从纳米水化硅酸钙到水泥净浆弹性性能多尺度递推模型

混凝土具有多尺度结构特征,其力学性能受到不同水化产物组分及微观结构的影响。基于分子动力学方法、化学计量法和均质化方法,建立了从纳米尺度水化硅酸钙(C-S-H)到水泥净浆弹性性能多尺度递推模型,其计算结果与实验数据吻合较好。基于该模型的计算结果可得:C-S-H凝胶中44%的孔隙率致使其体积模量、剪切模量和杨氏模量分别降低了约66%、53%和55%。当水灰比从0.3变化至0.5时,水泥净浆的体积模量、剪切模量和杨氏模量分别降低了约39%、30%和32%;LD C-S-H和毛细孔的体积分数分别增大了13%和20%。水化产物中C-S-H的体积分数越大,或水泥熟料中硅酸三钙的质量分数越大,水泥净浆的弹性参数越大。该模型为水泥基材料微观调控提供了指导。

固井水泥石低温强度诱导纳米水化硅酸钙晶核

针对低温或表层固井水泥浆候凝时间长、水泥石早期强度低且发展慢等问题,以硝酸钙、硅酸钠、梳型聚羧酸减阻剂、聚丙烯类稳定剂为原料,采用化学沉淀法+磁力搅拌+超声分散的制备工艺提高混合效率,制得水泥石低温强度诱导晶核(LTI)。通过透射电镜观察LTI的微观形貌、分析其元素组成,研究了其对水泥浆低温稠化性能和静胶凝过渡时间、水泥石低温强度发展的影响。结果表明,LTI的基本单元结构为堆叠的类锡箔状和絮片状,伴有少量棒状和规则方形晶体,尺寸为100~200 nm,周围延伸出类纤维状物质,比表面积较大。LTI借助自身模板成核作用促进水泥水化进程,降低堆积产物成核势垒,促使低温稠化曲线由爬坡向直角转变,可在10℃下将稠化时间之比控制在0.47以内。LTI可诱导水泥石早期强度快速发展,随LTI掺量增加、温度升高,水泥石低温抗压强度增大。在20℃下,掺有1.5%、5.0%LTI水泥石的24 h抗压强度分别提高89.1%、257.8%;在30℃下,掺有1.5%、5.0%LTI水泥石的6 h抗压强度分别为4.1、6.5 MPa,相比于刚成型的净浆水泥石,抗压强度实现跨越式发展。掺有LTI的水泥浆在30℃下的静胶凝过渡时间可由78 min缩短至18 min,有助于提高水泥浆的防窜性能。纳米水化硅酸钙晶核LTI可缩短低温浅层或高寒区域油气井建井周期、提高固井质量。

纳米水化硅酸钙对不同水泥水化产物的影响

针对纳米水化硅酸钙(CSH)对不同水泥增强效果不同,制备不同龄期的两种水泥水化产物,通过抗压强度、X射线衍射(XRD)和固体核磁共振硅谱(^(29)Si NMR)测试,结果表明:纳米CSH对*胜水泥在6 h龄期抗压强度提升效果远高于*东水泥,纳米CSH可同时促进C3A、C3S和C2S水化,纳米CSH促使*胜水泥中C3S和C2S消耗速度更快,并在早期形成了更多小尺寸的水化硅酸钙产物,纳米CSH可使*胜水泥在6 h生成更多比例的Q1峰,综合以上原因,使得纳米CSH对*胜水泥的早期力学性能提升效果更优。

基于外掺纳米水化硅酸钙的免蒸养CRTSⅢ型轨道板混凝土性能研究

在混凝土中外掺质量分数1.0%的纳米水化硅酸钙并采用保温养护方式,采用温度测试仪、万能试验机等设备进行测试,对比蒸汽养护和保温养护两种养护方式下CRTSⅢ型轨道板混凝土的力学性能、耐久性能和微观形貌,探讨免蒸养的可行性。结果表明:采用保温养护方式,入模温度25℃,16 h龄期时保温养护混凝土抗压强度可达到45 MPa的脱模强度要求;与蒸汽养护混凝土相比,保温养护混凝土56 d电通量和56 d氯离子扩散系数分别降低15.6%和15.8%,且水化产物更加致密,微裂缝明显减少;经受300次冻融循环时,与蒸汽养护混凝土相比,28、56 d龄期保温养护混凝土相对动弹性模量分别提高7.8%和3.1%。综合来看,保温养护混凝土各方面性能均比蒸汽养护混凝土更优异,可在工程中尝试应用。

