Erosion of geopolymers made from industrial waste文献翻译

兰州交通大学毕业论文 由工业废料制备的地聚物的冲蚀磨损由工业废料制备的地聚物的冲蚀磨损 K C Goretta F Gutierrez Mora D Singh J L Routbort G C Lukey J S J van Deventer 摘要 摘要 本文研究了粒状高炉矿渣 粉煤灰 砂 粘土和岩石组成的地质聚合物的固体 颗粒冲蚀磨损 所用的冲蚀粒子是 390的氧化铝颗粒 冲蚀角度分别为 30o 60o和um 90o 冲蚀速率分别为 50m s 70m s 和 100m s 稳态冲蚀率是单位重量冲蚀粒子所冲 蚀掉的靶材质量 通过扫描电子显微镜 SEM 研究了材料的冲蚀机制 所有的地聚物在 正向冲蚀时的响应与传统的脆性固体类似 但在 30o的情况下会发生反常的加快冲蚀 原因可能是微裂纹的存在以及骨料去除率增加 在 90 时的冲蚀率与速度的 2 3 2 7 次 方成正比 地质聚合物的抗压强度约为 32 57MPa 同类聚合物的冲蚀速率与其密度和 强度息息相关 所有含粉煤灰的地质聚合物的耐冲蚀性比不含粉煤灰的地质聚合物更 好 1 引言引言 地聚物水泥是由碱性硅铝酸盐通过缩聚反应形成的 1 13 几十年来 研究已经从 单纯的地质聚合物材料转向合成的研究 近几年来 地聚物的合成已经聚焦在从废弃 产品 如粉煤灰和炉渣的合成 4 13 虽然对地质聚合物反应的确切机理存在不同的观 点 但显然 往往在废物材料形成加工到最终硬化结构形成时 溶解的起始原料是不 完整的 7 其表面反应是最终地质聚合物结构中未溶解废物颗粒到最终形成地聚合物结 构 8 与目前使用的水泥基材料相比 进行地质聚合物摩擦学性能和耐久性的研 究相对较少 14 19 例如 各种波特兰和磷酸盐水泥的冲蚀磨损 水蚀和固体颗粒冲蚀 的研究 14 15 20 21 虽然我们已经进行高炉矿渣和粉煤灰固体颗粒地聚物水泥的冲蚀 研究 但我们只对一种组合物进行了研究 22 23 我们发现地聚物水泥冲蚀的速度快 从而导致了一个明显的问题是其作为组成物在冲蚀率方面的影响 在这项工作中 我 们已经冲蚀研究了包含鼓风炉炉渣 粉煤灰 沙子 粘土和粗玄武岩聚集体组成的各 种组合的地聚物水泥 其冲蚀率和的材料的损失机制已被确定 2 试验过程试验过程 2 1 试样制备试样制备 粒化高炉矿渣 C 类粉煤灰 砂 粘土 钠 钾硅酸盐用于为起始材料组合 一个 试样组中 加入粗玄武岩达到约为 25 体积的岩石作为最终的复合材料 如表 1 所 兰州交通大学毕业论文 有材料称重然后放入塑料容器中搅拌 300 秒 之后浇铸成一径长比为 1 2 的直径到 50mm 直径参数的圆柱体容器 每个试样振动 2 分钟 以减少空气的滞留 然后在 315 K 和 95 相对湿度下固化 18 小时后 将试样从模具中取出 放入密封的塑料袋中 并在室温下贮存 直到所需的测试 2 2 性能测试性能测试 密度决定于几何形状 抗压 强度 按照澳大利亚标准 1012 9 24 及阿姆斯勒 FM2750 测试装置测得的 50mm 直径的 标本 三个圆柱体容器的每个位 置都进行测试并求实验值的平均 值 样品进行测试为固化 28 天 后通过光学显微镜和扫描电子显 微镜 SEM 对其显微组织进 行了检查 SEM 标本涂有碳 并用 Hitachi S 4700 II 显微镜 东京 日本 进行检查 2 3 磨损测试磨损测试 试样用钻石刀片锯从试样处切断 表面不进行抛光 在较小试样进行研究时可应 人而异用 1 LM 钻石膏抛光 23 在固体颗粒物的侵蚀测试中其挡油环型设备如前所述 25 因试验是在真空 500 毫乇 故空气动力学的影响忽略不计 冲蚀以 0 13g s 的进 给速率是足够低的 冲蚀的颗粒之间的相互作用可以忽略不计 冲蚀的颗粒含量的增加 Al2O3角磨料 刚玉 38 Norton Worcester MA USA 平均直径 390 m 20 23 影响的角度是 30o 60o 或 90o和粒子速度 V 为 50 70 或 100m s 所有冲蚀表面约 19mm 19mm 稳态冲蚀率 ERs in mg g 测定试样的重量损 失 表面的颗粒与重量有关 至少四个测试运行进行了每一个试样 冲蚀磨损用 SEM 检查 在第一次冲蚀磨损后 很显然 样本从大气中吸收水的速度相对变快 为 了确定重量增加的速率 每种组合物的侵蚀样品在实验室空气下的不同的时间 作用 时间被延长至 2 4S 从冲蚀实验中 图 1 增重比失重显的相对重要 不同的热分析 DTA 在空气中所做的测量 Al2O3 标准 升温速率 8 3 10 2K 秒 与哈罗普的 DT726 证明存在大量的挥发性物质吸收 从而演变低于 150 C 图 2 由于环境的影响 为 兰州交通大学毕业论文 了最大限度地减少可能出现的问题 比如吸附的水 实验以确定 ER 值 决定一天内完 成冲蚀磨损的测量 每次运 行之后 试样取出 洗刷 清洁空气损耗并称重 除去试样冲蚀磨损的每个周期要花 14 2 分钟 据估计将平均重量损失的测量精确到 5 由于清洗不彻底 表面和轻微 的吸附水中出现不确定性 在单一变量实验中 只有把 5gAl 2 O3磨料被加到冲蚀实验 中才能产生少数的重叠 使用 SEM 测量其冲蚀磨损的表面损伤形态 对平衡状态和单 冲击损伤位点进行了检查 3 结果与讨论结果与讨论 地质聚合物试样含有明显的孔隙度 平均密度为 2 0 2 2g cm3 这是典型的地质聚 合物 27 28 抗碎强度与密度为最相似的三个试样 B D 所有这些都含有矿渣 粉煤灰 和沙子 强度较低的试样不含有粉煤灰为样品 E 其中包含了大量的玄武岩如下 表 2 假定边缘锋利的玄武岩能产生出集中压力 这将导致强度降低 微观结构中包含 的主要是无定形的基质聚集体残存的沙子或炉渣颗粒键合的各种尺寸和形状的聚集体 兰州交通大学毕业论文 集合体呈最大的标本 一组不含有粉煤灰 样品 E 的玄武岩中夹杂物最大尺寸为 15mm 图 3 微裂纹特别是沿矩阵聚合接 口 普遍存在于所有试样如图 4 试样的重量损失对颗粒的剂量影响其 具有代表性的数据如图 5 所示 照射在表 面的颗粒的重量减少量的数据的最小二乘 方拟合的直线的斜率被定义为 ER 图 5b 这种反应一般没有渗入到原材料中 对于没 有抛光的脆弱金属也是这样的 吸附的水 也可能影响第一组重量损失的测量 试样 兰州交通大学毕业论文 的 ER 值在 90o和 30o最低测试通常是最高的 为保证每个试样的数据是一致的 将 ER 值精确到 10 然而 复制卡特试样 测试在 90o发现试样变化的侵蚀率为 20 23 重复标本的数据分散问题巧妙地更难以进行重复性测量试样之间的 RA 值差 异进一步对比 测量准确的冲蚀率为保证在该装置中的一致性 通常加或减百分之几 23 脆性材料的冲蚀率 ER 值是最高在 90o时的最低掠入射 25 28 35 数据为 100m s 时 遵循预期的趋势 在 50m s 和 70m s 变得较差如图 6 所示 在 50m s 的冲击下 ER 值 几乎不受角度的影响 速度和角度与这种趋势已涉及到每个样品中的总门和微裂纹的 存在下 并去除聚合物集体的影响比较大的规模 23 而不是去除材料通过一系列的弹 塑性相互作用诱导径向和横向的裂纹 比较大的片从表面抬起 角度和速度 侵蚀速率与意想不到的结果被归因于 微观结构的影响 斜向上冲击影响冲 蚀且冲蚀正常的冲蚀率已被证明为典 型的复杂的脆性固体 23 据观察 脆性材料斜入射的影响 不可避免的将高于预测只考虑有正常 分量的速度和形成的横向裂缝 35 34 24 模式 II 或 III 装载模式的作用被认为是 可能的 此外 我们注意到在我们以前特定的地质聚合物的侵蚀研究中 简单的 35 23 几何论述表明 径向裂纹也可能导致粗糙表面的材料损失 例如 多孔陶瓷表现 37 36 出十分严重的材料损失 正如我们在文献 23 中的猜测 在 30o时表现出相对较高的侵 蚀速率 这可能由模式 II 和 III 加载的影响引起和可去除的聚集体引起 从图 6 可以推断出每个角度的冲蚀率与速度 脆性材料的冲蚀模型预测 正常的 影响 ER Vn 其中 n 的取值范围从 2 0 3 4 28 30 地聚合物试样 B 至 E 的影响在 90 兰州交通大学毕业论文 的 n 值范围从 2 3 0 3 至 2 7 0 3 误差线反映了固有的不确定性使测量质量的统计数 据拟合估计 这些值是接近 Ritter 等人的模型所预测的值 2 3 2 4 但是 速率在 100m s 的冲蚀的裂缝基本上无影响 这样的压裂在速度为 50m s 和 70m s 时冲蚀磨损 并不明显 图 7 压裂冲蚀时消耗能量 从而冲蚀率较低 在 100m s 因此质量损失 的数据低于他们之前质量和计算 n 值实际上也是低于原有质量 然而 n 值减少时我们 无法估计的范围 因为水吸附和高流速的重量损失减少的幅度不同 冲蚀的断裂 地聚合物的微观 结构的不均匀其中还有空隙和裂缝 故重量损失的测量是近似的 所获得的数据也很 不理想 这些理想中的差异证明在分析数据时要仔细 对于这个调查最重要的是观察 1 没有粉煤灰的样品 A 冲蚀磨损速度比其它样品更为迅速 事实上它在 50 米 秒的速度时冲蚀磨损速度很快 以至于我们根本无法测试它在 70m s 和 100m s 的冲蚀 磨损速度 2 其中包含大玄武岩夹杂物的样本 E 冲蚀磨损速度基本上样本 B D 一样快 兰州交通大学毕业论文 材料损失是一个在接近于正常的急剧冲蚀磨损反应影响下的理想脆性材料连续的 过程 1 凹陷的产生是因为塑性区域下方的冲击颗粒 2 径向裂纹大致从下面的弹性塑性区垂直于试样表面 这些裂缝诱导 I 型冲蚀磨 损的产生 3 由于冲蚀磨损的颗粒反冲 所产生的拉伸应力状态诱导形成近似平行于表面的 横向裂纹 4 横向裂纹表面有缺口变形 25 28 33 测试方法与 SEM 观察冲蚀传统脆性陶瓷的方法大体一致 稳态冲蚀表面产生很明 显呈不规则和重叠脆性的解理断裂 图 8 单影响区域也产生冲蚀脆性固体的特征 所 观察的两种试样属于同种类型 影响材料冲蚀磨损的原因是形成了许多相对较小的裂 缝 图 9a 其他影响传统脆性固体侵蚀的特性主要有 34 缩进 径向裂纹的形成和 传播的横向裂缝 图 9b 虽然比传统的脆性固体如玻璃 35 或硅单晶 34 地聚合物的影 响较为复杂 他们主要由脆性断裂模型冲蚀影响在 90o时适用于冲击 地质聚合物组合 物冲蚀速率的影响其问题在解决时 最好将冲蚀磨损的五个样品分为三类 炉渣 试 样 A 炉渣 粉煤灰 试样 B D 还有炉渣 粉煤灰 大型玄武岩夹杂物 试样 E 试样的快速冲蚀明确表示加入粉煤灰地质聚合物组合的好处 加入粉煤灰的确切 机制我们正在做研究 可能性包括改进了粘附性 从而实现微观结构中增加了耐冲蚀 粉煤灰基颗粒与原有颗粒之间的差异 还保留了母体颗粒的大小和形状的反应途径 对于粉煤灰 B C 和 D 的试样 冲蚀率与密度和强度来看 密度大 强度硬的试样 通常更能抵御冲蚀 这些结果正如人们所期望的没有环境影响的脆性材料 样本 E 型 复合侵蚀先前的研究就是一个例子 离散阶段 单因素影响的区域相对较小 38 39 对 于这样的复合材料 冲蚀磨损的质量损耗 W 为 1 W m1 W 1 m2 W2 1 其中 m1和 W 1的质量分数是磨损的第 1 阶段 下标 2 是指第 2 阶段 这种所谓的逆规则的混合物归因于其密度 39 样品 E 的密度为 2 05 g cm3和玄武 岩约为 2 9g cm3 40 因此 周围的玄武岩的地质聚合物的密度约为 1 9g cm3 略小于 其他试样 方程 1 中的应用数据如图 6 其表 2 表示的玄武岩比以体积为基准的地聚合 物的耐冲蚀性 现已证实了这一假设即在冲蚀严重的标本中 玄武岩突出高于周围其 它的地聚合物 很明显改善这种类型的复合材料的耐冲蚀性必将增加本身与冲蚀的颗 粒与比较大的耐冲蚀性颗粒的分数 兰州交通大学毕业论文 对脆性材料的冲蚀模型有进一步的指导 矿渣 粉煤灰地聚合物的阻力也许会得 到进一步的改善 冲蚀速率 在一般情况下 与该形式下的横向和径向断裂与长度有 关 冲击压力 P 及其横向裂缝长度 cL为 其中 A 是一个常数 F 是一个几何因子 E 为弹性模量的目标 高度为目标的硬 度 和 KC的临界应力强度因子的目标 33 对于冲击压力 P 与该形式下的径向裂纹 长度 CR为 其中 F 是一个几何因子其他术语的定义同方程式 2 32 这几乎是增加 KC最大 的好处 矿物聚合物复合材料的断裂韧性改善 41 42 已经成熟 它们可能被证明比无钢 筋的地聚合物更耐冲蚀 地聚合物的力学性能 以及对如何改善它们的耐蚀性 目前 做出的努力是专注于更能抵御冲蚀的地质聚合物 43 在复合形式的材料中 有可能会 很快产生 4 结论结论 从各种粒化高炉矿渣 C 类粉煤灰 粘土 砂和玄武岩组合的地质聚合物测试耐 固体颗粒冲蚀 其中不包含粉煤灰地质聚合物冲蚀的速度最快 粉煤灰促进炉渣和沙 的溶解 但其存在改进的耐冲蚀性的机制还有待确定 含有粉煤灰地聚合物表现出与 样本改善了的增强的密度和强度的耐冲蚀材料有类似的侵蚀率 此外 玄武岩有较低 的冲蚀率 例如冲蚀损失重量的测量 但有利的影响是当测量时体积减小 对于所有 的试样 冲蚀之前有脆性裂纹的扩展 在所有地聚合物中有大颗粒和裂纹的存在条件 下 可以得出的结论是在 30o时加速了冲蚀磨损 参考文献参考文献 1 Davidovits J Proceedings of PACTEC 79 Society of plasticengineers Brookfi eld CT 1979 p 151 2 Davidovits J 1991 J Therm Anal 37 1633 3 Davidovits J In Krivenko PV ed Proceedings of the 1stinternational conference on alkaline cem ents and concretes VIPOL Stock Co Ukraine 1994 p 131 4 Gordon M Bell J Kriven WM 2005 Ceram Trans 165 95 5 Campbell KM EL Korchi T Gress D Bishop P 1987 EnvironProg 6 99 6 Van Jaarsveld JGS Van Deventer JSJ Lorenzen L 1998 Metall Mater Trans B 29 283 7 Xu H Van Deventer JSJ 2000 Int J Miner Proc 59 247 8 Phair JW Van Deventer JSJ Smith JD 2000 IndEng Chem Res39 2925 9 Van Jaarsveld JGS Van Deventer JSJ Schwartzmann A 1999 Miner Eng 12 75 10 Xu H Van Deventer JSJ Lukey GC 2001 Ind Eng Chem Res 40 3749 11 Van Jaarsveld JGS Van Deventer JSJ Lukey GC 2002 ChemEng J 89 63 12 Yip CK Lukey GC Van Deventer JSJ 2003 Ceram Trans 153 187 13 Duxson P Lukey GC Van Deventer JSJ Mallicoat SW KrivenM 2005 Ceram Trans 165 95 14 Fwa TF Low EW 1990 Cem Concrete Aggreg 12 101 15 Momber A Kovacevic R 1994 Wear 177 55 兰州交通大学毕业论文 16 Singh D Wagh AS Cunnane J Mayberry J 1997 Environ SciHealth A32 527 17 WaghAS StrainR JeongSY ReedD KrauseT SinghD 1999 J Nucl Mater 265 265 18 Lyon RE Balaguru PN Foden A Sorathia U Davidovits J Davidovics M 1998 Fire Mater 21 67 19 Fletcher RA Mackenzie KJD 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