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%。     

无水乙酸钠对磷酸钾镁水泥水化性能和微观形貌的影响

磷酸钾镁水泥(MKPC)快速凝结硬化和集中大量放热的特点制约了其实际应用。传统的缓凝剂难以显著降低其水化硬化速率且无法平衡缓凝剂对凝结时间和力学性能的影响。采用无水乙酸钠(SA)作为新型缓凝剂,研究了其对MKPC水化放热特性、工作性能和抗压强度的影响,并采用XRD、TG-DSC及SEM等分析了SA对MKPC水化硬化过程中固相组成和形貌的影响及机理。结果表明,SA吸附在氧化镁表面能够抑制Mg~(2+)的溶解,延缓氧化镁和磷酸二氢钾的水化反应速率,降低水化温度。因此,随着SA掺量的增加,MKPC的凝结时间得到有效延长,而MKPC的强度尤其是早期强度则随之下降。SA掺入后,MKPC仍以MgKPO_4·6H_2O为主要水化产物,但产物数量减少,棱柱状或板状晶体被球状晶体取代,晶体尺寸减小。     

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。     

三种固废微粉对磷酸钾镁水泥浆体早期性能影响及作用机理

为改善磷酸钾镁水泥(MKPC)浆体的早期性能,并充分利用固废微粉,采用宏观性能测试和微观结构分析相结合的方法,研究了不同掺量的粉煤灰、钢渣和镍渣微粉对磷酸钾镁水泥浆体早期(常温养护24 h)的水化温度、抗压强度和体积变形的影响规律。结果表明:三种固废微粉的掺入,可使复合MKPC浆体的第一水化温度峰值降低3~10 ℃,其中钢渣的掺入效果显著,使其第一峰值出现的时间延迟30 min以上。考虑固废微粉的最大利用率并参照快速修补材料1 d强度不低于42.5 MPa的规定,粉煤灰、钢渣和镍渣微粉的适宜掺量分别为20%、30%和30%。复合MKPC硬化浆体在养护24 h时的体积膨胀率较对比组均有所增加。此外,微观分析表明含固废微粉的MKPC硬化浆体生成晶体的数量增多、尺寸变小且形貌发生改变,结构堆积也明显变得致密。     

粉煤灰掺量对磷酸钾镁水泥水化动力学的影响

使用等温微量热仪测定了粉煤灰掺量分别为0、5%、10%、15%、20%和25%的磷酸钾镁水泥((Magnesium potassium phosphate cement,MKPC)在20℃的水化放热速率和放热量。根据Knudsen和Kondo水化动力学公式计算了MKPC水化最终放热量Q_∞、各阶段的水化阻力N和反应速率常数K,研究了粉煤灰掺量对MKPC水化历程的影响机理。结果表明:对于不同粉煤灰掺量的MKPC最终放热量和动力学参数的计算,Knudsen和Kondo水化动力学公式都具有优异的适用性,拟合相关度很高。磷酸钾镁水泥的水化过程可分为6个阶段,水化反应始于第二阶段,水化进行至第四阶段时MKPC由结晶成核直接进入到扩散阶段。随着粉煤灰掺量从0提高到15%,MKPC体系中反应组分MgO和KH_2PO_4的含量减少,水化放热量降低,粉煤灰主要以物理填充作用参与MKPC水化,对磷酸镁水泥水化过程影响较小。当粉煤灰掺量为15%~25%、硼砂相对含量减少时,粉煤灰的火山灰效应显著,水化放热量增大,MKPC各水化阶段的N和K值的变化较大。     