纳米水化硅酸钙对C60盾构管片混凝土性能的影响

为避免蒸汽养护给混凝土长期耐久性带来的负面影响,免蒸养混凝土技术的研究逐渐得到重视,纳米水化硅酸钙由于其显著的早强功效而被应用于免蒸养混凝土制备。采用标准养护、蒸汽养护和掺加纳米水化硅酸钙晶核早强剂(n-C-S-H)3种方式制备C60混凝土,研究了n-C-S-H对混凝土性能的影响。结果表明,10、20、30℃养护条件下掺n-C-S-H制备的混凝土12 h抗压强度较对比样分别提高了185%、113%、34%,并且其收缩性能与抗渗性能较蒸养混凝土得到明显提高。加入n-C-S-H缩短了水泥的初、终凝时间,加快了新拌混凝土的坍落度损失。n-C-S-H显著加快了水泥的早期水化,特别是C3S的水化速率,这种加速效果在1 d后逐渐减小直至消失。

水化硅酸钙纳米尺度微结构的AFM研究(英文)

用原子力显微镜的轻敲模式对采用特殊复型技术制备的平滑水泥基材料试样中水化硅酸钙(calcium silicate hydrate,C–S–H)的纳米尺度结构进行了研究。研究发现:水泥水化产物C–S–H形态呈凝胶状,是由一种基本的结构单元——粒径约为5nm的纳米颗粒组成,这些纳米颗粒相互之间会凝聚和自组装成不同的微米构造,微米构造的特征与生长空间有关。纳米微粒表面吸附水后在微粒之间产生一种聚凝连结,随着龄期的增长,纳米微粒的粒径逐渐增大,聚羧酸减水剂的掺入也促进了纳米微粒的长大,这主要是由于纳米微粒之间形成更多较强的结构连结所致。经过溶蚀处理后的C–S–H凝胶样品表面的纳米颗粒粒径明显减小并接近了基本结构单元的尺寸,其主要原因是NH4NO3使C–S–H凝胶体系中的一些未与[SiO4]四面体结合的Ca(OH)2溶解,因此,可以认为纳米颗粒之间主要的结构连结是Ca—O假六方体的共晶连结。

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.

纳米非晶态水化硅酸钙接触硬化胶凝性能研究

不同于传统水泥基材料水化硬化特点,本研究旨在探讨纳米非晶态水化硅酸钙(C-S-H)的接触硬化胶凝性能.分别采用了两种不同来源的C-S-H粉体,对其在20~60MPa压力下恒压3min进行压制成型,测定成型试件的表观密度和力学性能,并结合成型前后微观结构的变化探讨C-S-H的接触硬化胶凝机理.结果表明,纳米C-S-H具有良好的接触硬化胶凝性能,能在几分钟时间内制备出轻质高强试件.表观密度约为800kg/m3的试件,其抗压强度可达20~30.5 MPa.微观结构表明,C-S-H颗粒在外力作用下发生粘性流动而使颗粒间距减小至引力范围并发生接触,颗粒的细化和塑性变形促进了结构键的生成,从而使试件具较高强度.

水热法制备水化硅酸钙纳米粉体

通过动态水热合成方法,采用低成本的硅藻土与生石灰作原料,在120℃恒温恒压,并分别在4h、7h、10h的蒸压制度下制备出水化硅酸钙纳米粉体。并用XRD、BET、SEM、TEM等现代测试手段对制得的水化硅酸钙粉体进行了性能测试。结果表明:该纳米粉体结晶度很低、比表面积极大,粉体颗粒的粒径大小主要在50nm左右;硅质原料和钙质原料的水热合成反应机理主要为溶解-沉淀反应;恒温时间对水热合成产物影响较大,恒温7h时Ca(OH)2反应殆尽,恒温10h时,原料中还有少量的SiO2尚未反应完毕;恒温10h时,纳米粉体的主要产物为水化石榴石、半结晶态的C-S-H(1)、硬硅钙石的前趋物以及Al2SiO5。

