响应面法优化制备硅铝质低碳胶凝材料

本文以两种硅铝质工业固废为反应前驱体，氢氧化钠和水玻璃作为碱激发剂制备低碳胶凝材料。借助响应面法研究硅铝质材料掺量、氢氧化钠和水玻璃掺量对胶凝材料力学性能的影响规律，并利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜对水化产物进行矿物组成分析和微观形貌表征。结果表明：硅铝质前驱体含量、氢氧化钠和水玻璃添加量及硅铝质材料掺量和水玻璃掺量之间的交互作用对胶凝材料强度均有显著影响；优化得出的胶凝材料最佳配伍为硅铝质工业固废1掺量30%，硅铝质工业固废2掺量70%，氢氧化钠掺量6%，液体水玻璃掺量12%，胶凝材料28 d强度可达53.13 MPa；氢氧化钠和水玻璃的加入会增加基体材料的碱性，使得反应前期前驱体内部充分解聚，存在更多溶解态Al₂O₃和SiO₂，反应后期缩聚成为C-A-S-H和C-S-H凝胶体，使胶凝材料具备强度。研究成果可用于制备低碳胶凝材料，减少天然黏土采掘，降低建筑材料领域的碳排放，助推双碳目标顺利实现。     

复合胶凝材料浆体中矿物掺合料的反应程度

为了快捷地计算复合胶凝材料浆体中矿物掺合料的反应程度,采用选择性溶剂溶解法测定了矿物掺合料在含NaOH饱和石灰水中和复合胶凝材料浆体中反应程度,建立了两者之间的关系。结果表明,通过矿物掺合料在含NaOH饱和石灰水中反应程度,再结合水胶比和矿物掺合料掺量,预测矿物掺合料在复合胶凝材料浆体中反应程度,具有准确性和可靠性。     

C-S-H纳米晶核对矿物掺合料复合胶凝材料水化性能的影响研究

水泥中掺入大量矿物掺合料易造成其早期强度低、施工周期长等问题。本文研究了C-S-H晶核对含矿物掺合料的复合胶凝材料体系水化性能的影响规律;通过热力学计算阐述了C-S-H晶核降低水化产物成核势垒的机理,并通过离子溶出与沉积探讨大掺量矿物掺合料胶凝体系水化机理。结果表明：矿物掺合料复合胶凝材料体系水化能力较弱,这是由于Ca²⁺溶出受到制约,C₃S的水化反应缓慢;当加入晶核后,水泥中硅酸盐相溶解-结晶能力得到大幅提升,使得矿物掺合料水泥体系的水化反应活性接近纯水泥体系。研究表明,C-S-H晶核可解决大掺量矿物掺合料胶凝体系所带来的水化能力严重不足问题。     

水化热抑制剂对复合胶凝材料体系早期水化动力学的影响

本文研究了水化热抑制剂(TRI)对水泥-粉煤灰-矿渣复合胶凝材料早期水化过程。通过改变矿物掺合料在胶凝材料中的质量占比以及TRI的掺量,研究了胶凝材料的水化特性,并基于Krstulovic-Dabic水化动力学模型计算了反应速率常数、几何晶体生长指数等动力学参数。结果表明,矿物掺合料和TRI复合使用会延缓胶凝材料水化并降低最大放热速率;复合胶凝材料的水化过程均有结晶成核与晶体生长、相边界反应以及扩散3个阶段,Krstulovic-Dabic水化动力学模型能较好地模拟各复合胶凝材料的水化过程;矿物掺合料和TRI会影响复合胶凝材料水化产物的结晶成核以及晶体生长,并降低复合胶凝材料各阶段的水化速率。     

复合胶凝材料的水化硬化机理

近年来,有关复合胶凝材料的水化硬化机理的研究取得了较大进展。硅酸盐水泥在不同水化阶段的反应机理被广泛深入地探讨,建立了一些水泥基材料水化动力学和浆体微结构形成的预测模型。越来越多的矿物掺合料用于混凝土的制备。本文重点总结了硅酸盐水泥早龄期水化机理、矿物掺合料对硅酸盐水泥水化的影响以及复合胶凝材料反应过程模拟的研究进展。     

