超细矿渣粉与硅灰对水泥基注浆材料性能影响机理分析

为提高工业废渣的综合利用率,研制出一种绿色环保高性能的注浆材料。选用超细矿渣粉(UFS)和硅灰(SF)替代一定量的水泥,通过正交试验和极差分析法系统地研究了在不同水灰比下掺入不同含量的超细矿渣粉、硅灰以及聚羧酸减水剂(PCE)对注浆材料性能的影响,并对优化后的浆液和纯水泥浆液进行了性能对比及微观试验。结果表明:当超细矿渣粉质量分数从18%增大到20%时,可以增强浆液流动性能,硅灰可以提高结石体抗压强度并减小浆液泌水率,聚羧酸减水剂对降低浆液黏度具有显著效果;以28 d抗压强度和黏度为主要指标,得到浆液的较优配比为水灰比0.70、超细矿渣粉掺量20%(质量分数)、硅灰掺量12%(质量分数)、聚羧酸减水剂掺量0.16%(质量分数)。优化后的浆液泌水率、抗压强度及抗折强度均优于纯水泥浆液。掺入超细矿渣粉和硅灰后,浆液内部生成了钙矾石(AFt)和水化硅酸钙(C-S-H)等凝胶,填充了颗粒间的孔隙,使优化后的浆液结石体强度增大。     

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。     

大掺量磷石膏矿渣水泥的水化历程与长期强度研究

采用大掺量磷石膏、粒化高炉矿渣和熟石灰制备石膏矿渣水泥，通过水化热、化学收缩、孔溶液pH值和抗压强度试验，并结合XRD和SEM-EDS测试，探究磷石膏掺量对石膏矿渣水泥的水化历程与长期强度的影响规律。结果表明，当磷石膏的掺量从40%增大到70%(质量分数，下同)时，水泥浆体的第三放热峰峰值逐渐减小，14 d化学收缩从0.066 mL·g^-1增大到0.193 mL·g^-1,早期(0～1 d)化学收缩速率明显增大，孔溶液pH值在28 d龄期内趋于稳定，且与28 d龄期相比，90 d龄期试件的抗压强度提高了12.3%～27.8%。XRD和SEM-EDS分析表明，水泥浆体中主要包含二水石膏、石英、钙矾石和C-S-H凝胶等物质。28 d龄期时，随着磷石膏掺量的增大，钙矾石的生成量从7.48%减小到2.84%,C-S-H凝胶的钙硅比(摩尔比)从1.08增大到2.24。     

低钙粉煤灰-水泥浆液可注性试验研究

为了探究低钙粉煤灰在注浆法中的应用,本文以加固低强度破碎顶板为工程背景,进行了相应的室内试验,探究在不同水固比和粉煤灰掺量的影响因素下,浆液析水率、结石率、粘度、凝结时间以及注浆结石体强度的变化规律,并结合扫描电镜(SEM)以及X-射线衍射(XRD)等分析注浆体的微观结构。结果表明,当浆液的水固比为0.7:1(质量比)、粉煤灰掺量为70%(质量分数)时,浆液的性能参数最优。此时,浆液的粘度为55.50 s,析水率为3.89%(体积分数),结石率为94.16%(体积分数),3 d、7 d和28 d三个龄期浆液结石体的抗压强度分别为0.67 MPa,1.77 MPa和3.10 MPa。XRD定性物相分析表明,碱性激发剂的加入使体系中Ca(OH)₂衍射峰增高,随着期龄的增加,Ca(OH)₂、石英和莫来石相衍射峰明显减小,促进了粉煤灰潜在活性的释放。SEM微观结构形貌分析可知,早期浆体微观结构疏松,存在薄板状的Ca(OH)₂,并伴有少量针状的AFt(钙矾石),后期浆体内部的薄板状晶体Ca(OH)₂和絮凝状C-S-H凝胶交织在一起,形成密实的网络结构。     