水热合成制备水化硅酸钙-聚氨酯纳米复合材料的结构分析

本文以生石灰、纳米二氧化硅和聚氨酯为原料,采用水热合成法制备了纯水化硅酸钙和水化硅酸钙-聚氨酯纳米复合材料,并利用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、红外光谱仪和热分析仪对其进行表征测试。结果表明:水化硅酸钙和水化硅酸钙-聚氨酯复合材料的微观组织形貌具有明显差异,随着钙硅摩尔比的增大,出现了Tobermorite相,且随着聚氨酯的加入,该相的结晶度增强;聚氨酯可以嵌入水化硅酸钙层间,使其基底层间间距增大1.038 nm;聚氨酯的加入可以提高水化硅酸钙的热稳定性,且对钙硅比较高的水化硅酸钙改性更有效。

水化硅酸钙纳米压痕分子动力学模拟方法优化

针对水化硅酸钙纳米压痕模型忽视了压头与基底之间相互作用的问题,由尺寸差异引起的金刚石压头难以计算的问题,以及Wittmann模型无法得到实际接触面积的问题,提出了新的模型与计算方法.结合分子动力学方法,采用金刚石压头-Wittmann模型基底的组合方式构建无定形态水化硅酸钙纳米压痕试验模型.在建模阶段,考虑到压头模型与基底模型粒子间尺寸差异,提出了等比例替换模型,通过公式推导并就不同尺寸模拟结果验证了等比例替换模型的可行性.在计算阶段,提出了局部前处理的弛豫方法进行模拟.确定最大荷载位置处的接触面积为546 nm2,进而求出水化硅酸钙模型硬度H为0.84 GPa、折合模量Er为30.52 GPa.并通过纳米压痕试验,验证了模拟结果的准确性,证明了模型的科学性,对今后水化硅酸钙(C-S-H)纳米层面的模拟具有重要借鉴意义.

无定形水化硅酸钙纳米压痕模拟及卸载段处理

基于预测水泥及其水化物体积性能的简化物理模型Wittmann模型,结合分子动力学研究方法,构建水化硅酸钙(C-S-H)凝胶模型用来模拟纳米压痕实验.在弛豫阶段使用高温淬火方法将模型转变为无定形态,并测定模型高温淬火前后的径向分布函数,确定了无定形态下的水化硅酸钙(C-S-H)压痕模型,计算得出荷载深度曲线(P-h曲线).考虑到高温淬火对模型内粒子热力学运动的影响以及带来的位错效应,分别采用OliverPharr方法与Cheng-Cheng方法对荷载深度曲线的卸载段进行分析处理.其中Oliver-Pharr方法计算得到硬度H为0.92 GPa,折合模量Er为29.56 GPa;Cheng-Cheng方法计算得到折合模量Er为(34.92±7.57) GPa.与文献结果及标准试块实验结果进行对照,探究两种计算方法的合理性及适用范围,并提出研究展望.

纳米水化硅酸钙对混凝土耐久性的影响

采用平板试验、绝热温升、抗渗透试验及盐水浸烘循环试验评价不同掺量纳米水化硅酸钙材料对混凝土耐久性的影响,并研究纳米水化硅酸钙对混凝土抗压强度和水泥基材料需水量的影响。研究结果表明:该纳米材料能明显提高混凝土的抗渗透性能,降低钢筋的腐蚀速率,延长钢筋发生锈蚀的时间,提高混凝土结构使用寿命。掺入纳米水化硅酸钙后,混凝土的绝热温升和单位开裂面积均降低,抗开裂性能得到改善;混凝土抗压强度也有一定程度的提高,对水泥基材料需水量无不利影响。

