应用纳米压痕技术表征水化硅酸钙凝胶

应用纳米压痕技术实测了水化硅酸钙(C-S-H)凝胶的折合模量.结果表明:将特定尺寸的净浆试样进行打磨、抛光和超声波清洗,可制得表面光洁度符合纳米压痕仪要求的试样;不同水化反应阶段生成的C-S-H凝胶的微区力学特征迥异,随着龄期的增长,C-S-H凝胶的折合模量频率分布曲线呈现不同峰值;水化产生的C-S-H凝胶分层包裹在水泥颗粒外围,并以未水化的水泥颗粒为中心向外形成的水化产物其折合模量逐步降低.

溶蚀作用下硅酸三钙水化产物微结构演变机理研究

处于水下区的大坝混凝土由于钙离子溶出易遭受溶蚀破坏,从而造成水泥水化产物脱钙溶解,进而导致大坝混凝土性能劣化失效。为深入揭示大坝混凝土溶蚀劣化机理,有必要厘清溶蚀作用下水泥水化产物形貌与微结构的演变规律。硅酸三钙(C_(3)S)是水泥的主要矿物相,其水化产物特性对水泥及混凝土性能影响显著。为此,本研究制备了高纯度C_(3)S单体,加水水化后浸泡在不同浓度氯化铵溶液中模拟水泥水化产物的加速溶蚀,并结合热重分析、核磁共振、扫描电镜、氮吸附等微观测试方法对其溶蚀前后产物的组成、微纳观结构与形貌进行表征。结果表明硅酸三钙水化产物与氯化铵溶液发生中和反应,溶液的pH值升高;氯化铵浓度越大,反应后溶液的pH值相对越低、水化产物脱钙程度越大,证实了溶蚀程度与环境条件密切相关;溶蚀减少了水化产物中水化硅酸钙凝胶中的化学结合水含量,使硅链结构发生聚合、孔隙结构被粗化并加剧水化硅酸钙凝胶的空心程度,且结构和形貌变化程度随溶蚀程度的增加而增大,从微纳观尺度为揭示混凝土溶蚀机理提供了依据。

不同镁硅摩尔比下水化硅酸镁凝胶的微观结构

利用X射线衍射技术(XRD)和^(29)Si固体核磁共振(^(29)SiSSNMR)技术,对不同镁硅摩尔比下氧化镁/硅灰(MgO/SF)试样的水化产物进行了微观结构和形成机理研究.结果表明:生成的水化硅酸镁凝胶(M⁃S⁃H)聚合度较高,结构复杂,M⁃S⁃H的形成离不开氢氧化镁(MH)的形成和解离,二者在Mg^(2+)的争夺方面存在竞争关系;MgO/SF试样水化反应早期主要生成MH,后期主要生成M⁃S⁃H凝胶,龄期的延长有助于M⁃S⁃H的聚合,长龄期养护有利于Q^(1)向Q^(2)、Q^(2)向Q^(3)的转化;富镁条件促进了M⁃S⁃H的生成,长龄期下Mg^(2+)起拆网作用,支链硅氧四面体含量增多;贫镁条件下试样中剩余大量SF未参与反应,长龄期下Mg^(2+)起补网作用,用于构建层状硅酸盐骨架;M⁃S⁃H凝胶是以层状硅氧四面体为主体、包含端链和支链硅氧四面体的复杂非晶相无序结构.

水热合成C-S-H凝胶所用硅质原料的特性研究

详细研究了不同硅质原料的化学组成、杂质含量、可溶硅含量、ζ电位等物化特性 ,并且进行了XRD ,IR ,SEM ,BET氮吸附等微观测试 ,在此基础上 ,分析了硅质原料和石灰的反应机理 ,得到影响它们反应速率的主要因素是硅质原料中SiO2 的溶解速度 ,包括SiO2的溶解度、硅质原料的平均粒径、比表面积等 ,最后得出 :适合水热合成C -S -H凝胶的硅质原料应该具有较高的可溶硅含量和较大的比表面积 .

