水泥基鈣-硅鋁質(zhì)復(fù)合材料水化機(jī)理及協(xié)同效應(yīng)研究.pdf

1、目前，全球每年水泥工業(yè)生產(chǎn)所排放的CO2量與混凝土70年齡期對(duì)CO2的自然吸收固化量比例為9.43左右，水泥工業(yè)體系的碳當(dāng)量傳遞鏈已完全失衡。同時(shí)，我國(guó)工業(yè)固體廢棄物綜合利用率不到40％，累積固體廢棄物已達(dá)70億噸，占地約7萬(wàn)K㎡?；A(chǔ)建設(shè)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迫切需要使之成為水泥基材料中能夠調(diào)節(jié)性能的輔助性材料，以減少水泥工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的資源消耗與污染排放。
　　 本研究工作來(lái)源于（國(guó)家973計(jì)劃2009CB623201-01）“現(xiàn)代

2、混凝土膠凝漿體微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理”與（國(guó)家科技支撐計(jì)劃2006BAF02A24）“高性能水泥綠色制造工藝和裝備”。以目前應(yīng)用最廣泛的粉煤灰及礦渣作為代表性的硅鋁質(zhì)膠凝材料，探明其在多因素環(huán)境下的化學(xué)活性特征及其水化機(jī)理，通過(guò)物理化學(xué)手段對(duì)其進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)解聚以增強(qiáng)其化學(xué)活性，研究硅鋁質(zhì)膠凝材料之間的協(xié)同效應(yīng)匹配關(guān)系，進(jìn)而通過(guò)多因素的優(yōu)化配伍（協(xié)同效應(yīng)、活性激發(fā)技術(shù)及特殊組分微調(diào)等）進(jìn)行滿足工業(yè)近零排放原則的制備關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)。
　　 本

3、文主要的工作及所取得的重要成果如下：
　　 1.采用Ka-ICP法、非蒸發(fā)水量及反應(yīng)程度等評(píng)價(jià)方法，系統(tǒng)研究在水熱堿性環(huán)境、水泥水化環(huán)境下粉煤灰、合金礦渣等硅鋁質(zhì)膠凝材料活性，建立了硅鋁質(zhì)膠凝材料化學(xué)活性綜合評(píng)價(jià)體系。
　　 （1）對(duì)Ka法環(huán)境下的粉煤灰進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程模擬，水熱堿性環(huán)境下的反應(yīng)初期，網(wǎng)狀聚合體與Ca（OH）2反應(yīng)形成CSH單層膜或CH-CSH雙層膜附著于顆粒表面。隨著齡期的延續(xù)，反應(yīng)層逐漸深入，此過(guò)程中

4、反應(yīng)界面會(huì)出現(xiàn)惰性莫來(lái)石及/或新生礦物沸石等惰性物質(zhì)阻礙反應(yīng)的進(jìn)行，而易反應(yīng)區(qū)域會(huì)形成溶蝕活化點(diǎn)促進(jìn)反應(yīng)介質(zhì)的繼續(xù)反應(yīng)。隨著反應(yīng)深度的加深，溶蝕活化點(diǎn)在反應(yīng)后期進(jìn)一步擴(kuò)展形成溶蝕反應(yīng)區(qū)域，粉煤灰玻璃體中的大部分活性硅鋁質(zhì)參與反應(yīng)，只剩下由惰性莫來(lái)石及/或新生礦物沸石形成的鏤空狀搭接結(jié)構(gòu)。
　　 （2）粉煤灰+水泥二元體系中存在一種平衡關(guān)系，即水泥水化的Ca（OH）2生成量與粉煤灰化學(xué)反應(yīng)的Ca（OH）2消耗量。并且粉煤灰化學(xué)反應(yīng)

5、所需的Ca（OH）2濃度隨其在各反應(yīng)階段的表面結(jié)構(gòu)活性及外層包裹膜厚度的不同而不同，基本隨厚度增加呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。
　　 2.提出了硅鋁質(zhì)膠凝材料高溫增鈣改性的優(yōu)化方法，并采用NMR、FTIR等方法探討了改性粉煤灰硅鋁網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的解聚機(jī)理與規(guī)律；結(jié)果表明高溫增鈣使部分Si-O鍵斷裂，其斷裂導(dǎo)致高配位的網(wǎng)絡(luò)中間體Al及Ca較多滲入，從而使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部分強(qiáng)峰的化學(xué)位移向低場(chǎng)移動(dòng)，化學(xué)活性得到明顯提高。
　　 （1）最終優(yōu)化的高溫

6、增鈣粉煤灰配比為CFA-4-1200℃，即81.0％LCFA1+15.0％CaO+3.0％石膏+1.0％螢石，溫度制度為1200℃下0.5h。
　　 （2）29Si NMR結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)相對(duì)于原狀粉煤灰，經(jīng)過(guò)高溫增鈣改性后的粉煤灰其強(qiáng)峰線位移朝正值方向移動(dòng)，呈現(xiàn)出由高場(chǎng)的集中向低場(chǎng)的分散趨勢(shì)，說(shuō)明其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合度降低。
　　 3.提出了化學(xué)活性反應(yīng)時(shí)效性貢獻(xiàn)率的概念，揭示了硅鋁質(zhì)膠凝材料各時(shí)間段反應(yīng)效率主導(dǎo)與輔助作用的轉(zhuǎn)變

7、規(guī)律。研究了改性硅鋁質(zhì)膠凝材料在水泥基材料中的水化機(jī)理及多元體系下的協(xié)同效應(yīng)，并探討了多元復(fù)合體系的次第水化理論。
　　 4.提出了多元體系高性能復(fù)合膠凝材料的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)研究了高性能復(fù)合膠凝材料的水化熱、體積變形、開裂敏感性及抗硫酸鹽侵蝕等性能。
　　 結(jié)合多元體系協(xié)同效應(yīng)的研究制備高性能復(fù)合膠凝材料，實(shí)現(xiàn)固體廢棄物45％摻量下，其1d水化熱下降30％以上，開裂敏感性方面的初始開裂時(shí)間相對(duì)基準(zhǔn)樣延長(zhǎng)175％以上，28