沸石粉对硫铝酸盐水泥水化行为的影响机理研究

研究了沸石粉对硫铝酸盐水泥浆体流动度、凝结时间和抗压强度的影响规律,并通过自收缩、电阻率和XRD测试分析了沸石粉在硫铝酸盐水泥水化行为中的作用机理。结果表明,掺入沸石粉后水泥浆体的流动度明显降低,凝结时间显著延长,且延长时间随掺量的增大呈先增大后减小的趋势。当沸石粉掺量为5%~15%(质量分数)时,硬化水泥浆体的1 d、3 d、7 d抗压强度均有显著提高;沸石粉掺量为10%时,水泥浆体3 d、7 d、28 d的强度增长幅度最大,和空白组相比,分别增长了21.6%、13.9%和5.4%。掺入沸石粉后水泥浆体的24 h电阻率显著增大,硬化浆体的7 d自收缩减小,且在相同龄期时,硬化浆体的自收缩随沸石粉掺量的增大而减小。XRD分析显示沸石粉的掺入能有效促进硫铝酸盐水泥的水化,有利于1 d、3 d和28 d龄期内钙矾石的形成。     

缓凝剂对高贝利特硫铝酸盐水泥水化和性能的影响

高贝利特硫铝酸盐(HB-CSA)水泥是一种具有低收缩特性的新型低碳水泥。针对该种水泥凝结硬化不易控制的问题,系统研究了氨基三亚甲基膦酸(ATMP)和葡萄糖酸钠(SG)对HB-CSA水泥水化和凝结硬化的影响。采用等温量热仪、X射线衍射仪和扫描电子显微镜分析了缓凝剂在HB-CSA水泥中的作用机理。结果表明:ATMP可以显著延缓HB-CSA水泥水化进程,延长凝结时间,提高HB-CSA水泥的中后期强度;而SG仅表现出有限的作用。两种缓凝剂与聚羧酸减水剂(PCE)复配可以延迟HB-CSA水泥水化放热速率,抑制钙矾石等早期水化产物的形成,且不同种缓凝剂会使钙矾石呈现出不同的形貌。     

AFm阴离子类型对硫铝酸盐水泥水化产物钙矾石稳定性的影响

钙矾石是硫铝酸盐水泥主要水化产物之一,其稳定性对水泥性能影响很大。将碳酸钙、硝酸钙或亚硝酸钠按不同掺量加入硫铝酸盐水泥,并研究了它们对水泥水化、线性膨胀率和抗压强度等影响。结果表明,掺入这3种物质后可生成相应的阴离子单取代水化铝酸钙(AFm);含硝酸钙或亚硝酸钠净浆线性膨胀率均高于纯硫铝酸盐水泥净浆;含有这3种物质的水泥砂浆56 d龄期抗压强度均高于纯硫铝酸盐水泥砂浆。碳酸钙、硝酸钙或亚硝酸钠可提高硫铝酸盐水泥水化产物钙矾石的稳定性,从而提升水泥性能,其中硝酸钙和亚硝酸钠效果较佳。     

稻草纤维对硫铝酸盐水泥水化特性的影响

通过对凝结时间、电阻率和强度的测定,研究了稻草纤维对硫铝酸盐水泥水化特性和力学性能的影响。结果表明,(1)稻草纤维浸提液延长了硫铝酸盐水泥的凝结时间,但会降低硫铝酸盐水泥的强度,且随着浸提液浓度的增加,强度越低;对硫铝酸盐水泥水化产物的种类无影响。(2)用冷水、热水和氢氧化钠预处理稻草纤维,可降低稻草纤维对硫铝酸盐水泥水化的延缓作用和强度的不利影响。     

锂化合物对硫铝酸盐水泥水化历程的影响

研究了锂化合物对硫铝酸盐水泥凝结时间、水化历程、水化产物种类和形貌的影响。水化热试验表明:锂化合物的掺入使得硫铝酸盐水泥的水化诱导期消失,直接进入水化加速期,同时使得早期的水化速率和水化放热量显著增加,后期的水化放热量减小。X射线衍射分析表明:锂化合物的作用仅提高了水化产物的生成速率,对水化产物种类无影响。扫描电镜观察结果表明:锂化合物的掺入提高了水化产物的生成速率和生成量。研究结果还表明:空白硫铝酸盐水泥在水化加速期依次出现的3个水化放热峰是由于不同的钙钒石生成阶段所致;在相同的Li+掺量(以摩尔计)下,相对于Li2CO3而言,LiOH·H2O具有更强的加速硫铝酸盐水泥水化的能力。     

硼砂对硫铝酸盐水泥水化行为的影响研究

研究了不同硼砂掺量对硫铝酸盐水泥(SAC)浆体凝结时间、抗压强度的影响规律,并通过XRD和TG分析等方法对3d龄期时的水化产物进行分析.结果表明,硼砂对硫铝酸盐水泥具有很明显的缓凝效果,并且在一定的掺量范围内,早期抗压强度随着硼砂掺量的增大而有明显提高,且后期强度不会有倒缩现象.硫铝酸盐水泥的主要水化产物是钙矾石,当硼砂掺量从0增大到0.30％时,钙矾石的生成量先增多后减少,使得水泥浆体的强度先增大后减小.     