纳米水化硅酸钙的制备及对水泥水化影响的研究进展

随着纳米技术的不断发展,纳米材料逐步开始应用于传统混凝土材料中,以提高混凝土的各项服役性能。纳米水化硅酸钙(纳米C-S-H)是一种新型的早强纳米复合材料,可通过晶核效应加快水泥早期水化速率,显著提高水泥基材料的早期力学性能,从而提高施工效率,满足特殊施工要求。本文系统总结了纳米C-S-H的制备方法,及纳米C-S-H对水泥基材料早期和长期性能的影响规律,探讨了其对于水泥水化过程和水化产物的影响机制,其中重点介绍了采用聚合物分散纳米颗粒制备的C-S-H/PCE(聚羧酸型减水剂,简称PCE)纳米复合材料。

纳米水化硅酸钙在免蒸养轨道板中的应用研究

采用水化微量热仪等测试手段研究了纳米水化硅酸钙(N‑C‑S‑H)对水泥水化及砂浆抗压强度的影响,并开展了基于N‑C‑S‑H的免蒸养轨道板的试应用。结果表明:掺加N‑C‑S‑H能提高水泥的水化放热速率和总水化放热量,且当N‑C‑S‑H掺量超过6.0%后,水泥水化放热第二峰值不再继续提高;掺加N‑C‑S‑H能显著提高砂浆8 h和12 h抗压强度,且随着N‑C‑S‑H掺量的增加,砂浆抗压强度先提高后降低;在25℃养护条件下,掺加1%N‑C‑S‑H可达到轨道板混凝土免蒸养强度要求。

纳米水化硅酸钙在久马高速一标蒸养预制梁中的应用

针对久马高速一标预制梁混凝土中蒸养时间久、胶凝材料用量高的技术难题,本文通过向混凝土中加入纳米水化硅酸钙尝试缩短蒸养时间及降低胶凝材料用量。混凝土坍落度、扩展度、凝结时间及力学性能测试后表明,纳米水化硅酸钙对混凝土初始工作性能无明显影响,损失较基准稍快,但仍可满足浇筑要求。纳米水化硅酸钙可缩短混凝土初凝时间3h以上,终凝时间2h以上。加入纳米水化硅酸钙后50℃蒸养24h或标养48h混凝土抗压强度均明显高于基准蒸养48h,可缩短至少50%的蒸养时间或在标养条件下实现免蒸养。另外,纳米水化硅酸钙对梁外观无影响,且至少可降低配合比中14kg水泥用量,可明显节约原材料及能耗成本。

纳米SiO_(2)-CSH复合调节剂对水泥混凝土性能的影响

提高水泥混凝土的早期强度可有效减少预应力预制构件的脱模与张拉等待时间,从而缩短工期,但采用传统早强剂提高水泥混凝土早期强度往往会影响其耐久性或工作性能。针对这一问题,笔者研究了采用纳米二氧化硅与纳米水化硅酸钙制备的复合调节剂对混凝土早期性能、体积稳定性、耐久性的影响,并通过SEM观测了复合调节剂对水泥混凝土微观形貌的影响。研究表明:采用复合调节剂可提高水泥混凝土的工作性能、早期抗压强度与耐久性,降低干燥收缩率。当复合调节剂的掺量为1.0%时,较基准组混凝土坍落度与扩展度提升了11.9%与17.6%,倒置坍落度筒排空时间减少了26.5%,3 d抗压强度提高了14.4%,56 d电通量降低了32.7%,56 d干燥收缩率降低了39.7%;通过SEM试验发现,采用复合调节剂能够使得水泥石界面更加密实,减少混凝土的界面过渡区的缺陷,并能进一步细化粉煤灰颗粒。