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。     

纳米CaCO_3对硫铝酸盐水泥水化硬化特性的影响

研究了纳米CaCO_3(NC)对硫铝酸盐水泥(SAC)凝结时间、抗压强度、水化热、水化产物和微观形貌的影响。结果表明,NC可促进SAC的凝结,缩短初凝和终凝时间间隔;显著提高SAC各龄期的抗压强度;缩短SAC的水化诱导期,使水化第一、第二放热峰值分别提高了15.4%和18.9%,并增加了水化放热量;NC在SAC结构中起微集料成核效应和填充效应,提高了水化产物钙矾石(AFt)的结晶度,从而促进SAC的凝结和水化,并使硬化浆体呈整体化的均匀致密结构,提高了SAC净浆的强度。     

化学外加剂对混凝土气孔结构及水化的影响

通过化学外加剂来调节混凝土内部的气孔结构,研究调控组分H对掺有引气剂混凝土气孔结构、性能的影响规律,并利用X射线衍射(XRD)及热重-差示扫描量热(TG-DSC)分析方法,研究了化学外加剂对水泥浆体水化产物及水化进程的影响。研究表明,H掺量为0.2‰时,混凝土的综合性能达到最佳;当掺加调控组分混凝土(KH2)总孔隙率与基准混凝土(K)相近时,增加10~200μm范围孔径的孔隙率,减少200~1600μm范围孔径的孔隙率,使平均孔径及气泡间距系数减小,抗压强度提高;化学外加剂掺加到水泥浆体中,并没有新的晶相生成,并且对水泥浆体水化进程没有明显影响。     

一种新型三元体系磷酸钙骨水泥的制备与性能优化

制备了一种新型磷酸氢钙-部分结晶磷酸钙-磷酸四钙三元体系骨水泥,采用正交试验优化骨水泥组分以提高材料的性能。通过力学性能测试、X射线衍射分析、扫描电镜观察以及反应过程水化放热测定,对比研究了所制备的三元体系骨水泥材料的水化过程和物相组成。结果表明所添加活性磷酸四钙参与水化反应较慢,延长了骨水泥的凝结时间,拓展了后期水化效应,使得反应后期水化进程得以延续,硬化体更加密实,孔隙率降低,抗压强度增加50%;同时反应放热峰值显著降低40%,水化过程总放热量基本不变,有利于骨水泥在临床应用。     

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。     

VPEG-保坍型聚羧酸减水剂的制备及其性能研究

以4-羟丁基乙烯基聚氧乙烯醚(VPEG)为大单体，丙烯酸(AA)、丙烯酸羟乙酯(HEA)为共聚单体，巯基乙酸(TGA)为链转移剂，在H₂O₂/维生素C(V_C)氧化-还原引发体系下，经自由基聚合合成VPEG-保坍型聚羧酸减水剂(PCE-ZZ)。将PCE-ZZ与普通减水剂复配制得减水剂(PCE-1),与市售复配减水剂(PCE-2)进行对比，分别考察其对表面张力、气泡高度、水泥净浆流动性、水泥试块抗压强度、水泥水化过程等的影响。结果表明，PCE-ZZ的最佳合成工艺为n(AA)∶n(HEA)∶n(VPEG)=1∶2.5∶1,链转移剂和H₂O₂用量均为VPEG的0.4%(质量分数),VPEG相对分子质量为3 000,A、B料液滴加时间为60 min。PCE-1与PCE-2相比，PCE-1具有更优异的和易性与坍落度保持性。PCE-1对水泥水化过程的延缓作用强于PCE-2,能更好地促进水泥水化产物的紧密排列，进而提高水泥试块抗压强度。     