海水对高贝利特硫铝酸盐水泥水化过程和力学性能的影响

研究了海水拌和与海水养护条件下高贝利特硫铝酸盐水泥(HB-CSA)和普通硅酸盐水泥(OPC)胶砂的抗压强度和抗折强度,采用等温量热法、X射线衍射分析法和热重分析法表征了两种水泥的水化过程和水化产物,分析了海水对HB-CSA水化过程和力学性能的影响。结果表明:海水拌和未明显影响HB-CSA的早期水化过程,海水拌和与海水养护未改变其主要水化产物类型;海水拌和显著加快了OPC的早期水化,海水中的氯盐与OPC的水化产物反应,导致水化氯铝酸钙(Friedel盐)的生成。海水拌和与海水养护对HB-CSA的抗压强度影响较小,但降低了OPC的后期抗压强度。海水养护对HB-CSA和OPC抗折强度的提高较为明显,钙矾石(AFt)含量的增加是抗折强度提高的主要原因。HB-CSA的水化产物中未见Ca(OH)₂和单硫型水化硫铝酸钙(AFm),避免了海水侵入后过量CaSO₄·2H₂O和AFt生成造成的混凝土膨胀开裂和强度下降的危害。     

粉煤灰对硫铝酸盐水泥水化历程的影响

研究了粉煤灰(FA)及其掺量对硫铝酸盐水泥(CSA)浆体的凝结时间、抗压强度和化学收缩的影响规律,并通过XRD、SEM等方法对72 h龄期时的水化产物进行分析.结果表明,粉煤灰缩短了硫铝酸盐水泥的凝结时间,当粉煤灰掺量为40％时,初凝时间和终凝时间分别缩短了76 min和94 min;掺入粉煤灰使得硫铝酸盐水泥的抗压强度降低,但在28 d龄期时,粉煤灰掺量为20％的硫铝酸盐水泥复合浆体的抗压强度仅略微降低;在硫铝酸盐水泥体系中掺入粉煤灰时,其浆体化学收缩随着粉煤灰掺量的增加逐渐减小,当粉煤灰掺量为20％和40％时,72 h龄期时的化学收缩值分别为0.138 mL/g和0.088 mL/g,较未掺粉煤灰时分别降低了26％和49％;微观分析表明,掺入粉煤灰后,72 h龄期时的水化产物主要是钙矾石和水化硅酸钙凝胶,并未发现氢氧化钙晶体.     

5～40℃不同硫酸盐侵蚀对铝酸盐水泥水化的影响

采用X射线衍射仪、热分析仪、压汞仪等分别研究了5℃、20℃和40℃Na_2SO_4和MgSO_4侵蚀对铝酸盐水泥(CAC)水化的影响。结果表明:不同温度CAC水化产物的稳定性与硫酸盐种类密切相关。在5℃和20℃,浆体中主要生成十水铝酸钙(CAH_(10))和八水铝酸二钙(C_2AH_8),两者在MgSO_4溶液侵蚀下均能稳定存在;但在Na_2SO_4溶液侵蚀下,C_2AH_8不稳定而基本消失,并有膨胀性钙矾石形成,试样强度降低。在40℃,浆体中主要生成C_2AH_8和六水铝酸三钙(C_3AH_6),其中C_3AH_6在Na_2SO_4溶液侵蚀下基本稳定,而C_2AH_8在两种硫酸盐溶液侵蚀下均基本消失,Na_2SO_4侵蚀样中形成大量钙矾石,MgSO_4侵蚀样中则形成大量石膏,试样破坏严重。但在40℃高温条件下,两种硫酸盐侵蚀均可在一定程度上起到收缩补偿作用。     

海水对不同矿物组成的铝酸盐水泥水化的影响

铝酸盐水泥(CAC)具有优良的抗海水侵蚀性能,为进一步开发其在海洋环境中的应用前景,研究了海水拌合对不同铝酸一钙/二铝酸一钙(CA/CA₂)比例的CAC水化的影响。结果表明:水化早期,海水延缓了CAC水化,而且CA/CA₂比例越低,延缓作用越显著;水化后期,海水促进了CAC水化,使得浆体中水化铝酸一钙(CAH₁₀)生成量明显增加、孔结构优化,强度较自来水拌合时大幅提升,且CA/CA₂比例越低,提升效果越显著。但与自来水相比,海水拌合时CAC后期强度倒缩程度更明显。无论自来水还是海水拌合,CAC主要水化产物都是CAH₁₀,氯离子主要以物理吸附方式结合;所涉龄期内未发现与硫酸盐和镁离子侵蚀相关的水化产物。     