纳米SiO2对水泥浆体孔隙和微观力学性能的影响

为了研究不同纳米SiO₂掺量对硬化水泥浆体孔隙率与微观力学性能的影响,采用压汞实验,纳米压痕测试与GMM法获得了水泥浆体的孔隙率,压痕模量,硬度与各水化产物相的分布,并使用XRD与SEM表征了各性能最优样品的表面形貌与内部产物。试验结果表明,养护龄期为28天时,与空白对照组相比,当纳米SiO₂的掺量质量分数为1%、2%和3%、4%时,水泥样品总孔隙率分别降低了14.07%,16.67%,26.83%和7.43%,LD C-S-H与HD C-S-H的含量之和分别为对照组的99.34%,101.34%,117.48%和113.33%。但当纳米SiO₂的掺量质量分数为4%时,水泥样品的孔隙率比其他掺纳米SiO₂的样品更高,且与纳米SiO₂掺量质量分数为3%时相比,未水化的产物相也较多。纳米SiO₂可以充分发挥成核效应和火山灰效应,生成更多的C-S-H并改变硬化水泥浆体的微观形貌,从而有效降低水泥浆体的孔隙率并提高其微观力学性能。     

高温养护下粉煤灰效应机理研究

大体积混凝土施工过程中,为降低水化热而采用大量的粉煤灰替代水泥,故对高掺量粉煤灰水泥的水化硬化机理进行深入系统的研究具有重要的意义.以大掺量粉煤灰胶凝材料硬化浆体为研究对象,结合XRD、FTIR、NMR等测试分析,研究高养护制度下粉煤灰掺量对其水化相C-S-H凝胶硅氧四面体聚合程度的影响规律.结果表明:高温养护的硬化浆体,其水化相C-S-H凝胶硅氧四面体聚合程度和Al原子取代Si原子的程度,在各个养护龄期始终高于常温养护的硬化浆体.     

电石渣对复合胶凝材料力学性能和微观结构的影响

电石渣作为一种Ca(OH)₂含量较高的工业副产品,可协同Na₂CO₃加速碱激发复合胶凝材料的水化过程。本文采用粉煤灰和矿粉作为复合胶凝材料的前驱体,探究不同电石渣(CCR)和Na₂CO₃质量比对复合胶凝材料的孔溶液pH值和力学性能影响。此外,通过水化热、X射线衍射、热重分析和扫描电子显微镜,探讨了CCR和Na₂CO₃协同激发作用对复合胶凝材料的水化过程和微观结构的影响。研究结果表明,随着CCR掺量的增加,复合胶凝材料的孔溶液pH值和力学性能均呈先增加后递减的趋势。当CCR和Na₂CO₃的掺量分别为6%和9%(质量分数)时,碱激发复合胶凝材料的3 d孔溶液pH值和28 d抗压强度分别达到最大值12.95和26.8 MPa。微观结构分析表明,在CCR和Na₂CO₃的协同激发作用下,碱激发复合材料能够生成更多的水化硅(铝)酸钙(C-(A)-S-H)凝胶,...     

石膏、硅灰对硅酸盐胶凝材料早期抗压强度的影响

为了研究石膏、硅灰对硅酸盐胶凝材料早期强度的影响,分别测试了石膏、硅灰不同掺量下的胶凝材料的4 h、1 d、28 d的抗压强度。利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜分析了水化产物的微观结构特征。研究表明,在一定的试验范围内,胶凝材料的抗压强度随石膏的增加而变大,掺量为0.75%时最佳,4 h和1 d的抗压强度分别达到5.8 MPa和63.4 MPa;硅灰掺量从0%增长到15%,胶凝材料的各龄期抗压强度均随掺量的增加而呈增长趋势;硬化浆体的微观结构特征表明,一定的试验范围内,石膏使体系中的AFt数量增加,硅灰使体系中的C-S-H凝胶增多,且硅灰未水化的细小颗粒体有效填充硬化浆体的孔隙。     

活化煤矸石水泥水化机理与性能研究

近些年来,水泥的低碳化成为国内外的研究热点,利用活性矿物掺和料取代水泥是一种有效降低CO₂排放量的方法。为验证活化煤矸石作为水泥矿物掺和料的可行性,研究了活化煤矸石对水泥流变性能、力学性能、水化产物及水化程度的影响,揭示了水胶比、龄期及活化煤矸石掺量等对水泥胶砂试件抗压和抗折强度的影响,并利用XRD、SEM和TG/DTG等表征活化煤矸石对水泥水化产物和微观结构的影响。结果表明,活化煤矸石水泥的流变性能对水胶比的变化更加敏感。将活化煤矸石掺入水泥中,能够有效降低水泥早期的水化速率。活化煤矸石含有大量的活性SiO₂和Al₂O₃,具有很强的二次水化反应活性。二次水化产物水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶能够填充水泥机体的孔隙,提升水泥基体的强度。与掺30%(质量分数)石英粉的试件相比,掺30%(质量分数)活化煤矸石试件的28 d抗折和抗压强度分别提升了11.69%和11.82%。     