含有活性或惰性掺合料的复合胶凝材料硬化浆体的微观结构特征

用压汞法测定了不同温度条件下养护的含有粉煤灰或石英粉的复合胶凝材料硬化浆体的孔隙率.用扫描电镜观察了硬化浆体的微观形貌,同时测定了各种组成的复合胶凝材料的净浆强度.常温水化初期,活性与惰性矿物掺合料都只具有物理填充的作用,硬化浆体的孔隙率和强度由矿物掺合料的掺量所决定.高温水化条件下粉煤灰的火山灰反应提前发生.随水化龄期延长,粉煤灰逐渐发生火山灰反应,使硬化浆体结构密实,其强度逐步提高.活性与惰性矿物掺合料对复合胶凝材料浆体结构与性能的影响的差异在水化后期逐渐显现.     

碱赤泥矿渣胶凝材料水化产物中碱的测定

用水溶解的方法再借助火焰光度法分别测定了碱赤泥矿渣胶凝材料水化浆体中可溶于水和不溶于水的Na2O含量,提出了在碱赤泥矿渣胶凝材料中Na2O以可溶性化合物和结合为水化产物2种状态存在的观点.研究了水化浆体中可溶性Na2O和不溶性的Na2O含量随溶解时间的变化,确定了最佳的溶出时间.证实了在水化过程中,Na2O具有2种作用:催化作用和直接参与形成水化产物.     

水泥基胶凝材料水化放热行为的分析和试验研究

大体积混凝土结构中降低温度应力的关键是降低混凝土中胶凝材料水化热,所以研究掺硅灰、磨细矿渣、粉煤灰、膨胀剂胶凝材料体系的水化放热行为十分重要.首先在化学反应动力学原理基础上,采用微积分理论推导出水泥基胶凝材料恒温水化放热过程的统一表达式;然后用溶解法测试掺硅灰、矿粉、粉煤灰、膨胀剂胶凝材料体系的水化热,在试验的基础上分析加掺合料胶凝材料的水化放热行为.     

水玻璃对地聚物胶凝材料性能影响的研究

地聚物胶凝材料具有早期性能好、体积稳定性好、耐久性好等优良性能,是一种“绿色环保”的新型胶凝材料．将成为21世纪重要的生态建筑材料。文章研究了水玻璃模数、煅烧温度、碱含量等因素对该胶凝材料性能的影响规律,采用X射线衍射仪分析了高岭土热处理后的主要矿物。结果表明：试验用的王村高岭土经800～900℃煅烧2h活性最好,制得的胶凝材料28d抗压强度达到74MPa;水玻璃模数为1．3、碱含量（质量分数）为6％～8％时,胶凝材料各龄期的抗压强度均较高、凝结时间正常．且具有优越的抗酸、抗硫酸盐及海水侵蚀能力和耐高温性。     

脱硫石膏-活性铝矿物材料-水泥复合胶凝体系的研究

本文对50%脱硫石膏和偏高岭土组成的辅助胶凝材料与50%水泥组成的复合胶凝体系进行了研究。结果表明:(1)所选3种脱硫石膏经800℃热激活后均为无水石膏,3种脱硫石膏热激活后溶解速率从小到大为2#(煅烧)、3#(煅烧)、1#(煅烧);(2)当复合胶凝体系中脱硫石膏含量在15%~25%时28d抗压强度高于纯水泥;(3)当脱硫石膏含量降低时,胶砂试样的膨胀率降低,且3#脱硫石膏所配的试样膨胀率最低;(4)当活性铝矿物材料含量提高时,化学结合水的含量也随着增加;(5)活性铝矿物材料在一定范围内掺量提高,复合胶凝体系内钙矾石生成量会提高。     

