硫铝酸钙-贝利特水泥熟料的低温制备及其水化性能研究

以煤矸石、脱硫石膏、石灰为主要原料,采用水热合成-低温煅烧方法制备了硫铝酸钙-贝利特水泥熟料,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等分析了水热合成物、煅烧试样及水化产物的矿物相,利用等温量热仪测定了水泥早期水化放热随时间的变化,并测定了水泥的力学性能。结果表明:在120℃下水热合成前驱体后再经煅烧,可在1 050℃低温下制成硫铝酸钙-贝利特水泥熟料。与一步法相比,该低温水泥的早期水化放热速率较高。当水泥中的二水石膏掺量为13%(质量分数)时,水泥1d、28d的抗压强度分别为30.2 MPa和57.3 MPa,28d的水化产物主要为长纤维状的AFt。     

含石灰石粉水泥砂浆在低温环境中的硫酸盐侵蚀

分析了掺30%石灰石粉砂浆与纯水泥砂浆在(5±1)℃的2%MgSO4溶液中浸泡不同时间后试件表面层的矿物成分变化与微观结构,研究了强度与外观的变化.结果表明:掺入石灰石粉使水泥水化产物中的单硫型水化硫铝酸钙转变为稳定的单碳水化铝酸钙,物理填充作用使水泥石结构更加致密,因而在短期的低温硫酸盐侵蚀环境下掺石灰石粉砂浆比纯水泥砂浆表现出更好的耐腐蚀性.在经受低温硫酸盐侵蚀后纯水泥砂浆生成大量的石膏和钙矾石,而掺石灰石粉砂浆在经受同条件210 d侵蚀后的腐蚀产物中除了石膏、钙矾石外,还有少量的硅灰石膏生成,表明水泥石中的CSH凝胶体也受到侵蚀.     

淀粉基水化温升抑制剂对水泥-粉煤灰复合胶凝材料水化的影响

本实验主要研究了淀粉基水化温升抑制剂( TRI)对水泥-25%粉煤灰、水泥-50%粉煤灰复合胶凝材料凝结时间、抗压强度、水化放热历程的影响,并与纯水泥进行比较.通过对比TRI在水泥和粉煤灰上的吸附性能和水化产物的变化,对其影响机理进行了分析.结果表明:随TRI掺量增加,凝结时间都延长,早期强度都降低,复合体系后期(60 d)强度存在损失,但不影响纯水泥后期强度,水化放热速率峰值都大幅度降低,缓解了集中放热.水泥对TRI的吸附能力更强,导致复合体系中单位水泥吸附的TRI更多,使得降峰效果更好,同时也导致凝结时间延长更多,增大早期强度损失. TRI不影响纯水泥最终水化程度,但会延缓粉煤灰的火山灰反应,因此降低了复合体系60 d强度.     

纳米二氧化硅对丁苯共聚物/硫铝酸盐水泥复合砂浆物理力学性能的影响

为厘清纳米二氧化硅(NS)和丁苯共聚物乳液(SB)在硫铝酸盐(CSA)水泥中的协同作用，同时解决SB/CSA水泥复合砂浆凝结时间长、抗压强度低的问题，采用NS和SB对CSA水泥砂浆进行复合改性，研究改性复合砂浆物理力学性能随NS掺量的变化，并通过测定水化放热及水化产物分析NS在SB/CSA水泥复合砂浆中的作用机制。结果表明：NS可有效缩短SB/CSA水泥复合砂浆的凝结时间，提高其抗压强度，并与SB对CSA水泥砂浆抗折强度提升具有协同作用；NS最佳掺量为1.5%,此时与不加NS的纯SB改性砂浆相比，28 d抗压和抗折强度分别提高了28%、30%。同时，掺入NS会降低复合砂浆的流动度，提高表观体积密度，降低含气量和干燥收缩率，并略微降低毛细孔吸水率。NS可通过促进无水硫铝酸钙和硫酸钙反应，进一步加快SB/CSA水泥复合浆体的水化进程，提高钙矾石的含量，从而缩短凝结时间并提高力学强度。     