固废基盾构惰性同步注浆材料力学性能及抗水分散性研究

以典型固废矿渣微粉、粉煤灰、硅灰为原料制备固废基盾构惰性同步注浆材料,采用六因素五水平正交试验,开展了注浆材料力学性能及抗水分散性的试验研究。结果发现：增大碱激发剂模数,减小其掺量,则浆液抗压强度下降;水胶比、膨水比对浆液抗动水冲刷能力的影响较大;碱激发剂掺量和水胶比是影响浆液水陆强度比的主要因素。根据正交试验极差分析和综合性能平衡,确定了注浆材料的优选配合比：水胶比1.00,胶砂比0.45,膨水比0.35,减水剂掺量1.5%(质量分数),碱激发剂模数1.6,碱激发剂掺量20%(质量分数),此时注浆材料28 d抗压强度为13.02 MPa,水陆强度比为80.83%,3 h动水冲刷质量损失率为5.62%;并开展了稠度、凝结时间、泌水率和结石率等性能试验,测试指标均达到了活性浆液的要求。以上研究为工业固废在盾构注浆技术领域的应用提供了一定的研究基础和实验依据。     

钙硅比对水化硅酸钙结构、Zeta电势及减水剂吸附性能的影响分析

为探究水化硅酸钙(C-S-H)晶核剂对掺减水剂混凝土的影响,研究了不同钙硅比的水化硅酸钙对聚羧酸减水剂的吸附性能.通过120℃水热反应法制备水化硅酸钙,并采用XRD、SEM和29Si NMR对所制备的Ca/Si为1.0、1.3和1.6的水化硅酸钙样品进行表征;同时通过Zeta电势、总有机碳分析(TOC)和流动性分析探究了由钙硅比的变化对水化硅酸钙的Zeta电势和减水剂吸附性能以及对水泥浆体流动度的影响.试验结果表明,水化硅酸钙的链长和结晶度的优劣主要受到钙硅比的影响,钙硅比增大,链长变短,结晶度变差;水化硅酸钙的Zeta电势随着钙硅比增加而增大;C-S-H在超纯水中的电导率随钙硅比增加而变大;在不同氢氧化钙浓度的溶液中,Ca/Si为1.6的样品较1.0样品能吸附更多的减水剂;并且拥有较好的浆体流动性能.因此,高钙硅比的水化硅酸钙对聚羧酸减水剂拥有较强的吸附能力,并且对含聚羧酸减水剂的水泥浆体流动性能影响相对较小.     

梳状纳米二氧化硅分散液的制备及对水泥基材料性能的提升

采用丙烯酸、聚氧化乙烯醚及硅烷偶联剂合成梳状结构的大分子主链，并接枝纳米SiO₂粒子为侧链，制备出纳米SiO₂的分散液(CNS)。通过优化参数组合，提出了合成的最佳工艺和配比。采用SEM和动态光散射表征CNS中纳米SiO₂形貌和粒径分布。探讨了掺CNS对水泥基材料水化热、凝结时间、孔结构、水化产物、混凝土力学性能和抗渗性能的影响。试验结果表明，掺CNS可明显提高水化放热速率，促进水泥的早期水化并加速水化产物的形成和沉淀，加快水化温升，同时缩短凝结时间。掺CNS对水化产物的影响表现为：在养护7 d时，促进生成C-S-H凝胶，降低了水化产物中氢氧化钙(CH)的含量；养护28 d时，加速了水化产物的形成，增加水化产物中CH的含量。宏观性能表现为混凝土的7、28 d抗压强度和抗渗性能提高。     