快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥熟料水化机理研究

研究了一种新型快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥的水化性能,并利用微量热仪、XRD、TGA、SEM等方法进行了水泥水化过程,水化产物和微观形貌结构的表征.实验结果表明:新型高贝利特硫铝酸盐水泥熟料的早期水化放热迅速并集中,早期强度发展迅速;该水泥的早期水化产物主要为AFt和铝胶相,未发现CH相;在水化后期,生成的AFt会发生转化生成AFm相,同样没有发现CH相.随着水化的进行,水化产物不断增多,针棒状的AFt穿插,交错在凝胶之间,形成了较为致密的结构,从而提高了水泥的强度.     

钢渣粉对硫铝酸盐水泥水化过程的影响及热力学模拟

通过测试水泥浆体的凝结时间、抗压强度、电阻率,同时结合水化产物分析及热力学模拟,研究了不同掺量钢渣粉对硫铝酸盐水泥水化行为的影响规律。结果表明,随着钢渣粉质量掺量的增大,初凝时间呈先延长后缩短的趋势,且在掺量为20%时达到最大值。在28 d龄期内,掺入钢渣粉的水泥硬化浆体抗压强度均小于未掺入钢渣粉的硬化浆体,但在龄期达到60 d和90 d时,掺入40%钢渣粉试样的抗压强度均大于未掺入钢渣粉的试样。钢渣粉与硫铝酸盐水泥复合浆体的电阻率在水化初始阶段随着钢渣粉掺量的增大而增大,在水化后期(约3 h后)则随钢渣粉掺量的增大而减小。在1 d龄期内,钢渣粉掺量为40%的试样中的钢渣粉发生了水化反应,使得水泥浆体在减速期的水化速率最大。由热力学模拟结果可知：在钢渣粉掺量为40%的试样中,C₂S在10 h后开始进行水化反应,C₂ASH₈则在168 h后开始生成;当钢渣掺量大于15%时,随着钢渣粉掺量的增大,钙矾石和铝胶的生成量逐渐减少,C₂ASH₈的生成量逐渐增多。     

低水胶比下硅灰对水泥水化的影响

试验研究了硅灰掺量、水胶比对水泥净浆抗压强度及水泥水化性能的影响,并分析了低水胶比下硅灰的作用机理。结果表明,随着水胶比的降低,水泥净浆的化学结合水量逐渐降低,而强度却随着水胶比的降低逐渐升高。在低水胶比的条件下,硅灰的掺入对水泥水化的贡献并不明显。     

建筑垃圾粉活化对硫铝酸水泥基材料的影响

研究不同热活化制度下活化的建筑垃圾粉对硫铝酸水泥基材料的力学性能,凝结时间和工作性能的影响规律,并分析胶凝体系的水化放热特点及其微观产物的变化.结果表明:在不同掺量热活化的建筑垃圾粉下,硫铝酸水泥基材料的力学性能有不同程度的增强,其中600℃热活化后的建筑垃圾粉的砂浆力学性能与工作性能最优.同时,掺入热活化活化建筑垃圾粉后会使得胶凝体系的流动度下降,但能提高其力学性能,降低水化放热总量,生成水化碳铝酸钙.     

WJ-1型缓凝剂对水泥浆早期水化过程的影响

针对油井施工高温环境下水泥浆缓凝技术的需要,以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、马来酸酐(MA)和丙烯酰胺(AM)为单体合成了三元共聚物W J-1型缓凝剂.经正交实验得最佳合成条件:单体质量比AMPS:MA:AM =21:9:8、反应温度90℃、反应时间5h、∞(引发剂)=4％(占所有单体质量比).高温高压(120℃、73.9MPa)稠化时间表明其具有良好的缓凝性能.用低场核磁对比研究了纯水泥浆G和掺加缓凝剂的水泥浆GR的横向弛豫时间在不同时间点的T2值分布情况和T2总信号量随水化时间的变化.结果表明:在初始水化阶段的150min内,对比弛豫峰的变化发现,水泥浆GR的弛豫峰峰形和峰顶位置均无明显变化,水泥浆G的弛豫峰峰形变窄且峰顶位置向短弛豫方向偏移;随水化时间的进行,T2总信号量不断减小,反映了浆体中自由水转变为化学结合水的过程.     

