納-微米粒子改性快速反應膠凝材料的研究.pdf

1、在現(xiàn)代高技術條件下的防空襲作戰(zhàn)中，國防工程的快速構筑與軍用機場跑道等設施的搶修恢復是保證戰(zhàn)爭勝利的關鍵；在頻繁發(fā)生的地震洪澇等自然災害中，災區(qū)基礎設施的快速搭建關乎社會的穩(wěn)定。因此，必須高度重視以上國家重大特殊工程搶修搶建材料與技術的相關研究。在該類工程的搶修搶建過程中，通常要求在5~30min快速完成工程施工，在2小時~8小時即可快速服役，恢復工程使用功能，而傳統(tǒng)的搶修搶建材料很難滿足以上要求?；诖?，目前亟需研發(fā)一種集工作性能好、早

2、期強度高、環(huán)境適應性廣等性能于一體的快速反應膠凝材料。本文依托國家“973計劃”子課題（2009CB623201-1）和中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目（2013-YB-25），提出了開發(fā)納/微米顆粒改性硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥快速反應膠凝材料（Fast Reaction Cementitious Materials with Portland Cement，簡稱PFCM；Fast Reaction Cementitious Ma

3、terials with Sulphoaluminate Cement，簡稱SFCM）的研究思路。系統(tǒng)研究流變組分、緩釋組分、納微米增強組分及其他功能組分對PFCM與SFCM流變特性、力學性能、微觀結構和耐久性能的影響，探討了納/微米顆粒改性快速反應膠凝材料的作用機理，為PFCM與SFCM的研究和應用提供了理論支撐與應用參考。
　　本文的主要工作及所取得的重要成果如下：
　　1、PFCM高流態(tài)、塑性階段精細可調及快速服役性能

4、的設計與實現(xiàn)
　?、傺芯苛顺芑瘎┓N類及摻量對 PFCM流變特性的影響，確立了聚羧酸系減水劑（PC）與PFCM相容性較好，且飽和點摻量為0.7％；研究了粉煤灰（FA）與納米TiO2（NT）摻量對PFCM初始流動度和30min流動度的影響，單摻1%、2%和3%NT可使PFCM初始流動度分別降低17.7%、24.6%和28.4%，降低幅度隨FA取代率的增大逐漸減小。NT與FA對新拌漿體30min流動度的影響規(guī)律與初始流動度相似。

5、>　?、贜T可顯著縮短PFCM的初凝和終凝時間，縮短幅度隨FA取代率的增大逐漸減小。復摻適量的FA與NT可有效調控初凝和終凝的時間間隔，當FA摻量為20%時，摻入3%NT可使PFCM初凝和終凝時間間隔控制在45min以內。
　　③探索了NT對PFCM力學性能與干縮性能的影響。復摻NT與粉煤灰可實現(xiàn)性能互補及優(yōu)勢疊加。當NT摻量不小于2%時，所有試樣8h抗壓強度均達到10MPa以上。單摻NT使PFCM干燥收縮率增大，尤其在水化早期較

6、為明顯；FA可使PFCM干燥收縮率減小，當NT摻量為0%、1%、2%和3%時，復摻20%FA可使PFCM水化90d的干燥收縮率分別減小7.7%、32.5%、36.2%和39.1%。
　?、芰繜嵩囼灲Y果表明，NT的摻入可使C3S的水化放熱速率峰值增大以及總放熱量增多。摻1%NT使C3S漿體的水化歷程出現(xiàn)初始遲滯現(xiàn)象，而摻入2%和3%NT時C3S漿體表現(xiàn)出凈加速效應。
　?、莶捎肵RD、DSC-TG、NMR、SEM等微觀測試手段

7、揭示了NT影響PFCM水化的機制。即NT的摻入可促進水化早期水化產物的結晶與析出；促使復合體系中粉煤灰的火山灰反應加速并提前；復摻NT與粉煤灰可使硬化漿體微觀結構變得致密、均勻，并顯著改善水泥砂漿的界面過渡區(qū)。
　　2、SFCM高流態(tài)、塑性階段精細可調、快速服役與高耐久性能的設計與實現(xiàn)
　?、俪芑瘎㏄C+C和緩釋組分BM的飽和點摻量分別為0.8%和0.3%，二者復摻可顯著改善硫鋁酸鹽水泥的流動性及有效控制硬化漿體的凝結時間

8、。摻入0.8%PC+C與0.3%BM可使SFCM初始與30min流動度均達到280mm以上，使SFCM初凝時間控制在45min以上。
　?、谝郧?、塑性粘度和流動度作為評價指標，研究了硅灰（SF）、納米SiO2（NS）和NT摻量對SFCM流變行為的影響。SF、NS與NT的摻入使得SFCM流變性變差，流動度經時損失增大、凝結時間以及初凝和終凝時間間隔縮短。當NS與NT摻量分別為2%和3%時，SFCM的初凝和終凝時間間隔均可控制在

9、20min以內。
　　③首次研究了不同養(yǎng)護溫度下NS與NT摻量對SFCM力學性能的影響。結果表明，NS與NT的摻入均可顯著改善SFCM的力學性能，尤其在水化早期。養(yǎng)護溫度為20℃時，摻入納米材料可使SFCM水化2h的抗壓強度均達到20MPa以上，較大摻量納米材料不利于水泥砂漿后期強度的發(fā)展，NS與NT的最佳摻量分別2%和3%；養(yǎng)護溫度低于20℃時，水泥砂漿28d抗壓強度隨NS/NT摻量增大呈增大趨勢，該趨勢隨養(yǎng)護溫度升高逐漸變的平

10、緩；揭示出控制 SFCM抗壓強度的關鍵因素在于NS與NT對AFt晶體析出速率的調控。
　?、茉?XRD、DSC-TG、NMR試驗基礎上協(xié)同 SEM分析，確定了材料體系中水化產物 AFt的相對含量、形貌及生長特點，并建立相關水化幾何模型，形象揭示了納微米改性硫鋁酸鹽水泥時漿體內部結構的發(fā)展過程。
　?、菰赟FCM實現(xiàn)高流態(tài)和超早強的基礎上，引入抗裂劑AA與復合改性劑CM，優(yōu)化了SFCM的配合比設計，隨后探討了SFCM體積穩(wěn)定性