湿选钢渣尾泥制备充填胶凝材料试验研究

钢渣尾泥是转炉钢渣经过湿磨磁选后排出的二次废渣,堆存量大且难以实现大规模资源化利用。以钢渣尾泥为主要原料,协同其他工业固废制备胶凝材料可用于矿山充填。本文开展了钢渣尾泥基充填胶凝材料配合比正交试验、充填材料力学性能测试,利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)等多种微观测试手段对钢渣尾泥基胶凝材料的水化机理进行分析。结果表明,钢渣尾泥掺量为55%(质量分数,下同),矿渣掺量为30%,脱硫石膏掺量为15%,胶砂质量比为1:4,料浆浓度为72%时,所制备的充填材料28 d抗压强度可达4.78 MPa,满足矿山充填材料性能的要求。钢渣尾泥基胶凝材料的水化产物主要为C-S-H凝胶和钙矾石,以及少量的Ca(OH)₂,体系内水化产物C-S-H凝胶和钙矾石晶体的数量随着水化龄期的增加而明显增长。     

C-S-H/PCE凝胶对掺磷渣水泥的低温促凝早强性能研究

探讨C-S-H/PCE凝胶对掺磷渣硅酸盐水泥的低温促凝早强性能的影响,并通过上清液pH值、Ca²⁺浓度和化学结合水量分析其对水化的影响机理。低温下(8℃) C-S-H/PCE凝胶能有效缩短混凝土终凝时间,并提高早期强度,当掺量5%时,混凝土终凝时间缩短近6 h,16 h、24 h和3 d抗压强度比分别为160%、150%和110%,且不影响2.5 h混凝土工作性能。C-S-H/PCE凝胶能使低温下掺磷渣硅酸盐水泥浆体处于高pH状态,加速早期水泥矿相离子溶解,提高Ca²⁺过饱和度,加速后期析晶过程,提高化学结合水量,从而促进掺磷渣硅酸盐水泥的水化,实现低温促凝早强。     

固体碱激发矿粉/粉煤灰注浆材料性能及机理研究

以矿粉和粉煤灰为主要原料,NaOH和Na₂SiO₃·5H₂O为固体碱激发剂,制备地聚合物注浆材料,考察激发剂的模数、掺量及养护条件对材料性能的影响。当固体碱激发剂模数为1.0,掺入量为8%(质量分数)时,注浆材料初凝时间为120 min,工作时间可达50 min,经28 d养护后抗折和抗压强度分别可达7.1 MPa和42.7 MPa。相较于非密闭养护,密闭养护有利于早期强度形成,1 d、3 d、7 d抗压强度分别提高了38.0%、38.2%和19.3%。XRD、FT-IR、SEM/EDS测试结果表明,原料水化完全,最终产物包含无定形水化产物、钙沸石、水合铝硅酸钠钙矿和C-S-H凝胶等组分。反应过程中原料的Si—O—Al、Si—O—Si发生重组生成凝胶物质,并团聚成钙沸石类球形产物,提高材料强度。     

HPMC及硼砂对新型防漏高强注浆料性能及微观结构的影响

与传统注浆料相比，防漏高强注浆料具有防漏和高强两大特性，但其过快的凝结速度严重影响施工质量。为了解决凝结速度过快以及泌水问题，研究了羟丙基甲基纤维素(HPMC)和硼砂对防漏高强注浆料凝结温度、凝结时间、保水率、抗折强度和抗压强度的影响。结果表明：当HPMC掺量在0.20%～0.30%(以下掺量均为质量分数)时，硼砂掺量的增加会导致最高凝结温度上升以及恒温时间缩短；掺入HPMC不仅可以提高浆料的保水率，且对注浆料具有一定的缓凝效果，与硼砂同时使用时能增强注浆料的缓凝效果；随着硼砂掺量的增加，浆液结石体的抗折强度和抗压强度呈先增大后减小的变化趋势，HPMC可以减弱硼砂对浆液结石体强度的影响，但是，随着HPMC掺量的增加，浆液结石体强度逐渐降低。当硼砂掺量为0.07%、HPMC掺量为0.25%时，防漏高强注浆料能够在保证良好力学性能条件下获得更好的工作性能，此时，初凝时间达到1 h以上，3 d抗压强度达到36.58 MPa。增加HPMC掺量会导致钙矾石(AFt)晶体由柱状向针状转变，片状单硫型水化硫铝酸钙(AFm)逐渐减少，使结构松散，硼砂掺量为0.07%、HPMC掺量为0.25%时，AFt...     

