河南理工大学管学茂/赵瑞奇CCR:Mg在硅酸盐水泥熟料中的固溶行为和掺杂倾向

  • 392
  • A+
▲第一作者:赵瑞奇

通讯作者:管学茂
通讯单位:河南理工大学

背景介绍


深地材料的研究是《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》的前沿领域之一。硅酸盐水泥广泛应用于工业建筑、民用建筑、水利、交通等领域,在基础设施建设中占据不可替代的主导地位。巨大的需求导致原料短缺,我国低品质的高Mg石灰石含量丰富,充分利用这些石灰石生产硅酸盐水泥成为亟需解决的问题。而Mg的不同存在形式对水泥及其水化产物的力学性能影响巨大,因此,确定Mg在硅酸盐水泥熟料中的存在形态、在各组成相中的固溶倾向以及提高固溶度成了利用这些低品质石灰石的关键

硅酸盐水泥熟料是一个复杂的体系,主要由硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙(C3A)和铁铝酸四钙(C4AF)的固溶体组成,确定Mg在这个复杂体系的固溶行为具有很大的挑战性。近日,河南理工大学“河南省深地材料科学与技术重点实验室”的管学茂教授和赵瑞奇副教授在该领域取得突破性进展,相关成果发表在《Cement and Concrete Research》。

本文亮点


1. 通过元素分布确定了Mg在硅酸盐水泥熟料硅酸盐相和中间相中的分布,指出中间相可以固溶更多的Mg
2. 通过以硅粉为内标的XRD和Rietveld精修,确定了Mg在硅酸盐水泥熟料各组成相的固溶倾向,C3SC3A > C2S,Mg在三种矿物中的固溶行为通过取代Ca形成取代固溶体,Mg在该熟料中的固溶度约为1.3 wt%
3. 通过第一性原理确定了C4AF 对Mg的固溶能力并揭示了决定Mg在硅酸盐水泥熟料中固溶度的影响因素
4. 研究结果表明,通过提高C3SC3AC4AF的含量,可以增加Mg在硅酸盐水泥熟料中的固溶度,有利于利用低品质的高Mg石灰石。

图文解析



图1 硅酸盐水泥熟料中主要的四种矿物:(a)C3S, (b) C2S, (c) C3A, (d) C4AF。

  

图2 硅酸盐水泥熟料的相图和元素分布。


图3 掺Mg硅酸盐水泥熟料(a, c)和中间相(b, d)的X射线衍射谱图。结合Mg和离子半径的差异,可以确定Mg在C3SC2C3A 中取代Ca


图4 Rietveld精修的代表谱图、各相组成和不同掺量下各矿物的晶胞体积变化。根据相对晶胞体积的变化趋势,可以确定Mg在各相中的固溶度:C3SC3A > C2S,Mg在C4AF可能会取代多种元素


图5 引入一个Mg原子和不同含量的Mg,各矿物的形成能。掺Mg量增加后,形成能剧烈增加表明取代难度的增加

  

图6 掺Mg前后的键能-键级分布。根据Mg-O和X-O(X=Ca, Si, Al, Fe)的键能-键级分布,可以判断Mg更容易取代Fe,其次是Ca,表明Mg在C4AF中具有较大的固溶度


原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008884621000697


作者简介


管学茂,河南理工大学材料学院二级教授,博士生导师,河南省教学名师,河南省杰青、杰出人才,河南省材料科学与工程重点学科带头人,河南省矿业材料创新型科技团队带头人。主要研究方向有固碳胶凝材料及制品、固废资源化利用、水泥混凝土纳米材料外加剂、混凝土耐久性、深地工程材料等,主持承担国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划课题等国家项目 10 项;获省部级奖励 12 项,发表学术论文 200余篇,出版著作 3 部。

赵瑞奇,河南理工大学材料学院副教授,硕士生导师,河南省微尺度理论模拟与设计创新型科技团队带头人,课题组主页:http://www6.hpu.edu.cn/web4/index.htm。主要研究方向有固废资源化利用、低维材料的设计、性质与生长机理,主持省部级以上项目10余项,获河南省科技进步奖三等奖一项,发表SCI论文60余篇。


weinxin
我的微信
关注我了解更多内容

发表评论

目前评论: