【摘要】：研究發(fā)現(xiàn)除水化硬化膠凝性能外,水化硅酸鈣還具備接觸硬化膠凝性能。對(duì)含非晶態(tài)水化硅酸鈣的粉體,可以通過壓制成型的方法制備出具有一定強(qiáng)度的硬化試件。使用該方法能在很短的時(shí)間內(nèi)獲得滿足一定強(qiáng)度要求的人造石材,大幅縮短工藝周期。水化硅酸鈣接觸硬化膠凝性能的提出,為新型膠凝材料的制備提供了一條新思路。然而,對(duì)該粉體在壓制壓力作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橛不w方面公開可查的研究文獻(xiàn)很少,學(xué)界尚不掌握這一轉(zhuǎn)化的機(jī)理,使得這一工藝的推廣應(yīng)用受到極大限制。論文針對(duì)上述問題,對(duì)非晶態(tài)水化硅酸鈣接觸硬化動(dòng)力學(xué)過程和成鍵機(jī)理展開研究,研究結(jié)果可為利用各種固體廢棄物制備輕質(zhì)、高強(qiáng)的人造石材提供理論依據(jù)。分別以白炭黑和石英砂為硅質(zhì)原料,生石灰為鈣質(zhì)原料,采用動(dòng)態(tài)水熱合成方法制備不同結(jié)晶度的水化硅酸鈣粉體。將所合成的粉體和結(jié)晶良好的粉體(石英粉、石灰石粉和滑石粉等)在0~80MPa的壓力下壓制成型,測(cè)定成型試件的表觀密度、強(qiáng)度和抗水性,為進(jìn)一步開展理論分析提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。本論文主要利用Heckel公式和Kawakita公式對(duì)水化硅酸鈣的壓制成型過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析;結(jié)合成型試件的力學(xué)性能、抗水性和微觀結(jié)構(gòu),研究粉體在壓制壓力作用下結(jié)構(gòu)鍵的形成原理;同時(shí)建立水化硅酸鈣壓制成型性能與微觀結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)所制備的成型試件表觀密度為500~1500kg/m3時(shí),抗壓強(qiáng)度為4.5~33MPa,抗折強(qiáng)度達(dá)1.0~6.5MPa,軟化系數(shù)在0.4~0.8。Heckel曲線表明在20~80MPa的壓制壓力下,粉體的密實(shí)度與壓制壓力間的關(guān)系可以用化學(xué)反應(yīng)一級(jí)動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型來表示。其次,利用自行設(shè)計(jì)的一套壓制量熱計(jì),較為準(zhǔn)確地測(cè)試出粉體在壓制成型過程中的溫度變化。測(cè)試發(fā)現(xiàn),水化硅酸鈣的接觸硬化是一個(gè)放熱過程,壓制過程中的放熱溫升受粉體的性能和壓制壓力的關(guān)系影響較大,此外成型試件的抗壓強(qiáng)度與最大放熱溫升呈良好的線性關(guān)系。本論文還探討了干燥工藝和循環(huán)壓制對(duì)水化硅酸鈣接觸硬化性能的影響,并采用各種含硅酸鹽的固體廢棄物驗(yàn)證該理論的實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,過高的干燥溫度(80oC)會(huì)破壞水化硅酸鈣結(jié)構(gòu),從而影響成型試件的抗水性,干燥溫度過低(40oC)則導(dǎo)致試件表觀密度過高。此外,隨著壓制次數(shù)增加,粉體逐漸失去膠凝性能,成型試件表觀密度增加,強(qiáng)度降低,循環(huán)壓制次數(shù)不宜超過4次�；谏鲜鰧�(shí)驗(yàn)結(jié)果,建立了符合水化硅酸鈣接觸硬化的膠體模型,并得出以下主要結(jié)論:(1)非晶態(tài)水化硅酸鈣的接觸硬化進(jìn)程包括接觸面積的增加和結(jié)構(gòu)鍵的形成兩部分。粉體的硬化由顆粒接觸引起,這是一個(gè)由低密度向高密度水化硅酸鈣轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)有序化過程,所產(chǎn)生接觸類型和結(jié)構(gòu)鍵具有抗水性和部分可逆性。(2)水化硅酸鈣的壓制成型過程可分為顆粒重排和顆粒塑性變形/細(xì)化兩個(gè)階段。在壓制壓力為0~20MPa時(shí),主要發(fā)生顆粒重排,表現(xiàn)為以點(diǎn)接觸為主的凝聚接觸,顆粒間通過范德華力和氫鍵相結(jié)合,作用力較弱,試件強(qiáng)度低。在較高壓制壓力下,因顆粒細(xì)化或水化硅酸鈣的塑性變形,點(diǎn)接觸逐漸轉(zhuǎn)化為具有縮聚特性的面接觸,并形成固體橋鍵和機(jī)械嚙合力等作用力較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)鍵,試件強(qiáng)度提高。(3)水化硅酸鈣的接觸硬化過程伴隨著熱量的釋放,其放熱規(guī)律可以分為初始期、加速期、減速期和衰退期四個(gè)階段。結(jié)合放熱溫升曲線,發(fā)現(xiàn)在本論文所采用的實(shí)驗(yàn)條件下,成型試件的抗壓強(qiáng)度()與最大放熱溫升()存在如下數(shù)學(xué)關(guān)系:=1.93?。(4)初始期放熱溫升較低,主要由顆�；坪椭嘏判纬煞肿娱g力所致;加速期與顆粒細(xì)化和塑性變形有關(guān),結(jié)構(gòu)鍵大量形成,因而放熱溫升快速提高;減速期的出現(xiàn)與恒壓階段粉體發(fā)生塑性變形并繼續(xù)生成少量的結(jié)構(gòu)鍵有關(guān);衰退期則是散熱速率大于顆粒間結(jié)構(gòu)鍵形成速率的結(jié)果。(5)當(dāng)水化硅酸鈣的結(jié)晶度提高或比表面積降低時(shí),其接觸硬化性能減弱。粉體中可蒸發(fā)水含量也影響其接觸硬化性能:較低含量的可蒸發(fā)水可以促使結(jié)構(gòu)鍵的形成;而當(dāng)可蒸發(fā)水含量大于32%時(shí),將弱化顆粒的接觸并對(duì)結(jié)構(gòu)鍵產(chǎn)生拆分作用。
【圖文】：