Influence of Tertiary Alkanolamines on Portland Cement Hydration

The physical and chemical effects of small additions of two different tertiary alkanolamines to portland cement were investigated. The strengths of standard test mortars moist cured for more than 1 day were found to be enhanced in some cases by addition of triisopropanolamine, but not by similar amounts of triethanolamine. Thermogravimetric and X-ray diffractometric data indicate that the increased mortar strengths resulted from an increased degree of hydration of the cement. Calorimetry and aqueous-phase analysis show that the higher alkanolamine, triisopropauo-lamine, remains in solution for a sufficient time to catalyze hydration of C₄ AF after all of the free gypsum has been consumed to form calcium sulfoaluminate hydrates, In contrast, the lower alkanolamine, triethanolamine, is mostly adsorbed by the cement within the first hours of hydration. It is hypothesized that the catalytic mechanism involves facilitated transport of ferric ions through the aqueous phase in the form of ferric-alkanolamine complexes.     

超细矿渣粉和偏高岭土对硫铝酸盐水泥水化和强度的影响

掺入矿物掺合料是改善硫铝酸盐水泥(CSA)混凝土凝结硬化性能和降低生产成本的主要技术途径之一。研究了水胶比为0.4时,单掺超细矿渣粉(UFS)、偏高岭土(MK)与复掺超细矿渣粉、偏高岭土对硫铝酸盐水泥凝结时间、流动度、电阻率、抗压强度的影响,并对其1 d、28 d龄期时的水化产物进行XRD半定量分析。结果表明,单掺和复掺缩短了水泥浆体的凝结时间,但单掺偏高岭土时的缩短效果更明显,且水泥浆体的流动度随着超细矿渣粉和偏高岭土掺量的增加而减小。掺入超细矿渣粉、偏高岭土缩短了水泥浆体电阻率变化速率曲线峰值出现的时间,峰值大小与掺量成递减关系。当掺量从0%(质量分数,下同)增大到20%时,单掺超细矿渣粉试样的28 d抗压强度减小了24.7%,单掺偏高岭土试样的28 d抗压强度减小了17.7%,两者复掺试样的28 d抗压强度减小了17.3%。超细矿渣粉和偏高岭土对水泥水化产物没有明显影响,但促进了硅酸二钙(β-C₂S)的早期水化。     

游离石膏对高贝利特硫铝酸盐水泥熟料烧成的影响

设计了五种不同f-CaSO4/C4 A3 S的生料配比,研究了f-CaSO4含量变化对高贝利特硫铝酸盐水泥熟料烧成的影响.通过TG-DSC分析了高贝利特硫铝酸盐水泥熟料的形成过程,利用XRD、f-CaO含量分析得到了熟料的适宜煅烧制度,进一步用SEM观察了不同含量f-CaSO4对熟料矿物微观形貌影响,最后研究了f-CaSO4对高贝利特硫铝酸盐水泥熟料力学性能的影响.结果表明:高贝利特硫铝酸盐水泥熟料的适宜煅烧温度范围为1300～1400℃,保温时间为40 min;熟料中C2 S、C4 AF含量与设计值相一致,随着f-CaSO4/C4 A3 S增加,非晶固溶体有逐渐增多的趋势;随着f-CaSO4/C4 A3 S增加,熟料早期强度先增大后降低,后期强度逐渐增大,当f-CaSO4/C4 A3 S为0.4时有最高早期强度.     

Influence of Calcium Sulfoaluminate (CSA) Cement Content on Expansion and Hydration Behavior of Various Ordinary Portland Cement‐CSA Blends

Calcium sulfoaluminate (CSA) cements have lower carbon footprint than that of portland cement, which makes them a suitable alternative as a sustainable cementitious binder. Early‐age expansion of CSA cements can be exploited to induce compressive stress in restrained concrete which can later counteract tensile stress developed during drying shrinkage, thus enhancing the resistance against shrinkage cracking. However, a proper understanding of the expansion behavior is critical to eliminate any risk related to expansion‐induced cracking. This study examines the expansion and hydration characteristics of various ordinary portland cement (OPC)‐CSA blends. Early‐age expansion of paste samples was monitored. The increase in CSA cement content increased the extent of expansion. Samples having the highest CSA content (30% by mass) exhibited excessive expansion which led to their cracking. Quantitative X‐ray diffraction, pore solution extraction, porosity, tensile strength, and dynamic modulus tests were performed to monitor the physico‐chemical changes in OPC‐CSA blends. It was shown that the ettringite supersaturation in the investigated systems gave rise to the crystallization stress, responsible for the expansion. Thermodynamic models enabled a reasonable prediction of tensile failure, particularly in the blends with the higher CSA content.