水泥-粉煤灰-砷渣三元体系水化动力学研究

通过水化热和水化动力学模拟,研究了含砷废渣对水泥-粉煤灰复合体系早期水化进程的影响机制。结果表明,与基准试样相比,含砷废渣的掺入显著延长了复合体系的诱导期,降低了复合体系加速期水化速率,并延长了加速期时长,这种延迟效应随着含砷废渣掺量增加也愈加明显。三元体系总放热量随砷渣掺量增加而降低。加速期由结晶成核与晶体生长控制,减速期由相边界反应和扩散过程共同控制,稳定期由扩散速率控制反应进程。含砷废渣的掺入增大反应阻力,且反应阻力随含砷废渣掺量的增加而增大。     

粉煤灰的微观形态及其在水泥中的水化

通过研究粉煤灰的结构形态特征及其水化机理和水化特性，探索加速和改善粉煤灰早期活性的方法和途径，以提高粉煤灰在水泥中的掺量和提高掺粉煤灰水泥的早期强度。     

改性硅酸盐水泥的水化动力学研究

将磷铝酸盐水泥熟料掺入到硅酸盐水泥中制备改性水泥,从水化动力学的角度研究其水化情况,并与硅酸盐水泥的相应行为进行了对比.首先通过测定水化放热速率、新拌水泥浆体中的Ca2+和SiO44-离子浓度、电导率及pH值研究了改性硅酸盐水泥的水化历程,并求得了水化动力学方程.其次,测定了改性硅酸盐水泥的净浆与砂浆的强度,并用XRD等分析方法初步探讨论了改性水泥的水化机理.研究发现,改性硅酸盐水泥的水化历程与硅酸盐水泥相似,也经历初始期、诱导期、加速期、减速期和稳定期,但水化放热速率明显提高;在加速期,两者的水化反应均主要由自动催化反应控制,在减速期,均主要由扩散过程控制,但反应速率常数前者明显高于后者.无论是砂浆强度,还是净浆强度,前者也均高于后者,且凝结时间相对缩短.XRD图谱显示,前者的C3S/C2S衍射峰强度的降低率高于相应龄期的硅酸盐水泥.上述结果均意味着改性硅酸盐水泥的水化速度明显高于硅酸盐水泥;水化加速的机理为磷铝酸盐熟料水化吸收了水化浆体中OH-离子,使水化体系的OH-离子浓度减少,从而加速了C3S、C2S的水化反应.     

粉煤灰对水泥水化与强度的影响

采用测定化学结合水含量的方法反映水泥浆体的水化程度,并通过对水泥硬化浆体强度的分析,评价粉煤灰对水泥水化和力学性能的影响。结果表明,粉煤灰加速了水泥熟料的水化反应,却减缓了水泥-粉煤灰体系的水化进程。掺加粉煤灰虽然降低了水泥浆体的早期强度,但对水泥浆体后期强度的发展有利。     

水泥基材料的水化动力学模型

介绍了水泥基材料的水化动力学模型.根据实验测定的水化放热数据,采用模型给出的积分和微分方程,对水泥基材料的水化反应中的3个基本过程即结晶成核与晶体生长(NG)、相边界反应(I)和扩散(D)进行了表征,得到反应速率常数K、反应级数n和表观活化能Ea等动力学参数以及各反应阶段的反应速率与反应度的关系.计算得到的各阶段的反应速率曲线能较好地分段模拟由量热实验得到的胶凝材料实际水化速率dα/dt曲线.观察3个阶段的相互关系,可对水泥基材料复杂的水化机理进行解释.水泥基材料的水化反应存在两种不同的历程:NG-I-D或NG-D.在水化初期NG是控制因素,随着水化程度提高,逐渐转由I或D控制反应.     

粉煤灰与水泥熟料共同水化硬化的基础研究进展及评述

结合水泥混凝土向绿色高性能化发展的方向,综述了近十年来粉煤灰和熟料共同水化硬化的基础研究进展,提出了值得进一步深入研究的科学问题.     

矿渣水泥水化动力学的研究

应用恒温导热量热仪对矿渣水泥和波特兰水泥的水化动力学进行了研究。实验结果表明,水泥水化在不同反应阶段具有不同的反应机理,所适用的动力学公式及动力学参数亦不同。加速期由自动催化(auto catalytic)反应控制,减速期由化学反应和扩散过程双重控制,衰减期由扩散过程控制。矿渣水泥对温度的敏感性高于波特兰水泥,原因是矿渣玻璃相具有较高的表观活化能。提高温度(热激发)对矿渣水泥的水化更为有利。在研究中采用两种活性不同的矿渣,它们的活性之差别可以从水化动力学参数K、E与N(与反应机理有关的常数)反映出来。     

粉煤灰-水泥浆体二元体系的水化动力学模型

与普通硅酸盐水泥相比,粉煤灰-水泥浆体中同时存在水泥的水化反应和粉煤灰的火山灰反应.基于中心粒子水化模型,并考虑了粉煤灰对水泥水化过程三个影响效应:稀释效应、物理效应和化学效应,建立了粉煤灰-水泥二元体系的微观水化模型,可用于预测粉煤灰-水泥浆体的水化速率随水化程度的演化关系.     

活化煤矸石在水泥基材料中的早期水化动力学研究

采用活化煤矸石(CCG)部分取代波特兰水泥的方式,对比研究了CCG对CCG-水泥复合胶凝材料的凝结时间、力学性能和水化热反应等的影响.利用水化热法研究了CCG-水泥复合胶凝体系的水化特性;并基于Krstulovic-Dabic模型,分析了CCG-水泥复合胶凝体系的水化反应机理.试验结果表明,活化煤矸石取代硅酸盐水泥熟料的最佳掺量为30％,此掺量下,能保证良好的力学性能与工作性能;CCG对CCG-水泥复合胶凝材料的早期水化无明显影响,后期活化煤矸石中的铝相、硅相会与氢氧化钙反应发生火山灰效应;活化煤矸石能增大水泥水化结晶成核与晶体生长(NG)、相边界反应(Ⅰ)过程的反应程度并降低扩散(D)阶段的反应程度;同时能降低NG、I过程的反应速率,并在不高于30％的掺量下,对D过程的反应速率有一定的增强作用.     

硅酸盐熟料-煤矸石/粉煤灰混合水泥水化模型研究

对两种不同3CaO·SiO_2(C_3S)含量的硅酸盐水泥和分别掺有30%(质量分数,下同)煤矸石和30%粉煤灰的混合水泥中水化产物含量变化和形态进行了研究,建立了水化产物量变模型和水化产物形态模型,分析了模型的主要特征和意义。相同龄期,高C_3S硅酸盐水泥比低C_3S硅酸盐水泥生成更多的水化硅酸钙(calcium silicate hydrate,CSH)凝胶和氢氧化钙。含混合材的水泥水化时,CSH凝胶在水化早期和后期有两个增长幅度较大的阶段,并且1年后形成的CSH凝胶量与纯硅酸盐水泥的相当。水泥水化产物与混合材的二次水化反应较慢,研究掺有混合材水泥更长龄期的水化产物含量及结构变化,将有助于理解混合材对水泥性能的作用机理。     

高掺量粉煤灰水泥胶凝材料的水化性能研究

用ＴＭＳ－ＧＣ,ＸＲＤ,ＤＴＡ,ＳＥＭ等方法研究了高掺量粉灰水泥胶凝材料的水化性能;分析了粉煤灰掺量、激发剂等对高掺量粉煤灰水泥胶凝材料水化性能的影响,并与硅酸盐水泥的水化性能进行了对比。结果认为：高掺量粉煤灰水泥的水化速度低于不掺灰的硅酸水泥的水化速度,但后期增长较快;激发剂能加快高掺量粉煤灰水泥的水化速度。     

粉煤灰对水泥浆体早期水化和孔结构的影响

通过硬化水泥浆体力学性能、交流阻抗和孔结构等性能的测试,以及扫描电镜分析,研究了不同掺量的粉煤灰对硬化水泥浆体早期水化和孔结构的影响。结果表明：随着粉煤灰掺量的增加,水泥的凝结时间增加,抗压强度降低,熟料矿物的水化速率提高,但水泥-粉煤灰体系的水化速率降低,水泥浆体中孔溶液电阻和阻抗相应降低,硬化水泥浆体中大孔数量减少,微孔数量增加。     

粉煤灰贝利特水泥用作土壤固化材

以高含水粘性土为对象，研究了活性贝利特水泥的固化处理效果及固化土的强度发展特性。结果表明，这种水泥具有较普通水泥低的固化土强度发展速率，是一种良好的迟硬性土壤固化材，特别适用于高含水软弱粘性土的整体固化后再二次开挖的施工场合。     

