.3磷酸和磷酸盐及其结构392

10.2磷酸镁胶凝材料395

10.2.1磷酸镁胶凝材料特性395

10.2.2磷酸镁胶凝材料的组成395

10.2.3磷酸镁胶凝材料的性能396

10.2.4磷酸镁胶凝材料与水反应的过程和产物399

10.2.5磷酸盐胶凝材料用作修补和抢修材料400

10.3磷酸盐骨水泥402

10.3.1引言402

10.3.2磷酸盐骨水泥的理论基础——羟基磷灰石的形成403

10.3.3磷酸四钙粉料的制备404

10.3.4磷酸钙骨水泥的制备404

10.3.5磷酸钙骨水泥与溶液反应的过程405

10.3.6磷酸钙骨水泥的性能及影响因素408

10.3.7提高CPC强度的措施411

10.4磷酸盐化学键结合陶瓷（CBC）材料412

10.4.1概述412

10.4.2 CaO-SiO2-P2O5 （H2O）体系材料的初期研究413

10.4.3磷酸盐CBC材料的合成413

10.4.4 CaO-SiO2 -P2O5-H2O体系中CBC材料的原料配比420

10.4.5磷酸盐CBC材料的水化424

10.4.6 CBC材料的水化产物431

10.4.7 CBC材料的水化反应过程435

10.4.8磷酸盐胶凝材料在其它材料中的应用436

小结436

参考文献437

11水与不同的无机胶凝材料间的作用439

前言439

11.1水439

11.1.1水的化学组成、化学式和物理状态439

11.1.2水的特性440

11.1.3溶液441

11.1.4水的电离和酸碱理论441

11.2水泥加水后的化学反应442

11.2.1对水泥水化的有关经典描述442

11.2.2水解反应与水化反应443

11.3水对不同胶凝材料的作用444

11.3.1水以分子状态结合在化合物中444

11.3.2水以OH-状态掺入原化合物的晶体结构中而成为结晶体结构的结点444

11.3.3在水解反应的同时形成新的含水的化合物444

11.3.4体系中两种及其以上化合物与水共同反应而生成新的且复杂的含水化合物445

11.3.5材料组成之间进行酸-碱反应446

11.3.6水对碱激发胶凝材料的作用446

小结448

参考文献448

12硅酸钙水化物和C-S-H凝胶449

前言449

12.1水化硅酸钙的名称449

12.2含水的多元体系450

12.2.1含水体系的特点450

12.2.2 CaO-SiO2 -H2O体系451

12.3 C-S-H凝胶的组成和测定方法454

12.3.1 C-S-H凝胶的特点454

12.3.2 C-S-H凝胶的化学组成的测定455

12.4 C-S-H凝胶的合成456

12.4.1 C-S-H凝胶的合成方法456

12.4.2合成条件对C-S-H组成的影响457

12.5 C-S-H凝胶的性状和应用460

12.5.1 C-S-H的颗粒和比表面积460

12.5.2 C-S-H凝胶的吸附性能460

12.6 C-S-H凝胶的结构461

12.6.1 C-S-H的晶体学结构——托勃莫来石/羟基硅钙石462

12.6.2富钙和富硅C-S-H结构模型——不同n（CaO）/n（SiO2）比值的C-S-H凝胶结构466

12.6.3 C-S-H的纳米结构和介观结构模型468

12.6.4 C-S-H纳米结构模型的进展——高密度和低密度C-S- H的观点469

12.7凝胶的定义和特性471

12.7.1凝胶的定义471

12.7.2凝胶的分类471

12.7.3凝胶的特性472

小结472

参考文献473

13无机聚合物和无机胶凝材料475

前言475

13.1高分子或聚合物475

13.1.1高分子的定义475

13.1.2高分子的分类475

13.2有关高分子的术语476

13.2.1单体476

13.2.2官能团476

13.2.3官能度和平均官能度476

13.2.4本体聚合476

13.2.5均聚合和共聚合476

13.2.6逐步聚合476

13.2.7连锁聚合477

13.2.8结构单元477

13.2.9高分子的相对分子质量477

13.2.10数均聚合度478

13.2.11齐聚反应和齐聚物479

13.3无机高分子或无机聚合物概述479

13.3.1无机聚合物的特点479

13.3.2可构成无机聚合物物质的元素480

13.3.3无机聚合物的分类481

13.3.4无机聚合物的命名482

13.4链状结构硅酸盐和铝硅酸盐无机聚合物482

13.4.1硅酸盐水泥在水化过程中硅酸钙的聚合反应482

13.4.2水化硅酸钙（C-S-H）的聚合482

13.4.3水泥中C3 S和C 2S水化物的聚合机理及聚合过程485

13.5三维结构无机聚合物——沸石487

13.5.1沸石名称的来源487

13.5.2沸石的结构487

小结490

参考文献490

14几种应用于胶凝材料的常用测试方法491

前言491

14.1三甲基硅烷化-气液相色谱和凝胶色谱法491

14.1.1三甲基硅烷化方法的基本原理和反应491

14.1.2方法的进展492

14.1.3三甲基硅烷化测定[SiO4]4-四面体聚合态的优点和局限493

14.1.4三甲基硅烷化方法的应用494

14.2 X射线荧光分析497

14.2.1 X射线荧光概述497

14.2.2 X射线荧光用于化学分析及其特点499

14.2.3 X射线荧光分析的基本原理500

14.2.4测试试样的制备500

14.2.5与常规化学分析比较500

14.3多组分材料晶相组成的X射线定量分析方法501

14.3.1测定硅酸盐水泥熟料的矿物组成501

14.3.2测定混合水泥中矿渣的含量502

14.3.3测定粉煤灰的矿物组成的含量502

14.4高分辨率固体核磁共振波谱学502

14.4.1基本原理502

14.4.2固体高分辨核磁共振谱503

14.4.3固体高分辨核磁共振谱用于测定胶凝材料结构的特征504

14.4.4 27 Al和29 Si的测定——29 Si和27 AlNMR化学位移与结构的关系504

14.4.5硅酸盐结构分析举例507

14.5玻璃体和无定形相的定量测定508

14.5.1化学萃取法508

14.5.2 Rietveld定量法测定510

14.5.3 Rietveld定量法与化学法的协同测定510

14.5.4实际应用举例——对鄂尔多斯粉煤灰的测定分析512

小结516

参考文献516

后记518