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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 gO 133

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-C2S 338

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