常温下硝酸铵钙对硫铝酸盐水泥的早强作用

研究了常温下硝酸铵钙对硫铝酸盐水泥浆体的流动度、凝结时间、抗压强度、电阻率及浆体内部温度、水化热、水化产物和孔结构的影响,对硝酸铵钙的早强作用机理进行了分析。结果表明,当硝酸铵钙的掺量从0增大到5%时,水泥浆体的初始流动度明显增大,凝结时间显著缩短,6 h,1,3,7和28 d抗压强度均显著提高,电阻率变化速率曲线峰值出现的时间逐渐提前,水泥浆体内部温度逐渐升高,温峰出现时间提前;其掺量在2%以内时,水泥水化放热速率明显加快,1 d累积放热量略有增大,钙矾石的生成速率及生成量均增大,硬化水泥浆体的平均孔径、总孔体积和孔隙率减小。由于硝酸铵钙能够明显加快硫铝酸盐水泥的水化进程,使其早期强度显著提高,因此可用作早强剂。     

甲酸钙对硫铝酸盐水泥早期水化过程的影响

利用维卡仪、水化放热速率、XRD、TG-DSC和SEM等测试手段,研究了甲酸钙(Ca(HCOO)2)对硫铝酸盐水泥凝结时间、水化历程和水化产物及微观形貌的影响。结果表明,Ca(HCOO)2可明显促进硫铝酸盐水泥的凝结,并缩短初凝和终凝时间间隔;显著缩短了硫铝酸盐水泥的水化诱导期,且使水化加速期提前,使第一水化热峰值提高32%,但对水化稳定期的水化放热速率无明显影响;Ca(HCOO)2可以提高硫铝酸盐水泥水化环境的碱度,在早期提高了水化产物钙矾石(AFt)的结晶度,水化早期生成的水化产物结构致密,但并不改变水化稳定期的水化产物和微观形貌。     

复合无机水合盐对磷酸镁水泥水化及性能的影响

将三种无机水合盐Na_2B_4O_7·10H_2O、Na_2SO_4·10H_2O和Ca(NO_3)_2·4H_2O按照最优比例(质量比为1.5∶7∶1.5)复掺得到复合无机水合盐FH,比较了单掺硼砂的磷酸钾镁水泥(MKPC)NB10与不同FH掺量下MKPC(FH-MKPC)的工作性能、绝热温升及抗压强度。利用XRD、TG-DSC及SEM等微观分析手段,结合水化放热速率曲线研究了FH对MKPC早期水化历程的影响。结果表明:FH延缓了MKPC的水化,使得水化温升曲线出现诱导期和两个温度峰,水化放热速率和水化温峰值降低。FH的掺入(8%)大幅延长了MKPC的凝结时间,增强了MKPC的施工可操作性。FH掺量越多,MKPC凝结时间不断延长,流动度提高,早期强度降低。FH掺量为8%的FH-MKPC初凝时间达到25.20min,较NB10延长了90.76%,同时水化产物的早期生成量和热稳定性更高,7h、1d和3d抗压强度略高于NB10。为保证MKPC符合施工需要又满足强度要求,FH的最佳掺量为8%。     

微胶囊在修补砂浆中延迟释放早强剂的应用及性能分析

为使修补砂浆具备合适的凝结时间和较高的早期强度,将无水硫酸钠经微胶囊包覆后掺入到修补砂浆中,进而研究微胶囊对修补砂浆凝结时间、抗压强度、水化进程、水化产物以及水化早期钙矾石生长速率的影响。结果表明,微胶囊的掺入显著延长了浆体的凝结时间,缩短了其初凝、终凝的时间间隔,且对砂浆的早期强度无明显影响;使浆体的水化速度在开始的3 h内处于一个较低的水平,随后其水化速度增大,并最终与掺等量无水硫酸钠浆体的水化程度达到相当水平。另外,掺微胶囊的浆体早期钙矾石的生长速率处在一个较高的水平,且水化4 h后能达到与掺等量无水硫酸钠体水化产物相当的致密度。     