纳米C—S—H/PCE对硅酸盐硫铝酸盐复合水泥凝结硬化的影响

研究了纳米C—S—H/PCE对硅酸盐硫铝酸盐复合水泥凝结时间、早期水化历程及抗压强度的影响,采用XRD、TG、pH计和SEM等分析测试手段对早龄期水化产物和液相碱度等进行表征,探讨了纳米C—S—H/PCE对硅酸盐硫铝酸盐复合水泥的增强机理。结果表明:掺加纳米C—S—H/PCE能有效缩短硅酸盐硫铝酸盐复合水泥浆体初凝及终凝时间,当C—S—H掺量≥1.0%时,硅酸盐硫铝酸盐复合水泥的初、终凝时间差明显缩短。纳米C—S—H/PCE加快了硅酸盐硫铝酸盐复合水泥水化放热速率,提高了总的水化放热量,早期水化产物生成数量多,但对水泥水化产物类型没有影响,硅酸盐硫铝酸盐复合水泥体系8、12、16 h的抗压强度显著提高。

水化硅酸镁改性氯氧镁水泥制备保温板的试验研究

采用水化硅酸镁体系(MSH)改性氯氧镁水泥(MOC)制备了一种改性的菱镁保温板。测试了保温板的体积密度、抗压强度、抗折强度和导热系数,分析了其结构的形成机理。研究了轻质骨料、发泡剂和纤维等的不同掺量对保温板性能的影响。并通过多次试验,使制得的保温板具有优良的性能。

偏高岭土对硅酸盐水泥水化产物的影响

通过热重-差式扫描量热仪、原子力显微镜、扫描电子显微镜-能谱分析研究了偏高岭土对硅酸盐水泥水化产物Ca(OH)2的含量,C-S-H凝胶的形貌特征、化学组成和堆聚结构的影响,讨论了水化产物性质随偏高岭土掺量变化的规律。结果表明:偏高岭土的掺入,水化产物Ca(OH)2的含量相应降低,在偏高岭土掺量15%时,水化28d龄期试样中Ca(OH)2的质量分数由18.68%降低到13.66%;同时C-S-H凝胶颗粒尺寸随着偏高岭土掺量的增加而逐渐减小,堆聚更加紧密,偏高岭土与水泥水化产物Ca(OH)2反应生成结构致密稳定性更好的低Ca/Si值的C-S-H凝胶,改善了C-S-H凝胶的结构和化学组成。

粉煤灰混凝土的碳化性能

研究了粉煤灰对混凝土碳化性能的影响,评价了粉煤灰在混凝土中的作用。

粉煤灰水泥基材料的水化产物

用热重仪差示扫描量热仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线能量散射、高分辩电子显微镜、压汞仪,测定了粉煤灰水泥基材料水化产物的形貌特征、微观结构、化学组成及水泥石的孔结构,讨论了水化产物性质及水泥石孔结构随粉煤灰掺量的变化规律。结果表明:粉煤灰的大量掺加,可以改善凝胶的化学组成。水化后期,粉煤灰与Ca(OH)2及由熟料水化生成的高n(Ca)/n(Si)的水化硅酸钙(CSH)凝胶发生二次水化反应,生成低n(Ca)/n(Si)的CSH凝胶,此种凝胶的固碱能力强,可减少碱集料反应的危害性。同时,二次水化产物能够填充那些对水泥石强度和耐久性极为不利的孔隙空洞,使水泥石的结构更加致密,优化水泥石的孔结构,对提高水泥基材料的耐久性作用极大,为进一步提高工业废渣利用的技术水平奠定了基础。

水化硅酸钙凝胶的弹塑性和徐变特性

采用纳米压痕技术研究了不同龄期水泥硬化浆体中水化硅酸钙(C-S-H)凝胶的微观弹塑性和徐变特性。结果表明,随着龄期的增长,C-S-H凝胶在相同荷载作用下的弹性能逐渐减小,并趋于稳定值,且低密度C-S-H凝胶的弹性能均高于同龄期的高密度C-S-H凝胶。对于相同的荷载和持荷时间,高密度C-S-H凝胶的徐变显著低于同龄期低密度C-S-H凝胶。应用纳米压痕技术从微观层面测定了两种密度C-S-H凝胶的变形性能的差异,揭示了C-S-H凝胶的弹性能和徐变与凝胶的折合弹性模量呈反比关系。

低温常压下废弃混凝土的固化再利用研究

采用水热固化技术,可将废弃混凝土在100℃低温、常压的条件下固化成抗折强度约为18 MPa的一种新型建筑材料。实验表明,NaOH溶液的浓度及添加量、Ca(OH)2添加量、固化时间等因素对固化体强度均有重要影响。样品强度提高的主要因素是水化硅酸钙凝胶(C-S-H)的生成。该技术可为工业化连续性处理废弃混凝土提供了参考。