高炉镍铁渣粉在水泥基复合胶凝材料中的水化特性研究

通过对不同高炉镍铁渣掺量的水泥-高炉镍铁渣粉复合胶凝材料水化放热速率、高炉镍铁渣粉的反应程度、硬化浆体化学结合水含量以及水化产物中C-S-H凝胶Ca/Si的测定,分别研究了水泥-高炉镍铁渣粉复合胶凝材料的早期、中长期水化进程、浆体微观形貌以及水化产物特点等水化特性.研究结果表明:高炉镍铁渣的掺入会降低水化放热速率,并推迟水化加速期放热峰的出现时间;在复合胶凝体系中,随着高炉镍铁渣粉掺量的增大,其反应程度和硬化浆体中化学结合水含量将降低.复合胶凝材料水化生成的C-S-H凝胶的Ca/Si低于水泥,且随着水化的进行呈降低趋势;高炉镍铁渣粉中的Al,在水化过程中会取代部分Si进入C-S-H凝胶中,形成C-A-S-H凝胶.     

纳米SiO2改性纤维增强普通硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥复合材料早期性能及微观结构

为优化纤维增强普通硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥复合材料(OPC-CSA-ECC)的性能,拓宽纳米SiO₂的应用范围,本文系统探讨了纳米SiO₂对OPC-CSA-ECC凝结时间、强度和韧性的影响,并结合XRD和SEM分析了体系的微观结构和改性机制。结果表明:纳米SiO₂缩短了复合胶凝体系的凝结时间,且掺量越大凝结时间越短;纳米SiO₂可提高OPC-CSA-ECC的强度和韧性,纳米SiO₂的适宜掺量在1.5%(质量分数),对应的7 d和28 d龄期抗压强度分别为59.1 MPa和85.4 MPa,等效弯曲韧性分别为195.82 kJ/m³和256.51 kJ/m³。纳米SiO₂没有改变水化产物的种类,但促进了C-S-H凝胶生成且消耗了部分portlandite晶体。SiO₂通过提高基体密实度增大了基体与纤维之间的粘结性能,有助于应变硬化行为的实现。     

纳米SiO2和丁苯胶粉复合改性水泥基材料的强度及抗渗性能

本文研究了单掺丁苯胶粉(SBR)和复掺SBR/纳米SiO₂(NS)对水泥基材料抗折强度、抗压强度、吸水率、抗氯离子渗透系数的影响规律,并采用XRD、DSC-TG、FTIR、SEM-EDS、MIP等手段对水泥基材料水化产物和微观结构进行分析,探究单掺SBR和复掺SBR/NS对水泥基材料强度及抗渗性能的影响机理。结果表明,复掺SBR/NS显著改善了由单掺SBR引起的水泥基材料早期强度下降的问题,单掺SBR和复掺SBR/NS均可降低试样的吸水率、吸水速率和非稳态氯离子迁移系数,且复掺效果优于单掺。微观测试表明:单掺SBR可降低Ca(OH)₂的含量,减少有害孔和多害孔的数量,增加结构整体性;复掺SBR/NS可进一步降低Ca(OH)₂的含量,促进水化反应生成更多C-S-H,提高C-S-H的聚合度,降低最可几孔径,减少少害孔、有害孔和多害孔的数量,降低水化产物的钙硅比,从而增强试样的抗折强度和抗压强度并提高其抗渗性能。     

高性能碱激发胶凝材料的正交试验研究

利用正交试验研究了Ca(OH)2,Ca SO4·2H2O和硅灰的掺量对碱激发胶凝材料强度的影响;同时借助扫描电子显微镜(SEM)对胶凝材料微观结构进行分析。试验结果表明:在水化初期,Ca SO4·2H2O掺量对碱激发胶凝材料的强度影响起较大作用,其次是Ca(OH)2掺量的影响,再次是硅灰;而随着水化反应进行程度的不断加深,碱掺量逐渐起较大作用,Ca SO4·2H2O次之,硅灰再次之。随着水化反应的不断进行,矿渣中的玻璃体不断被消耗而生成C-S-H凝胶,而生成的C-S-H凝胶不断搭接融合,形成整体的组织结构,使胶凝材料不断密实,强度逐渐提高。另外通过试验得出了配制强度达到50MPa的碱激发胶凝材料的具体配合比,即Ca(OH)2掺量为8%,Ca SO4·2H2O掺量为3%,硅灰掺量为3%。