磷酸镁水泥水化热的影响因素研究

采用八通道微量热仪研究了不同m(M)/m(P)(氧化镁和磷酸二氢钾质量比)比值、水胶比(W/B)、硼砂掺量、粉煤灰掺量和磷酸盐种类对磷酸镁水泥水化热的影响规律。实验结果表明,磷酸镁水泥的水化存在吸热和放热两个过程,包含一个吸热谷和两个放热峰,吸热谷产生于磷酸盐的溶解,放热峰与氧化镁溶于酸性溶液及产物的形成有关;提高m(M)/m(P)比值、水胶比、硼砂掺量和粉煤灰掺量都会降低磷酸镁水泥水化的放热速率和放热量;以磷酸二氢铵、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾为磷酸盐所制备的磷酸镁水泥的水化放热峰峰值和放热量分别达到了0.430714,0.145677,0.194626 W和1198.949,452.798,902.872J,表明了磷酸盐种类对磷酸镁水泥水化热和放热速率有显著的影响,这与三者的溶解度和pH值有关。     

冲击荷载下高韧性水泥基复合材料动态力学特性与微结构演化研究

为提升水泥基材料静态力学性能、抗冲击特性及为减少温室气体排放而降低水泥用量,以硅粉为矿物掺合料(掺量为10%,质量比)、钢纤维为功能组分(掺量为2%,体积比),并匹配高效减水剂(掺量为1.5%～2.0%,质量比)制备高韧性水泥基复合材料,通过准静态抗压/抗折强度、分离式霍普金森压杆试验和采用水化微量热仪、热重分析仪,分别研究了高韧性水泥基复合材料准静态/动态力学特性及其微结构演变特征。结果表明：冲击荷载下(冲击速率为0.5 MPa/s)水泥基材料典型破坏过程分为三阶段,高韧性水泥基复合材料受作用后仅出现局部浆体剥落、飞散现象,而基准组体系均发生显著破坏直至整体破碎;硅粉在10%掺量下有效提升了水泥基复合材料体系早期和后期的准静态力学性能,1 d天龄期下抗压强度和抗折强度最高可达61.4 MPa、23.9 MPa,也显著提升了动态抗压强度至123.3 MPa(28 d天龄期)。微结构演变结果表明：硅粉和减水剂复合作用下浆体水化放热速率主峰提前,且主要水化产物——氢氧化钙含量减少,降低了浆体内部氢氧化钙分布的取向性,有助于改善浆体微结构。     

Na2SO4·10H2O对磷酸钾镁水泥水化硬化的影响

磷酸钾镁水泥凝结硬化过快及水化放热集中的问题严重制约着其大规模工程应用,相变材料的吸热储能功能为解决这一问题提供新途径。研究了无机水合盐Na_2SO_4·10H_2O(NS)对磷酸钾镁水泥(MKPC)水化温升、工作性能和抗压强度的影响,并结合XRD、FT-IR、SEM等分析手段及其水化放热速率曲线探究了NS对MKPC性能的影响机制。结果表明:NS的溶解和相变过程吸收大量热,同时释放出结晶水,降低了MKPC体系中Mg~(2+)、PO_4~(3-)和H~+的溶出速率及浓度,MKPC系统内部水化反应速率降低,凝结时间延长,流动度增大,水化放热和水化温升变得更加平缓,在水化早期,MKPC的硬化体强度随NS掺量增加略有降低。在一定的NS掺量(≤4%)内,MKPC水化产物的结晶度提高,后期强度稳定增长,掺有2%NS的MKPC的28d强度将高于基准组。     