速凝剂对低水胶比浆体早期水化与微观结构的影响

低水胶比、高胶凝材料掺量的超高性能混凝土(UHPC)在常温养护条件下易产生凝结硬化不及时的问题。为促进UHPC在隧道初支、工程结构快速修复中的推广应用,拟采用有碱速凝剂(NA)和无碱速凝剂(AS)提升低水胶比浆体的早期凝结硬化速率。本工作通过水化热、水化溶出离子浓度、凝结时间和抗压强度试验研究速凝剂作用下低水胶比浆体的早期水化行为及凝结硬化规律,采用X射线衍射、SEM形貌观察和EDS能谱等手段对水化产物物相组成及微观结构演变规律进行了分析。结果表明,速凝剂的掺入加快了低水胶比复合胶凝材料浆体的早期水化速率,同时也促进了浆体的凝结硬化;NA对UHPC的促凝效果优于AS,其中NA-2%的1 d抗压强度为53.3 MPa, 28 d强度比为94.9%,而AS-4%的1 d抗压强度为38.9 MPa, 28 d强度比为92.3%;速凝剂促使低水胶比浆体快速生成大量水化产物,进而提高了浆体早期微观结构的致密性,且水化产物物相组成受速凝剂类型的影响较为显著。     

赤泥复合充填材料浸出行为及固化机制

针对赤泥高碱性、化学成分复杂、资源化利用率低的问题,以赤泥协同粉煤灰等多固废制备矿山充填材料,对比研究赤泥复合材料配比对充填体抗压强度的发展规律,采用XRD、SEM等微观分析手段揭示充填材料水化机制,通过淋溶试验、毒性浸出试验探明充填体固碱机制、浸出行为及毒害离子固化机制。结果表明：赤泥复合材料质量比为赤泥∶粉煤灰∶水泥=3:7:0.4时,充填体3、7、28天抗压强度分别为0.76、1.35、1.87 MPa,材料成本为78.08元/吨,满足矿山充填开采要求。在赤泥-粉煤灰-水泥的协同互锁作用下,充填体生成了以水化硅酸钙(C-S-H)凝胶、钙矾石、钠系菱沸石为主的水化产物,且赤泥∶粉煤灰质量比越小,粉煤灰比表面积越大,充填体结构越致密,固碱效果越好。钙矾石和C-S-H凝胶通过物理固封和化学结合的形式,使赤泥复合材料毒性离子浸出浓度满足固废要求。     

Sr(NO_3)_2对碱矿渣材料结构和性能的影响

为探明碱矿渣胶凝材料(AAS)固化核素Sr2+后,固化体性能的变化。利用矿渣粉、水玻璃、水和Sr(NO3)2制备了碱矿渣固化体,并研究了Sr(NO3)2对AAS固化体结构和性能的影响。结果表明,Sr(NO3)2使得AAS固化体的结晶程度和水化放热均降低,延缓了浆体的凝结硬化;Sr2+破坏了Si—O—Al基团的形成过程,阻碍了二次C-S-H的形成。Sr(NO3)2的掺入降低了AAS固化体的3 d抗压强度;但当Sr2+掺量小于0.4%时,AAS固化体的28 d抗压强度增加。     

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)。     

缓凝剂硼砂对磷酸镁水泥水化硬化特性的影响

为了探讨缓凝剂硼砂(B)对磷酸镁水泥(MPC)的作用机理,测试和分析了不同掺量硼砂(B)的磷酸镁水泥(MPC)浆体的凝结时间、pH值、体系温度以及硬化体的强度和微观结构。结果表明:硼砂在一定掺量范围内对磷酸镁水泥(MPC)浆体有较明显的吸热降温促进作用和调节pH值作用,两种作用均可减慢浆体的水化反应速度且进一步影响硬化体的微观结构形貌和强度。由此推论硼砂在磷酸镁水泥(MPC)浆体中,除在MgO表面形成保护膜外,还通过降低体系温度和调节浆体pH值进而减慢水化反应速度来延缓浆体的凝结,随着硼砂(B)掺量的变化,不同因素起主导作用。     

m(P)/m(M)比值对磷酸镁水泥性能影响及作用机理分析

研究了原材料磷酸二氢铵(P)与氧化镁(M)的质量比值对磷酸镁水泥抗压强度和凝结时间的影响,通过XRD、扫描电镜和能谱检测分析了该比值影响的作用机理。研究发现,材料体系是由大量未反应的氧化镁颗粒被水化产物胶结而形成的强度体系,氧化镁对水化反应速率和强度发展至关重要;水化产物主要为磷酸铵镁和磷酸镁类化合物,其组成及晶体形貌结构受m(P)/m(M)比值影响较大,当m(P)/m(M)比值在1/4~1/5时,水化产物晶体微观形貌结构密实,材料强度较高。     

