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1、胶凝材料设计1方案一(黄志斌的方法)：1.1 原材料参数表1-1原材料参数材料化学参数物理参数SiO2(%)A12O3(%)平均粒径(um)堆积密度(kgm3)表观密度(kgm3)水泥22.384.52013163170矿粉33.915.71010002910粉煤灰44.338.769802180以上材料参数：SiO2、Ab3和堆积密度为水泥厂检测，平均粒径由颗粒级配估算得出，表观密度由各厂商提供。1.2 水泥与矿粉质比的计算根据黄志斌的论文，在控制胶凝材料比例方面，化学反应起主要作用。在考虑化学反应时，原则为尽可能地消耗水泥水化产生的Ca(OH)2o水泥熟料的化学组成见表1-2,以下数据由水
2、泥厂检测。化合物名称氧化物成分缩写符号含量()硅酸三钙3CaO.SiO2C3S61.7硅酸二钙2CaO.SiO2C2S20.5铝酸三钙3CaO.Al2O3C3A5.13铁铝酸四钙4CaO.Al2O3.Fe2O3C4AF12.15表1-2水泥熟料化学组成水泥的水化机理大致如下:水泥的水化机理大致如下：2(3CaO.SiO2)+6H2O=3CaO.2SiO2.3H2O+3Ca(OH)2(1-1)2(2CaO.SiO2)+4H2O=3CaO.2SiO2.3H2O+Ca(OH)2(1-2)3CaO.AI2O3+6H2O=3CaO.AI2O3.6H2O(1-3)4CaO.AI2O3.Fe2O3+7H2O
3、=3CaO.AI2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.H2O(1-4)假设IoOg水泥，由表L2可计算出QS、C2SC3A.CdAF质量为61.7g、20.5g、5.13g、12.15g。而C3SC2S、C3A、C4AF的摩尔质量分别为228gmol172gmok270g/mok486g/moL通过计算可以算出其C3S、C2SxC3AC4AF摩尔量为0.27mok0.119moL0.019mol、0.025moU因为C3S的摩尔量为0.27mol在化学反应式中根据化学反应式的系数比(即摩尔量比)可以反应生成Ca(OH)2为0.405mol、C2S的摩尔量为0.119mol在化学反应式根据化学反
4、应式的系数比(即摩尔量比)中可以反应生成Ca(OH)2为0.0595mol。所以C3S.C2S反应生成的Ca(OH)2共计摩尔量为0.466moLCa(OH)2+SiO2+mH2O=CaO.SiO2.mH2O(1-5)0.466mol的Ca(OH)2在化学反应式中根据化学反应式的系数比(即摩尔量比)化学反应消耗SiO?为0.466mol。由于SiCh的摩尔质量为60gmol,可计算出SiCh的质量MSio2为27.93g。由表1.2可以看出矿粉中SiO2质量分数为33.9%,及矿粉的质量为27.930.339=82.39g,因为作为活性Sio2不可能完全反应，而且Sio2还有填充的作用，所以实
5、验中定矿粉的用量为85g,此时Msp：MC=O.85：1。1.3 水泥、矿粉、粉煤灰质比的计算在上述比例的基础上，采用粉煤灰代替水泥，进行各取代率下的堆积密度计算，具体计算步骤详见黄志斌论文。计算结果见表1-3表1-3水泥、矿粉、粉煤灰三元体系的堆积密度组号水泥、矿粉、粉煤灰质量比粉燥灰、矿粉、水泥三元体系堆积密实度K水泥矿粉粉煤灰110.8500.63520.90.850.10.63930.80.850.20.63640.70.850.30.630从表1-3可看出，第2组水泥：矿粉接近1:0.85,同时其堆积密度达到最大，所以定第2组为最佳比例。所占质量分数为水泥50%,矿粉45%,粉煤灰5
6、%。2方案二:2.1 根据最大堆积密度确定矿粉与粉煤灰的比例应用Aim与GOff模型模型，确定矿粉与粉煤灰达到最大堆积密度时的比例，计算如下：对于含有两种粒径颗粒的二元颗粒体系，可用Aim和GOff等人发展的数学模型对其堆积密实度进行估算。按照该模型,此二元体系中存在一个最大堆积密实度K*,且此时尺寸较小的颗粒所对应的体积分数Ul*可用下式计算。(2-1)U*JM9d仙川西2-(l+0.9dd2)(I-E2)式中:dl为小颗粒的平均粒径;d2为大颗粒的平均粒径;E2为大颗粒材料的空隙率。当UU产时,系统的堆积密实度K可用下式表示K=(1-E2)(2-3)U+(l-U)(l+0.9dd2)(l-
7、E2)式中：Ul为小颗粒的体积分数。孔隙率的计算公式如下：e=ccPCF(2-4)联立公式(2-1)、(2-4)根据表1-1可以得出矿渣粉和粉煤灰二元体系中存在一个最大堆积密实度，且此时尺寸较小的颗粒所对应的体积分数Ul*=14%,(2-5)(2-6)(2-7)(2-8)即Vsp：Vc=86%:14%而且VSP+VC=1根据公式：MSP=VSPPSPFMf=VfPf式中：MSp、MC为矿粉和粉煤灰二元体系体积为1时的矿粉质量、粉煤灰质量。联立公式(2-5)(2-7)(2-8)根据表1-1,代入数据以得出Msp：Mf=I：0.16。同时根据公式(2-2)或(2-3)可以得出矿粉和粉煤灰二元体系最
8、大堆积密实度K=0.63202.2 确定水泥、矿粉、粉煤灰的比例将矿粉、粉煤灰看做一个整体，其中两者之间的比例按上述计算结果，Msp:Mf=I:0.16。首先确定消耗Ca(OH)2的量。假设矿粉IOog,粉煤灰16g。根据表1-1,则矿粉中SQ为33.9g,AI2O3为15.7g,粉煤灰中SQ为6.19g,AI2O3为7.09g。其中SiCh的摩尔质量为60gmol,AI2O3的摩尔质量为100g/mol。则矿粉中SiCh为0.565mol,Al2O3为0.157mol,粉煤灰中SiO2为0.062mol,Al2O3为0.118mol。所以共有SiO2为0.683mol,AI2O3为0219m
9、ol,AI2O3与Ca(OH)2反应如下：AI2O3+Ca(OH)2+3H2O=CaAI(OH)42(2-9)根据(l5)(2-9)可知，矿粉100g,粉煤灰16g共可消耗Ca(OH)2为0902mol。所以消耗1molCa(OH)2需要矿粉110.86g,粉煤灰17.74g。由上可知，10Og水泥完全水化生成Ca(OH)2为0.466mol,此时需要矿粉5L56g,粉煤灰8.26g。质量分数为水泥65%,矿粉30%,粉煤灰5%。3关于假定以上两种计算方法都是认为水泥、矿粉、粉煤灰中的活性物质均是完全反应。现在对水泥水化程度，以及关于矿粉、粉煤灰中的活性物质有多少参与二次水化反应的研究还比较少，所以我简单地假定水泥、矿粉、粉煤灰中的活性物质均是完全反应的。关于活性指数，是指受检胶砂和基准胶砂试件在标准条件下养护至相同规定龄期的抗压强度之比，用百分数表示。它是反映火山灰反应，填充效应，减水效应的总和，综合表示活性矿物的活性，不能反映其中的活性矿物多少参与二次水化反应，无法被以上两种计算方法所利用。