圖 1.6 粉體材料密實(shí)體模型(a) 分散顆粒模型，(b)“瑞士奶酪”模型[72]Fig. 1.6 Models to describle the physical structure of the powder compaction after[72]: (a) dispersivpowder in the air; (b) ”Swiss Cheese” model金屬粉末壓制過程通常包括粉體顆粒的重排和變形。顆粒重排主要發(fā)生在壓制壓力較小階段；隨著壓制壓力的提高粉體顆粒可能發(fā)生彈性變形和（或）塑性變形，從而使得壓實(shí)體的表觀密度進(jìn)一步降低。同時(shí)，顆粒間距大幅度降低使得接觸面增大，顆粒間的作用力也得到大幅提高，最終形成具有一定強(qiáng)度的密實(shí)體。迄今為止，研究者已提出多個(gè)數(shù)學(xué)公式來闡述粉體的壓制機(jī)理。其中 Heck公式和 Kawakita 公式廣為人所知。Heckel 公式是在 1961 年由 Heckel[73]根據(jù)金屬粉末在壓制過程中孔隙率變化提出的。他發(fā)現(xiàn)金屬粉末密實(shí)體的表觀密度與孔隙率變化呈線性關(guān)系。換言之，在壓制過程中粉密實(shí)度的變化和壓制壓力間的關(guān)系可以用化學(xué)反應(yīng)一級(jí)動(dòng)力學(xué)公式來表示，并基于此獲得了相應(yīng)的 Heckel 曲線（圖 1.7提出了金屬粉末在壓制過程中遵循三階段機(jī)理：①階段 I：顆粒的重排，主要發(fā)生在壓制壓力較低的情況下。此時(shí)，，顆粒具有

圖 1.7 Heckel 曲線的三階段壓制成型機(jī)理[73]ages compaction mechanism for metal powder according to Hecke圖 1.8 四階段壓制成型理論[76]es of compaction mechanism with respect to the degree of compre
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ177.5

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本文編號(hào)：2541188