钢渣粉性能优化及制备无熟料混凝土的试验研究

为提高固体废弃物综合利用率,通过钢渣分段除铁优化试验和钢渣粉对无熟料混凝土抗压强度影响试验,研究以钢渣-矿渣-脱硫石膏作为胶凝材料制备无熟料全固废混凝土。结果表明,经分段磁选可获得金属铁含量低于0.5%的高性能钢渣粉;当钢渣粉比表面积为640m~2/kg,m(钢渣)∶m(矿渣)=1∶2.5时,无熟料混凝土同时获得较优的3d和28d强度。XRD、TG-DSC、IR和FE-SEM分析表明,在脱硫石膏的激发作用下钢渣和矿渣可以相互促进水化,水化产物以AFt(钙矾石)和C-S-H(水化硅酸钙)凝胶为主。早期钢渣水化促进矿渣的解聚并结合脱硫石膏生成AFt网状结构,随着水化反应的进行胶凝体系生成的C-S-H凝胶充填于AFt网络中使硬化浆体结构致密从而保证强度的增长。     

氧化石墨烯改性混凝土的制备及其性能研究

在普通硅酸盐水泥P.O 42.5的基础上,采用掺杂量为0,0.03%,0.05%和0.07%(质量分数)的氧化石墨烯作为基体的增强相,制备了氧化石墨烯改性混凝土。测试了改性混凝土试样的孔隙率、力学性能、碳化性能和磨损性能,并对各指标的相关性进行了分析。结果表明,适量氧化石墨烯的掺杂促进了改性混凝土的水化反应,对水泥水化产物的结晶组成没有影响,且使水化产物尺寸得到细化,生成了更加规则的结晶化合物;随着氧化石墨烯掺杂量的升高,改性混凝土的孔隙率、碳化深度和磨损量均呈现出先降低后升高的趋势,而抗压强度和抗折强度表现出先升高后降低的趋势;当氧化石墨烯的掺杂量为0.05%(质量分数)时,孔隙率最低为27.53%,7和28 d的碳化深度均为最低值1.46和3.81 mm,磨损量为最低值1.24 kg/m²,28 d的抗拉强度和抗折强度均为最大值53.9和6.7 MPa。可知,当氧化石墨烯的掺杂量为0.05%(质量分数)时,改性混凝土的综合性能最佳。     

掺石膏的低钙水泥水化过程及浆体结构研究

利用高铝粉煤灰可烧制主要矿物组成为硫铝酸钙■和硅酸二钙的低钙水泥(LCC),石膏■对■系列胶凝材料的水化性能起重要作用。为推广LCC的应用,研究了不同■掺量的LCC水化性能。通过等温量热仪、扫描电子显微镜、压汞仪等分析了LCC水化过程及浆体结构,并对LCC抗压强度进行检测。结果表明,随着■掺量增加,LCC水化反应加速,产物钙矾石(AFt)增多且由针状向柱状演变,浆体孔隙率呈现下降趋势;少量■(1%(质量分数))有利于浆体中水化钙铝黄长石的形成,28 d强度增长22.6%;■掺量为5%时,各龄期强度均显著提升;■掺量较高时(10%),浆体早期性能发展迅速而后期性能未见改善;过量■促使AFt发育成管、柱状,尽管浆体孔隙率降至8.4%,但形成了较多微米级粗孔,不利于后期性能提升;不同■掺量(1%～20%)的LCC强度均稳定发展且后期强度不倒缩,展现了LCC的广阔应用前景。