纳米Al_2O_3和MgO对超高性能混凝土耐磨性的影响及机理

目的基于材料制备角度,使用纳米材料提高超高性能混凝土(UHPC)强度,进而提高基体耐磨性。方法纳米Al_2O_3和Mg O分别以不同质量分数(0.05%、0.1%、0.15%、0.2%和1%)掺入UHPC,测试不同龄期力学强度及耐磨性,选取典型试件进行^(29)Si和^(27)Al的NMR和XRD分析,研究其内部结构特征,为分析纳米材料对UHPC强度及耐磨性的影响机理提供理论依据。结果掺入纳米Mg O的UHPC试件强度及耐磨性皆优于空白及纳米Al_2O_3试样,尤其是当掺量为0.35%(Mg-2)时,7 d抗压强度和抗折强度是空白样的1.11倍,磨损量减少了10%,但不同纳米Mg O对UHPC性能的影响程度略有不同。微观分析表明,纳米Mg O促进水泥水化进程,生成较其他试样更多的水化产物,因此UHPC内部结构较致密。但是纳米MgO又同时促进了水滑石的形成,随着纳米Mg O掺量的增多,水滑石的产量也随之增多,不利于结构致密化。结论纳米UHPC的耐磨性与抗压强度呈正比关系。纳米Mg O可促进水泥水化进程,使UHPC内部结构致密化,利于基体抗压强度和耐磨性的提高。但过量掺入导致水滑石在外部水化区域急剧形成,不利于机体性能的提高,掺入量为0.35%较为适合。

水淬高钛高炉渣制备C40全固废混凝土试验研究

为了提高低活性水淬高钛高炉渣的综合利用率,采用多固废协同激发的技术路线制备胶凝材料,通过正交试验确定了水淬高钛高炉渣-钢渣-石膏基胶凝材料的优化配比,并以原状水淬高钛高炉渣颗粒为骨料制备全固废混凝土。研究结果表明,胶凝材料的优化配方为:水淬高钛高炉渣和钢渣质量比为2∶1、脱硫石膏掺量为16%、减水剂掺量为0.28%、水胶比为0.24。当胶砂比为1∶1时,在标准养护条件下,全固废混凝土试块28 d抗压强度可以达到40 MPa以上,符合C40混凝土强度要求。XRD、TG-DTA和SEM-EDS分析表明,在脱硫石膏的激发下,水淬高钛高炉渣与钢渣相互促进,协同水化,水化产物以针棒状的钙矾石(AFt)和无定形的C-S-H凝胶为主。随水化龄期延长,水化产物不断增多,钙矾石晶型趋于稳定,网状C-S-H凝胶与钙矾石穿插形成的致密结构有利于混凝土强度的增长。

砂浆抹灰层对混凝土耐高温性能的影响

混凝土经历高温后会出现不同程度的劣化,并且劣化程度会随着温度的上升而加剧,具体体现为混凝土开裂以及强度下降。混凝土表面的砂浆抹灰层能提高混凝土的耐高温性能,但缺乏针对性研究。为探索抹灰层对混凝土耐高温性能的影响及作用机制,本文通过观察不同抹灰层厚度的混凝土试样在高温环境下的裂缝发展,并测定剩余质量比率、耐高温试验温度、红外温升、超声波脉冲速度、抗压强度及傅里叶变换红外光谱(FTIR),证明抹灰层可以延缓混凝土高温劣化,其效果随着抹灰层厚度增加而增大。砂浆抹灰层通过降低混凝土升温、降温速率和混凝土试件各点的最高温度,进而延缓因高温蒸气压、温度应力以及水化产物热分解导致的高温劣化。试验结果表明:厚度为10和20 mm的抹灰层在600℃下可分别将混凝土强度提升23.65%和50.94%;在800℃下可分别将混凝土强度提升46.72%和161.63%。通过回归分析获得抗压强度与耐高温试验温度、抹灰层厚度的关系式,证明砂浆抹灰层厚度为影响混凝土高温抗压强度的重要因素。因此,在混凝土结构的耐高温研究中,不宜单纯考虑混凝土基体的耐高温性能,应同时考虑抹灰层的保护作用。

高强度再生骨料混凝土性能优化研究

对高强再生骨料混凝土应用纳米强化骨料以及化学降粘剂后的力学性能、工作性能进行了实验研究。在单掺入纳米再生骨料的情况下,高强再生混凝土早期强度较高,但后期强度倒缩。单掺入化学降粘剂的情况下,混凝土的工作性能提高,但强度整体下降。同时掺入纳米强化再生骨料与化学降粘剂,则强化骨料不再发挥效用。

