水化硅酸钙晶种的制备及对水泥强度的影响

为了研究水泥晶种的制备技术及对水泥强度的影响,在蒸压条件下,选取天然硅质原材料硅藻土和钙质原材料熟石灰,利用水热合成法制备C-S-H凝胶作为水泥晶种,并研究了3种钙硅材料的配制比例和不同热工制度制备的晶种对水泥强度的影响.研究结果确定了钙硅比为1.2,合成压力在0.1 MPa,合成时间1～3 h为水泥晶种的最佳合成工艺制度.试验结果表明:掺晶种后的C3S悬浮液液相中的钙离子析晶时间提前,缩短了凝结时间,加速C3S的早期水化;掺入晶种可有效地提高水泥的早期强度,其原因在于加晶种可以降低产物成核所需克服的势垒、促进成核、并有效抑制大晶粒的生长.     

水泥水化产物——水化硅酸钙(C-S-H)的研究进展

水化硅酸钙(C-S-H)作为水泥基材料的主要水化产物,决定着水泥基材料的强度发展、收缩、徐变和结构的服役寿命,被称为水泥基材料的"基因".对C-S-H组成、结构和性能的充分认识有助于理解水泥基材料微结构的形成机理,进而对其性能进行自下而上的设计和调控.近年来先进测试和分析技术的发展为C-S-H基本性能的研究提供了新思路.C-S-H的成核生长理论、力学性能提升以及形貌调控等逐渐成为当前研究热点,已取得重要进展.学者们大多采用合成的方法制备体系纯净且具有一定结晶度的C-S-H,并以此研究水泥体系中无定形C-S-H凝胶的基本性能.研究发现,双分解合成C-S-H的成核生长过程中存在球形中间体,其最终转化为箔片状形貌的产物,遵循非经典的成核生长方式.在亚粒子尺度,越来越多的结构信息表明,与尖乃石相比,C-S-H的结构与托贝莫来石更为接近;在粒子尺度上,CM凝胶系列模型被广泛应用于解释C-S-H比表面积等物理参数以及水泥基材料收缩徐变的机理.C-S-H的Ca/Si、含水量、硅链聚合程度以及形貌等微纳结构的广泛研究为建立C-S-H微纳结构与宏观性能之间的联系提供了丰富的数据支撑.对C-S-H进行本征结构调控有望从根本上改善水泥基材料韧性差的力学特征,许多学者试图从孔结构调控、有机和无机复合材料构建以及纳米材料改性等方面提升C-S-H的力学性能,取得了一定突破.本文系统总结了C-S-H的合成方法、成核生长理论、结构模型;主要从Ca/Si、含水量、硅链聚合程度以及形貌四个方面综述了C-S-H的微纳结构;围绕形貌和力学性能介绍了C-S-H的调控和设计方法;分析了目前存在的研究不足并提出了未来的发展方向,以期为全面认识C-S-H以及水泥基材料的性能调控提供借鉴.     

超长侧链型聚羧酸梳形共聚物对水泥早期水化的影响

选用了一组超长侧链型聚羧酸梳形共聚物作为水泥体系的分散剂,通过水化热测定、强度试验和扫描电镜等表征手段,研究了超长侧链型聚羧酸梳形共聚物分散剂对水泥早期水化的影响.研究发现,超长侧链型聚羧酸梳形共聚物比普通聚羧酸梳形共聚物具有加速水泥水化、提高水泥基材料强度的作用.扫描电镜得到的形貌结果发现,超长侧链型聚羧酸梳形共聚物的掺入改变了水化产物的形貌,并且侧链越长,呈絮状的C-S-H凝胶和呈针状的钙矾石晶体明显增加.这说明超长侧链型聚羧酸加速了C-S-H凝胶和钙矾石晶体的形成,促进了水泥混凝土体系早期强度的形成.     

140℃高温下SiO2晶态对硅酸三钙水化产物的影响

目前，在G级油井水泥中加入SiO₂是降低其水化产物在温度高于110℃下力学性能衰退的主要手段。然而，SiO₂晶体形态不同，导致水泥水化产物不同，耐高温性能也不同。为了探究SiO₂晶体形态对水泥水化产物的影响，笔者以油井水泥的主要成分硅酸三钙(C₃S)为研究对象，采用核磁共振、X射线衍射、热重分析和扫描电镜以及能谱等手段分析了晶体SiO₂(石英砂)和非晶体SiO₂(微硅)对C₃S水化产物的影响。结果表明：SiO₂通过填充孔隙以及转化水化产物，能有效防止C₃S水化产物在高温下强度衰退，以及孔隙度和渗透率的增加。微硅比石英砂更活跃，能迅速与Ca(OH)₂发生火山灰反应生成次生水化硅酸钙。此外，SiO₂还能将高钙硅比的水化硅酸钙(针硅钙石(Ca₂SiO₃(OH)₂)、羟硅钙石(Ca_...     

Ca(OH)2解耦法对混合水泥中C-S-H凝胶的半定量研究

基于掺合料反应程度与Ca(OH)2消耗量之间关系的建立,结合水泥水化平衡计算理论,提出混合水泥水化产物中Ca(OH)2量的解耦方法并将其用于混合水泥水化产物C-S-H凝胶半定量计算.采用该法对掺粉煤灰的混合水泥不同龄期水化产物C-S-H凝胶进行了半定量分析研究.     

纳米流体复合水泥固结导热及力学性能试验研究

地热井固井水泥材料的力学强度及导热特性是目前众多研究者的关注重点。本工作开展了纳米流体复合水泥材料研制、固结导热特性评价及机理分析,选用铁粉为基本导热填料,研究了纳米流体种类、颗粒质量分数、纳米流体用量对铁粉复合水泥石力学及导热性能的影响,最终得出优化配方：G级油井水泥+15%铁粉(以水泥用量外掺)+20%Al₂O₃-水纳米流体(以拌合用水用量内掺,纳米颗粒质量分数0.5%,水灰比0.44)。性能测试结果表明：添加Al₂O₃-水纳米流体能够降低水泥石孔隙率,提高中、后期抗压强度,提升导热性能近32%,而干混式加入Al₂O₃纳米颗粒对水泥石力学强度及传热性能几乎无提升。观察了水泥石的微观结构,分析了其物相成分,对纳米流体复合水泥的固结导热机理进行了研究。分析结果表明：纳米流体中均匀分散的Al₂O₃纳米颗粒起到促进水化、填充孔隙的作用。纳米流体的使用为地热井固井水泥材料的力学及导热性能优化提供了新思路。     

纳米SiO2改性聚合物水泥基复合材料早期微观结构及性能

利用纳米SiO₂(nano SiO₂)早期可促进聚合物水泥基复合材料水化速率、提升其力学性能、改善其界面过渡区(ITZ)性能及优化其孔隙结构等特点,借助XRD、SEM、EDS、显微硬度(MH)及压汞(MIP)等试验,揭示了nano SiO₂对聚合物水泥基复合材料早期性能影响的微观机制。结果表明:当nano SiO₂掺量为2wt%时,聚合物水泥基复合材料的力学性能最优,3 d和7 d龄期抗压强度分别为57.5 MPa和67.3 MPa,较仅仅掺加聚合物的水泥基复合材料分别提高了12.7%和13.9%;nano SiO₂的掺入改变了聚合物水泥基复合材料水化产物数量及微观形貌。对于ITZ性能,nano SiO₂掺入后,聚合物水泥硬化浆体-骨料的ITZ厚度减小,形貌变得更加致密;ITZ的钙硅比因nano SiO₂的加入变小而其显微硬度变大;此外,nano SiO₂加入后可以进一步填充聚合物水泥基复合材料更加细小的孔隙,使其凝胶孔比例变高,最可几孔径变小,大大优化了聚合物水泥基复合材料的孔隙结构。      

水化硅酸钙凝胶的弹塑性和徐变特性

采用纳米压痕技术研究了不同龄期水泥硬化浆体中水化硅酸钙(C-S-H)凝胶的微观弹塑性和徐变特性。结果表明,随着龄期的增长,C-S-H凝胶在相同荷载作用下的弹性能逐渐减小,并趋于稳定值,且低密度C-S-H凝胶的弹性能均高于同龄期的高密度C-S-H凝胶。对于相同的荷载和持荷时间,高密度C-S-H凝胶的徐变显著低于同龄期低密度C-S-H凝胶。应用纳米压痕技术从微观层面测定了两种密度C-S-H凝胶的变形性能的差异,揭示了C-S-H凝胶的弹性能和徐变与凝胶的折合弹性模量呈反比关系。     

蒸养条件下锂渣复合水泥的水化产物与力学性能

利用电感耦合等离子体发射光谱(ICP)、X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜与能谱分析(SEM-EDS)及同步热分析(TG-DTG)等手段研究了掺20%锂渣复合水泥在80℃蒸养7 h、7 d和标养28 d条件下的水化产物与力学性能。结果表明:锂渣中SiO_2和Al_2O_3大部分存在于锂辉石中,而少量存在于玻璃体中,且锂渣中存在少量的碳酸盐。与纯水泥不同,锂渣复合水泥在以上三种养护条件下形成的C-S-H凝胶均主要为网状;此外,蒸养7 d时还有水化硫铝酸钙(AFt)和立方体CaCO_3生成,但无水化石榴石形成;蒸养28 d时,还有球形等大颗粒状C-S-H凝胶和立方体CaCO_3生成。蒸养可以促进锂渣和水泥的反应,尤其是锂辉石与水泥水化产物氢氧化钙的反应。在蒸养7 h和7 d条件下,锂渣复合水泥胶砂的抗折强度、抗压强度均明显高于纯水泥胶砂的抗折强度、抗压强度。     

赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料的水化特性*

采用XRD、IR、TG-DTA、MIP等手段表征赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料的水化产物及其硬化浆体的孔结构, 研究了解赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料的水化特性。结果表明, 赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料的水化产物主要有C-S-H凝胶、钙矾石和Ca(OH)₂, 前两者对其强度的发展有促进作用; 水化1 d至90 d其中Ca(OH)₂的含量呈先升高后降低的趋势; 随着水化反应的进行在CaO/SiO₂比值较低的赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料中Si-OH基团之间发生聚合反应, 水化产物的聚合度升高; CaO/SiO₂比值为0.95和1.04的赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料的硬化浆体具有较好的孔结构, 而CaO/SiO₂比值为1.13的胶凝材料硬化浆体的孔结构相对较差。     

碱激发改性矿粉/砒砂岩复合材料

为了实现砒砂岩的资源化利用,首先,通过碱激发法并掺入适量的矿粉将砒砂岩转变成了力学性能较好的改性矿粉/砒砂岩复合材料;然后,系统地研究了矿粉、碱激发剂掺量和龄期对改性矿粉/砒砂岩复合材料抗压强度和软化系数的影响;最后,利用SEM/EDS、FTIR和XRD分析了改性矿粉/砒砂岩复合材料的水化进程和碳化进程。结果表明:改性矿粉/砒砂岩复合材料的90d抗压强度和软化系数分别达到46.0 MPa和0.94,完全满足工程应用的需求;改性矿粉/砒砂岩复合材料主要的水化产物为C-S-H凝胶和地聚物胶体,且C-S-H凝胶存在比较严重的碳化现象;当矿粉和NaOH的掺量分别为20.0wt%和1.5wt%时,C-S-H凝胶的28d碳化率达30.1%,且碳化率随矿粉及NaOH掺量的增加而减小,但碳化率对强度几乎没有影响。改性矿粉/砒砂岩复合材料拥有良好的力学性能及耐水性。      

石墨烯及氧化石墨烯对水泥基材料水化过程及强度的影响

本工作采用超声分散方法将插层剥离法制备的石墨烯pG(Peeling graphene)及传统Hummers法制备的氧化石墨烯hGO(Hummers graphene oxide)制备成纳米片分散液,研究了两种分散液对水泥基材料凝结时间、水化产物微观结构及强度的影响。结果表明：两种纳米片分散液的掺入均能明显缩短水泥的凝结时间,减少水泥石内部的孔隙,使结构致密化,部分CH晶体呈现出由一位点向外发散的多面聚集的结构状态。pG和hGO的加入能加速水泥水化反应速率,未改变水化产物的种类,还可提高水泥基材料的力学性能,尤其是3 d抗折强度提高最为明显。掺pG的试件均比掺hGO的试件强度略高,这为成本低、尺寸可控、可批量生产的石墨烯产品在水泥基材料中的应用提供了广阔的应用前景。     

超细镁渣微粉-水泥复合胶凝材料的性能及水化机理

镁合金被誉为“21世纪绿色工程金属结构材料”,我国皮江法炼镁所得镁渣规模庞大、亟待解决，制备建筑材料是消纳镁渣的重要渠道，但国内外相关研究屈指可数，且普遍以镁渣耦合其他固废及水泥制备复合胶凝材料为主，鲜有针对镁渣-水泥简单体系的细致研究，故镁渣水化及其对水泥水化的影响机制尚未明确。本工作通过探究超细镁渣微粉-水泥复合胶凝材料(MS-C)新拌浆体和硬化浆体的性能、组成及结构演化规律，分析超细镁渣微粉对MS-C水化进程的影响机制，进一步揭示镁渣-水泥的协同水化机理。镁渣中的硅酸二钙以低活性γ-C₂S为主，超细粉磨是发挥其填充效应的关键途径，掺入30%的超细镁渣粉使水泥中1 000 nm以上孔含量由7.98%降低至6.83%。在减水剂作用下，MS-C浆体的流动性随超细镁渣微粉掺量的增大而增大，在无减水剂时其作用相反。低掺量超细镁渣微粉的水化及弱胶凝作用可增大其填充效应对强度的贡献，并促进Ca(OH)₂和C-S-H凝胶的生成，使得低超细镁渣微粉掺量的MS-C获得优于纯水泥的28 d力学性能。本研究获得了超细镁渣微粉-水泥水化特性的基础结论，为提高镁渣...     

0～20℃硅酸盐水泥的水化性能

采用X射线衍射仪(XRD)及环境扫描电子显微镜(ESEM)研究0℃、5℃、10℃及20℃时硅酸盐水泥的水化过程,并进行凝结时间及力学强度测试。结果表明,温度越低,硅酸盐水泥的初凝和终凝时间越长,水泥早期的水化程度和力学强度也越低;但水化后期,水泥水化产物C-S-H凝胶明显细长,水化产物间距较小,大孔减少且孔隙分布更均匀,水化程度和后期强度较高。     

多壁碳纳米管增强水泥基复合材料的纳米力学性能

采用纳米压痕技术探讨了多壁碳纳米管(MWCNTs)对有骨料水泥基复合材料纳米尺度上力学性能的影响,分别对压痕模量(M)小于50 GPa和压痕硬度(H)小于4.0 GPa的数据进行了统计,对其频率分布进行了Gaussian函数(PDF)的解卷积分峰处理,并对低密度水化硅酸钙凝胶(LD C-S-H)和高密度水化硅酸钙(HD C-S-H)凝胶进行了定量的体积分数计算。结果表明,除LD C-S-H、 HD C-S-H、 Ca(OH)2(CH)外,还出现了一个假相。MWCNTs降低了水化产物中LD C-S-H的体积分数,提高了HD C-S-H的体积分数,提高了C-S-H凝胶的压痕模量,但利用压痕模量和压痕硬度统计结果计算出的各相体积分数存在一定的差异。MWCNTs作为一种纳米晶核,对HD C-S-H凝胶形成起到了一定的诱导作用,从纳观尺度阐释了MWCNTs对水泥基材料的改性机制。     

解毒飞灰对水泥稳定碎石抗压强度的影响机制研究

为了探究解毒飞灰对水泥稳定碎石抗压强度形成与发展的影响机制，研究了水泥-解毒飞灰浆体中Ca(OH)₂与Friedel盐变化、水化产物微观形态以及水化产物元素的变化规律，揭示了水泥-解毒飞灰水化产物变化与水泥稳定碎石试件的抗压强度演变间的关系，基于解毒飞灰的合理掺配区间，提出不同氯盐含量下解毒飞灰在水泥稳定碎石中的掺量限制范围。结果表明，水泥稳定碎石抗压强度随解毒飞灰掺量的增加先升高后降低，后期强度呈现回升趋势；解毒飞灰中可溶氯盐的含量是影响水泥水化产物生成量与强度发展的关键因素，低解毒飞灰掺量引入了合理含量的可溶氯盐，水化产物中Ca(OH)₂含量增加，且生成新的水化产物Friedel盐，促使浆体结构更加密实和优化，抗压强度得以增长；随解毒飞灰掺量的增加，Ca(OH)₂生成量先增后降，而Friedel盐持续增长；当解毒飞灰掺量超过一定掺量后，体系中出现游离的氯盐，在水泥熟料颗粒表面形成包裹层阻碍其进一步水化，从而抑制抗压强度的发展。为保证水泥稳定碎石早期与后期强度稳定发展，建议该解毒飞灰掺量控制在4%以内，各地区解毒飞灰掺...     