水化硅酸钙的晶型调控及其对吸/放湿性能的影响

为改善水化硅酸钙的孔隙结构、改善其湿度调节性能,以硅灰、氢氧化钙和水为原料,采用水热反应方法合成出预期类型的水化硅酸钙晶体,并对反应产物的微观结构和吸/放湿性能进行细致表征。研究结果表明,200℃合成样品的吸/放湿率随反应时间的延长呈现先升后降的趋势,在4 h时达到最大值,原因在于CSH(B)型水化硅酸钙的形成及其向托贝莫来石的晶型转化; 90℃下CSH(B)晶型在较长时间内保持稳定,样品吸/放湿率受水热时间的影响不明显。微观结构对比分析认为,CSH(B)与托贝莫来石均以片状晶体形式存在,而托贝莫来石晶体更为完整、粗大;细小晶体所构成的堆聚结构中存在较大量的介孔,最可几孔径峰位于16 nm附近,但其含量随CSH(B)向托贝莫来石的晶型转变过程而明显减小,表现为CSH(B)型水化硅酸钙的吸/放湿能力明显高于托贝莫来石。研究成果对于水化硅酸钙基建筑功能材料的研发具有一定理论指导意义和工艺价值。

C-S-H纳米晶种及其对水泥水化硬化的促进作用综述

近些年来的研究发现,将一些纳米粒子加入到水泥中,可以为水化产物提供更多形核位点,降低水化产物的形核势垒,加快水泥的水化进程。这些纳米材料包括纳米SiO_(2)、纳米CaCO_(3)、纳米TiO_(2)、碳纳米管、纳米水化硅酸钙(C-S-H)等。其中,人工合成的纳米C-S-H晶种与水泥水化产物C-S-H凝胶具有相似的化学组成,是C-S-H凝胶的良好的形核基质,在众多晶种材料中,对水泥水化的加速作用最为显著,成为近年来的研究热点。到目前为止,众多学者围绕C-S-H微/纳米材料的成核方式、制备方法及对水泥水化的促进机理进行了大量研究,发现采用共沉淀法在聚合物存在的条件下制备的纳米C-S-H晶种成核剂遵循非经典成核方式,其具有纳米级的晶粒尺寸和良好的分散稳定性。将纳米C-S-H晶种以一定掺量加入到水泥中,可以充当水泥水化产物C-S-H凝胶的额外成核位点,极大地降低了C-S-H凝胶的成核势垒,有效地促进了水泥水化速率和早期强度的发展,尤其可以显著提升水泥1 d龄期以内的强度。与常用的早强剂相比,这种纳米C-S-H晶种成核剂除具有掺量低、早强效果好、对水泥混凝土耐久性无不利影响的优点外,还可以在一定程度上弥补辅助性胶凝材料(SCMs)早期强度增长缓慢的问题。因此,纳米C-S-H晶种在低温施工、滑模施工、预制混凝土制品生产等对早期强度要求较高的工程中具有良好的应用前景,有潜力成为水泥混凝土的新型早强剂。本文尝试对众多研究成果进行总结分析,从纳米C-S-H晶种的成核方式、制备方法、与聚合物的作用机理以及对水泥水化过程的影响等方面进行综述,在明确现有的规律和成果的基础上,分析了目前存在的不足,得出尚待继续研究的问题,以期为未来纳米C-S-H晶种的科学研究、工程应用提供理论基础和发展方向。

合成过程中聚羧酸共聚物用量对纳米C-S-H晶核成核及其早强作用的影响

纳米水化硅酸钙/聚羧酸共聚物(C-S-H/PCE)晶核悬浮液是一种新型水泥混凝土早强剂,可以通过晶种成核作用,缩短水泥水化诱导期,促进水泥早期强度的发展。本文通过动态光散射仪(DLS)、电子透射显微镜(TEM)、有机碳分析仪(TOC)及热重测试(TGA)研究了合成过程中PCE用量对纳米C-S-H/PCE晶粒尺寸、形貌及PCE实际结合量的影响,并探究了不同用量PCE制备的纳米C-S-H/PCE晶核对水泥水化放热速率、流动性及早期强度的影响。结果表明:当PCE用量占纳米C-S-H/PCE晶核悬浮液的质量分数小于5.0%时,纳米C-S-H/PCE晶核平均粒径随着PCE用量的增加逐渐降低,团聚情况改善,呈现清晰的锡箔状形貌;当PCE用量增加到10.0%时,纳米C-S-H/PCE晶核粒径和形貌变化不大。TOC和TGA测试表明PCE用量为5.0%时,其在C-S-H上基本达到饱和吸附量。过量的PCE会降低纳米C-S-H/PCE晶核对水泥水化放热和早期强度的促进作用。