低温环境下不同地聚物砂浆力学性能及水化反应机理研究

为进一步提升低温环境下矿渣基地聚物砂浆的力学性能，以矿渣、硅灰和偏高岭土为主要原料制备了4种地聚物砂浆，探究不同原料组合对地聚物砂浆力学性能的提升效果，并结合扫描电镜和傅里叶红外光谱试验分析了不同组合地聚物砂浆的微观结构和硅灰、偏高岭土的改性机理。结果表明：在低温环境10℃的养护下，掺加硅灰可极大促进矿渣基地聚物砂浆早期水化反应，生成大量的C-S-H凝胶与水化铝酸钙产物，宏观上表现出更高的早期力学性能和强度增长速率；掺加偏高岭土，对矿渣基地聚物砂浆的早期力学性能有不利影响，但后期强度增长速率较快且强度值较高，养护时间为28d时，矿渣-偏高岭土基(S-MK)、矿渣-硅灰-偏高岭土基地聚物砂浆(S-SF-MK)试件的抗压强度均达60MPa以上；掺入硅灰和偏高岭土后，试件微观结构得到了改善，内部裂缝减少，均降低了地聚物砂浆的干缩率，偏高岭土降低干缩的效果较硅灰更好。研究结果为低温环境下矿渣基地聚物砂浆的制备和寒区抢修工程的应用提供了理论参考。     

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。     

粉煤灰粒径分布对硅酸盐水泥水化性能的影响

为研究粉煤灰粒径对硅酸盐凝胶材料水化性能的影响,经球磨仪研磨得到3种不同粒径的粉煤灰,探讨其对硅酸盐水泥水化放热速率、水化放热总量、水化反应程度和粉煤灰自身水化反应程度的影响。结果表明:随粉煤灰粒径的减小,粉煤灰的水化活性明显增大,水化反应程度增大,养护龄期为7 d时,水化程度增加20.7%;粉煤灰粒径分布对硅酸盐水泥水化放热总量的影响较小,主要影响其水化放热速率、水化反应程度,养护龄期为28 d时,胶凝材料水化程度增加3%。     

内掺Ca(OH)_2对碱矿渣混凝土强度发展的影响

通过水化热、孔隙率及吸水率测试、XRD等分析手段,研究了内掺Ca(OH)_2对碱矿渣混凝土性能发展规律的影响。测试结果表明,加入Ca(OH)_2后,碱矿渣水泥水化速率提高,可进一步加快其早期强度发展;碱矿渣混凝土试件28d的毛细孔率及吸水率均有所下降,说明混凝土孔结构得到了优化;XRD分析表明,碱矿渣混凝土中富钙水化产物增多并生成了水化铝酸四钙。     

氧化石墨烯对水泥基自流平砂浆性能的影响

通过氧化和超声波分散制备了浓度为7. 4 g/L的氧化石墨烯(GO)分散液,研究了不同GO掺量条件下硅酸盐体系自流平砂浆及其硬化体的流动度、凝结时间、力学性能和耐久性能,并借助XRD、SEM和MIP等手段分析其改性机理。实验得出GO的最佳掺量是0. 04%(质量分数)。在该掺量下,相比未掺GO的空白样,水泥基自流平砂浆的流动度与凝结时间稍有降低,28 d抗折、抗压强度和耐磨性能分别提高38. 9%、27. 7%和48. 8%。28 d试样的氯离子渗透性能较空白样降低了98. 5%。微观测试结果表明,氧化石墨烯能够促进硅酸盐水泥的水化进程,调控水泥水化产物的微观结构,从而提高水泥基自流平材料的力学性能和耐久性能等。     

普通硅酸盐-硫铝酸盐复合胶凝体系水化性能和机理研究

对普通硅酸盐(P·O)-硫铝酸盐(R·SAC)复合胶凝体系的凝结时间、胶砂强度进行了分析,利用等温量热仪、综合热分析仪(TG-DSC)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)等从水化速率及水化产物微观形貌等方面分析了复合胶凝体系的水化机理。结果表明:当R·SAC掺量约为10%时,复合胶凝体系的凝结时间相比P·O明显缩短,早期强度提高幅度较大,同时也能获得较大幅度的后期强度增长,力学性能较纯组分水泥性能优越。复合胶凝体系的早期水化速率和放热量高于单组分水泥。随着R·SAC的掺入,复合胶凝体系的水化产物中钙矾石(AFt)增多,Ca(OH)₂晶体减少,且AFt的生成量越多,越有利于早期强度的发展,当R·SAC掺量超过30%时,Ca(OH)₂消失。     