矿渣粉、高钙灰及其改性材料对水泥早期水化进程的影响

通过水泥化学收缩和水化热测试方法研究了矿渣粉、高钙灰和脱硫石膏、煅烧脱硫石膏、硫酸钠等改性材料对水泥浆体早期水化进程的影响,同时与不同试样的早期强度进行对比分析.50%的矿渣粉和高钙灰替代水泥后显著降低塑性阶段的化学收缩和早期强度,但对硬化后的化学收缩影响不大,矿渣粉与高钙灰按照适当比例复合对降低塑性阶段化学收缩的作用更明显,有利于降低塑性开裂;脱硫石膏和元明粉对早期化学收缩影响不大.矿渣粉、高钙灰替代50%水泥后明显降低第2放热峰并增加1个第3放热峰,纯矿渣粉的第3放热峰较高,复掺20%高钙灰后第3放热峰降低并且出现时间延后,复掺30%高钙灰使第2放热峰也降低,水化热显著减少;脱硫石膏或煅烧脱硫石膏延缓水化反应进程而对总体反应程度影响不大;水化热实验结果显示硫酸钠促进早期水化反应的作用明显.结果表明:采用20%高钙灰替代矿渣粉对早期水化程度和初始结构建立影响不大,脱硫石膏或煅烧脱硫石膏作激发材料能够分散早期的集中放热而对总体水化进程影响不大;水化热对水化过程的反映比化学收缩更清晰和更准确.     

粉煤灰火山灰反应性及其反应动力学

通过酸溶法测定了粉煤灰-Ca(OH)2-H2O系统中粉煤灰的反应率,以此来评估不同品质低钙粉煤灰的火山灰反应性,并据此建立了低钙粉煤灰火山灰反应的动力学模型。探讨了不同品质粉煤灰火山灰活性上的差异对水泥基材料强度的影响。结果表明：相比于Ⅱ级粉煤灰,Ⅰ级粉煤灰的火山灰活性未必更高。粉煤灰的火山灰反应符合一级反应动力学模型。不同品质粉煤灰火山灰活性上的差异宏观上对水泥砂浆强度影响甚微。     

水泥和粉煤灰及其硬化体中Cr(Ⅵ)的溶出行为

调查分析了我国部分地区水泥、水泥熟料和粉煤灰,发现这些材料中均含有一定数量的可溶性六价铬离子Cr(Ⅵ).研究了水泥、粉煤灰硬化体中Cr(Ⅵ)在标准溶出实验条件、酸性环境中以及碳化后的溶出行为,探讨了硬化体中Cr(Ⅵ)的溶出机理.结果表明:水泥水化产物对Cr(Ⅵ)具有很好的固化作用,但样品在受到碳化影响或在酸性环境条件下,Cr(Ⅵ)溶出量将明显增多.自水泥、粉煤灰硬化体中溶出的Cr(Ⅵ),除部分来自于孔溶液外,主要来自于硬化体本身各组分的溶出.     

粉煤灰与水泥浆体间界面的形貌特征

用ＳＥＭ和ＥＤＳ研究了粉煤灰掺入水泥后与水泥浆体间所形成界面的形貌特征，结果表明，在水泥水化初期，粉煤灰表面呈三种状态：（１）被ＣＳＨ单层膜包裹；（２）被ＣＨ－ＣＳＨ双层膜包裹；（３）嵌入块状ＣＨ晶体内，在水泥水化后期，粉煤灰颗粒表面层已完全与水泥水化产物发生反应，且形成若干层反应物，呈致密的粒状或环状凝胶体。     

轻骨料的返水作用对粉煤灰二次水化的影响

研究了轻骨科掺量不同的混凝土当掺与不掺粉煤灰时不同龄期的抗氯离子扩散性能以及骨料附近水化产物中Ca(OH)2含量和水泥石孔结构的变化情况.结果表明:随着混凝土中轻骨料掺量的增加,掺加了粉煤灰的浆体28～90 d期间水化产物中Ca(OH)2含量的减少幅度大于未掺粉煤灰试样的,且水泥石孔隙率有所降低,孔径细化,掺入粉煤灰后轻骨科掺量越多的试样孔径细化越显著,可见轻骨料后期返出的水分起到了自养护作用,保证了粉煤灰的水化.在混凝土中掺入适量的轻骨料,其返水特性与粉煤灰二次水化反应的协同作用使得混凝土后期抗渗性能显著提高,优于普通骨料混凝土.