从纳米水化硅酸钙到水泥净浆弹性性能多尺度递推模型

混凝土具有多尺度结构特征,其力学性能受到不同水化产物组分及微观结构的影响。基于分子动力学方法、化学计量法和均质化方法,建立了从纳米尺度水化硅酸钙（C-S-H）到水泥净浆弹性性能多尺度递推模型,其计算结果与实验数据吻合较好。基于该模型的计算结果可得：C-S-H凝胶中44%的孔隙率致使其体积模量、剪切模量和杨氏模量分别降低了约66%、53%和55%。当水灰比从0.3变化至0.5时,水泥净浆的体积模量、剪切模量和杨氏模量分别降低了约39%、30%和32%;LD C-S-H和毛细孔的体积分数分别增大了13%和20%。水化产物中C-S-H的体积分数越大,或水泥熟料中硅酸三钙的质量分数越大,水泥净浆的弹性参数越大。该模型为水泥基材料微观调控提供了指导。     

水泥基材料中的早强剂及其作用机理综述

早强型外加剂的研究主要集中在水泥基材料强度发展早期阶段的水化速率变化、产物变化、液相离子变化等方面，但对其作用机理和效果等缺乏系统性的总结。本文归纳了三类早强剂(无机、有机和复合)的早强机理及在各水化阶段的作用，得出以下结论：无机系早强剂通过提高体系碱度、压缩双电层、提供晶核以降低成核势垒等作用，破坏了水化阻滞膜或液相离解平衡，从而加速离解期的离解速率、增大液相中的离子浓度；此外，还通过加速诱导期水化产物的消耗，破坏水化反应平衡以加快水化产物钙矾石或钙铝水滑石形成，提高早强固相体积含量和体系致密度，从而提高早期强度。有机早强剂主要通过分散作用来促进离解速率，通过络合作用或水化作用破坏反应平衡，但掺量影响其早强效果和凝结速度。复合早强剂则协调多种机理来加快水化的整体进程，需注意避免新产物的生成阻碍原有活性组分正常的水化进程。总而言之，早强剂的选择应与胶凝材料体系相匹配，结合其作用机理促进各水化阶段强度发展。为满足尽可能早强的需求，阴离子宜选择硫酸系和硅酸系，阳离子宜选用Ca²⁺、Al³⁺,或较高活性成分且无耐久性隐患的Li⁺     

利用红外和核磁技术分析矿渣硅酸盐复合胶凝材料的水化产物

采用傅里叶红外光谱(FTIR)和高分辨29Si固体核磁共振技术(NMR),研究了不同水化龄期的水泥-矿渣复合胶凝硬化浆体的微观结构。结果表明:纯硅酸盐水泥随着水化时间的增长,水化程度变大,聚合度增加,生成更多的长链水化硅酸钙(C-S-H)凝胶;矿渣硅酸盐水泥试样水化早期主要生成二聚体凝胶,随着龄期增长,逐渐转变为长链型凝胶,平均链长逐渐增加;随着矿渣掺量的增加,激发矿渣所需时间增长,早期Q~2(1Al)很少,但随着龄期延长,矿渣逐渐被激发,C-A-S-H凝胶变多。     

硫铝酸盐复合水泥体系水化特征研究

通过正交试验研究了硫铝酸盐复合水泥中不同掺量的普通硅酸盐水泥、石膏、硅灰及粉煤灰对其强度、自收缩以及水化热的影响。结果表明:普通硅酸盐水泥及石膏的掺入显著改变了硫铝酸盐复合水泥水化进程,硅灰及粉煤灰是影响后期强度的主要因素;自收缩试验结果表明普通硅酸盐水泥和石膏是影响硫铝酸盐复合水泥水化早期自收缩的主要因素;水化热测试结果表明粉煤灰和普通硅酸盐水泥在水化前6 h起到显著作用,粉煤灰降低了水化放热,而普通硅酸盐水泥增加水化放热;硅灰及石膏对6~24 h水化放热影响显著。结合XRD及SEM测试结果,表明普通硅酸盐水泥和石膏的存在加速了硫铝酸盐复合水泥水化早期钙矾石生成,随着石膏浓度的下降,发生转晶(AFm),随着后期硫铝酸盐水泥中β-C₂S的水化以及硅灰、粉煤灰的火山灰反应产生C-S-H凝胶,使得体系致密化。