纳米C-S-H凝胶对喷射混凝土性能的影响

为解决普通喷射混凝土凝结时间长、早期强度低和抗渗性能差等问题,通过外掺纳米水化硅酸钙(calcium-silicate-hydrate,C-S-H)凝胶的方式对其进行性能提升。研究纳米C-S-H凝胶对喷射混凝土凝结时间、抗压强度及抗渗等性能的影响,并采用水化热测试、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)等技术探究纳米C-S-H凝胶提升喷射混凝土性能的机理。结果表明:纳米C-S-H凝胶可明显缩短掺速凝剂水泥净浆的凝结时间,与基准组相比,掺2%纳米C-S-H凝胶的喷射混凝土1 d抗压强度可提高19.0%,渗水深度降低31.4%。机理分析表明,纳米C-S-H凝胶的晶核和填充效应能够促进水泥水化且可以致密混凝土内部结构,从而提升喷射混凝土的各项性能。

碱金属掺杂对硫硅酸钙水化性能的影响机理

碱金属离子作为水泥原料中常见的杂质离子,其存在会影响熟料矿物结构与性能。采用分析纯试剂合成碱金属掺杂的硫硅酸钙单矿物,借助等温量热仪、综合热分析、扫描电镜和^(29)Si核磁共振等手段,研究了碱金属离子对硫硅酸钙水化活性及力学性能的影响。结果表明:碱金属离子在硫硅酸钙晶体结构中的固溶,能够降低晶体结晶度,形成晶体缺陷,有效提升硫硅酸钙早期水化活性,促进其早期力学性能快速发展。同时,碱金属的掺杂能够改变水化硅酸钙(C–S–H)凝胶等产物的微观形貌及结构。其中,Li_(2)O掺杂能够稳定絮状形态的C–S–H凝胶,而Na_(2)O和K_(2)O掺杂能够诱导C–S–H凝胶纤维状生长。经碱金属掺杂影响,C–S–H凝胶聚合度有所增加,平均硅链长增长。

硫铝酸盐水泥水化、硬化及其特性

硫铝酸盐水泥是一个新的水泥系列,它是以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物的熟料,通过外掺二水石膏而制得的早强、微膨胀、膨胀和自应力等水泥。目前试产、试用的数量达四万吨。此水泥用于自应力水泥压力管以及其他制品和抢修、防渗等工程上得到良好的效果。用X射线、差热分析、电子显微镜、压汞侧孔仪等工具,研究了这一水泥系列的水化产物、水化过程、水泥石结构。解释了硫铝酸盐自应力水泥具有自应力值高、抗渗气密性好、工艺性能稳定等特性的原因;证明了低碱度下钙矾石的膨胀理论的正确性;讨论了硫铝酸钙系统水泥早期强度发挥快的原因;提出了对该系统水泥耐久性的看法。

超低水胶比复合胶凝材料孔结构随养护制度和龄期的变化机理

基于超低水胶比复合胶凝材料早期收缩发展的特殊规律,通过化学结合水和内部湿度测量,初步判断硬化浆体孔结构的特殊变化;通过压汞法(MIP)和氮吸附法(BET)测量特征龄期硬化浆体的孔结构,揭示了养护条件和水化龄期对超低水胶比复合胶凝材料早期孔结构的影响规律;并通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜深入研究了孔结构变化的微观机理。结果表明:超低水胶比复合胶凝材料密封养护的早期收缩值大于干燥条件,随着龄期的增加,硬化浆体内部20~30 nm的凝胶单元间孔逐渐增大并增多,而早期生成3~12 nm的凝胶粒子间孔逐渐减少,部分小于3 nm的凝胶微晶间孔也受到了压缩。这一作用的驱动力是水化中后期的自干燥作用,水化硅酸钙凝胶在二次水化和后期水化作用下,形成了球状的压缩凝胶单元,尺寸由50 nm缩至20~40 nm,引起凝胶粒子间孔的压缩和凝胶单元间孔的增加。孔结构的变化不会显著影响材料的力学性能、抗渗性能和耐久性能,但改变了硬化浆体的早期收缩发展规律。

含铝固化剂固化软土的试验研究

用普通硅酸盐水泥、石膏和一种含铝膨胀组分构成的复合固化剂(PC+G+Al固化剂),选取2种有代表性的试样,进行软土固化试验研究,并与单纯使用水泥(PC)和水泥-石膏(PC+G)固化剂加固软土的效果进行比较分析。研究结果表明:对2种试样,PC+G+Al固化剂加固效果优于其他2种固化剂;PC+G固化剂只对孔隙比大、含水率高的试样加固效果优于PC固化剂的加固效果。PC+G+Al和PC+G固化剂的水化物中都产生钙矾石,利用钙矾石生成的固相膨胀作用填充孔隙,而钙矾石的生成在固化土中是否产生增强效果,主要取决于钙矾石与水化硅酸钙凝胶生成过程的协调性。