《高性能水泥制备和应用的基础研究》课题通过验收

日前，由中国建筑材料科学研究总院主持的国家重点基础研究发展规划（973）项目《商陛能水泥制备和应用的基础研究》下属6个课题全部顺利通过验收。这6个课题分别是高胶凝性水泥熟料矿物体系的研究、高胶凝性和特性熟料复合体系的研究、性能调节型辅助胶凝组分的研究、水泥水化机理及过程控制、高性能水泥浆体的结构形成与优化和商陛能水泥与水泥基材料的环境行为及失效机理等研究。     

抗蚀水泥的组分设计与性能研究

主要研究在水玻璃激发条件下,矿渣、粉煤灰、水泥按一定的配合比配制成复合胶凝材料,并对这种复合胶凝材料的抗硫酸盐侵蚀性能进行研究。试验采用正交实验法,以获得高抗硫酸盐侵蚀能力的复合胶凝材料的最优配比;并采用XRD、SEM和MIP等手段对其机理进行了研究探讨。结果表明:(1)掺加矿物掺和料的水泥比普通硅酸盐具有更好的抗硫酸盐侵蚀性能;(2)试验条件下的高抗硫酸盐侵蚀能力的复合胶凝材料的最佳配比为:矿物掺合料与水泥的掺量比为7:3,矿物掺合料中矿渣与粉煤灰掺量比为4:6,水玻璃掺量与矿物掺合料总量比为7%。     

复合石灰石粉-粉煤灰-矿渣混凝土抗冻融性能研究

为探究复合石灰石粉-粉煤灰-矿渣混凝土的抗冻融性能，对三种胶凝材料体系的混凝土，在四种不同水胶比下，进行快速冻融试验与压汞试验。从外观损伤、质量损失、相对动弹性模量及孔隙结构等方面研究其抗冻融性能退化规律。结果表明：在相同条件下，适当降低水胶比可以提高混凝土的抗冻融性能；与普通混凝土相比，由石灰石粉、矿渣和粉煤灰等矿物掺合料与水泥组成的复合胶凝材料体系，提高了混凝土抗冻融性能；因矿渣活性高于粉煤灰，“20%(质量分数，下同)石灰石粉+15%粉煤灰+15%矿渣”混凝土抗冻融性能弱于“20%石灰石粉+30%矿渣”混凝土；矿物掺合料能细化混凝土孔径，提升抗冻融性能。通过理论分析与试验数据回归，建立了不同胶凝材料体系下复合石灰石粉-粉煤灰-矿渣混凝土冻融损伤模型。     

矿物掺合料对胶凝材料浆体流变性能和触变性的影响

基于大流态混凝土配合比,研究了各种矿物掺合料对胶凝材料浆体的流变性能和触变性的影响。结果表明:通过流变仪转速阶梯变化制度构建稳定的浆体流动状态,并利用转换方程可进行浆体流变性能参数的有效测量和计算。胶凝材料浆体的流变性能符合Bingham模型。粉煤灰和粉煤灰微珠均能降低浆体的屈服应力、塑性黏度和触变性,粉煤灰微珠作用效果更为明显;硅灰能增大浆体的屈服应力、塑性黏度和触变性;磨细矿渣粉会降低浆体的屈服应力和触变性,提高浆体的塑性黏度。在进行大流态混凝土配合比设计时应综合考虑矿物掺合料对新拌混凝土流变性能的影响。     

赤泥/粉煤灰免烧矿物聚合物材料的制备和强度

以赤泥、粉煤灰为主要原料,采用水玻璃作为碱激发剂,制备出一种具有较高早期强度的免烧成矿物聚合物胶凝材料.通过实验初步探讨了碱激发剂对该矿物聚合物强度发展的影响.利用合适配比的赤泥/粉煤灰胶凝材料作为基质原料,用细沙作骨料,制成了一种赤泥/粉煤灰基矿物聚合物免烧材料.当赤泥的加入量在60%~70%范围时,各组试样的3 d抗压强度均在10 MPa以上,符合非承重墙体建筑材料的强度MU10级要求.同时本文还对该矿物聚合物材料中胶凝反应机理进行了初步探讨.     

超早强高强胶凝材料的研究

在现有混凝土胶凝体系的基础上,选择硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、复合矿物外加剂作为胶凝材料体系的主要组成部分,配以合适的外加剂,实现了胶凝材料早强、高强的性能。     

碱激发胶凝材料混凝土耐久性研究

碱激发胶凝材料是一种节能环保建筑材料，其生产原材料来源广泛，耐久性存在较多不确定性。综述了碱激发胶凝材料在硫酸盐侵蚀、酸腐蚀、碳化及氯离子渗透条件下的耐久性研究成果，碱激发胶凝材料比普通硅酸盐水泥有更好的耐久性，原材料中的一些次要成分（如氧化镁）可能对碱激发胶凝材料的耐久性有一定的影响，通过细化碱激发胶凝材料孔隙结构和提高碱激发胶凝材料的密度，可以提高碱激发胶凝材料的抗腐蚀能力。     

复合活化剂对高掺量矿渣胶凝材料性能及其作用机理的影响

针对水泥-高掺量矿渣胶凝材料早期强度发展缓慢的现象,自行设计开发了一种用于激发矿渣早期水化活性的复合活化剂,对比研究了复合活化剂与纯硫酸盐对水泥-矿渣胶凝材料性能以及水化机理的影响。结果表明:复合活化剂与纯硫酸盐均能在水化1 d内提高水泥熟料和矿渣的反应程度,促进矿渣产物形态提前由外部水化产物向内部水化产物过渡,提升胶凝材料早期宏观性能;然而使用纯硫酸盐激发的胶凝材料后期性能下降,可能是由于生成过量钙矾石所造成;复合活化剂则通过促进水泥熟料水化、加速矿渣溶解、反应以及改善微观结构性能等提高胶凝材料早期强度提升,对后期性能无副作用。     

纳米改性碱激发胶凝材料的研究进展

以添加纳米组分为手段的纳米技术为胶凝材料改性提供了新方法。本文综述了纳米SiO_2等纳米颗粒及碳纳米管等纳米材料对碱激发胶凝材料工作性能、凝结硬化行为、力学性能与耐久性的影响。纳米SiO_2等高活性纳米颗粒发挥提供可溶性硅的化学作用,诸如纳米TiO_2等其他超细颗粒发挥成核位点、颗粒填充的物理效应,可加速反应、致密基体、提升强度、降低渗透等,从而获得性能更优异的纳米改性碱激发胶凝材料。碳纳米管及石墨烯等多维纳米材料具有优异的力学性能,可提升碱激发胶凝材料的韧性、改善其脆性,且优异的电学性能可赋予碱激发胶凝材料损伤自诊断、光催化等功能。本文还分析了已有研究中改性浆体流动性、凝结时间及硬化体强度、抗渗透等结果并不一致的原因,指出纳米SiO_2对液相环境的影响及其与溶液中Ca~(2+)的作用是导致结果差异的主要原因。此外,还展望了该领域未来研究重点。     

大掺量钢渣复合胶凝材料早期水化性能和浆体结构

通过对胶凝材料早期水化放热性能和水化产物种类的测定,以及对硬化浆体显微形貌和孔结构的观察,研究了大掺量钢渣复合胶凝材料的早期水化性能和硬化浆体结构.结果表明:钢渣具有弱胶凝性能,早期活性低,大掺量钢渣使复合胶凝材料的水化诱导期延长,水化放热量降低,但对水泥早期的水化产物形成过程影响很小.大掺量钢渣复合胶凝材料早期的硬化浆体结构较疏松,孔隙率高于纯水泥浆体,且大孔数量较多.