矿物掺合料早期水化活性的测试和分析

本文采用环境扫描电子显微镜(ESEM)和热重-差热(TG-DTA)分析仪对磨细矿渣微粉、高钙粉煤灰、低钙粉煤灰的早期水化活性进行了系统测试和分析.理论和试验结果分析表明,掺合料取代水泥时,浆体早期抗压强度的提高取决于掺合料自身参与水化反应的速度和水化产物的数量.水化产物在掺合料颗粒表面沉积的速度和浆体中硅酸盐、铝酸盐水化产物的非蒸发水量随掺合料活性的提高而提高.掺合料活性按磨细矿渣微粉、高钙粉煤灰、低钙粉煤灰的顺序降低,将磨细矿渣微粉或高钙粉煤灰与低钙粉煤灰复合,可以克服低钙粉煤灰大掺量取代水泥时混凝土早期强度降低的缺陷,这是提高低钙粉煤灰在高强高性能混凝土中掺量的一个有效措施.     

铅离子对复合磷酸盐磷酸镁水泥水化硬化特性的影响

研究了铅离子对复合磷酸盐磷酸镁水泥水化硬化特性的影响及其在复合磷酸盐磷酸镁水泥中的稳定性。实验结果表明,复合磷酸盐磷酸镁水泥抗压强度随着铅离子掺量的增加而降低,其中硝酸铅掺量达到10%时,复合磷酸盐磷酸镁水泥的各个龄期的抗压强度发生明显下降。铅离子对复合磷酸盐磷酸镁水泥凝结时间没有明显影响。在复合磷酸盐磷酸镁水泥水化过程中,铅离子对水泥体系的pH值影响不大,但能够造成水泥水化放热峰出现的时间延迟,水化放热的总量减少并影响主要水化产物的结晶程度。在复合磷酸盐磷酸镁水泥水化反应后期,当硝酸铅掺量达到10%以上时,在水化产物中出现了较为明显的Pb2P2O7的衍射峰。复合磷酸盐磷酸镁水泥固化铅离子的浸出毒性试验结果(43μg/L)远低于国家标准要求(5mg/L)。     

不同减水剂对氧化石墨烯掺配水泥胶砂力学性能及微观结构的影响

氧化石墨烯(GO)极易在高钙高碱性水泥浆中发生聚沉。研究了不同聚羧酸系(PC1、PC2、PC3)、氨基磺酸系(A1)以及脂肪族系(B1)等几种减水剂对GO的分散效果,并考察了不同减水剂对GO复配水泥砂浆抗压强度、抗折强度、流动度的影响。结果表明,GO掺量都为0.03%情况下,PC2型减水剂对于GO掺配的水泥胶砂试件力学强度的提升最大,3d抗压强度和抗折强度相比基准试件分别提高了45.26%,50.66%;28d抗压强度和抗折强度也相比基准组提升了27.24%,9.3%。流动度方面,与基准试件相比,除PC1外,其余几种减水剂均可使GO掺配砂浆的流动度几乎保持不变。硬化水泥石的X射线衍射谱(XRD)和扫描电镜(SEM)测试结果表明加入PC2,能有效的促进早期水泥水化产物Aft晶体的生长,大幅度提升了水泥胶砂早期抗折和抗压强度。红外光谱(FT-IR)和拉曼光谱(Raman)的结果表明,减水剂PC2能使GO在模拟的水泥浆中分散性更好,且GO中的环氧基团可参与水泥水化反应,使得GO与水泥水化产物之间有较强的界面作用力。