纳米C-S-H/PCE对蒸养UHPC力学性能增强机理研究

目前超高性能混凝土(UHPC)制品的力学性能有待进一步提升,采用纳米C-S-H/PCE对UHPC进行增强在理论上是一种可行的技术途径。本文研究了蒸养条件下掺入以聚羧酸(PCE)为分散剂的纳米水化硅酸钙(C-S-H/PCE)对UHPC力学性能的影响,通过测试水化热、水化产物、微观形貌和孔结构等对其机理进行了分析。结果表明,掺入3.0%(质量分数)纳米C-S-H/PCE可以显著提高蒸养UHPC的抗压强度和抗折强度。掺入纳米C-S-H/PCE可以促进UHPC的早期水化,生成更多的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶,使水化放热温峰增高,并缩短达到水化温峰的时间。掺入纳米C-S-H/PCE可有效改善蒸养UHPC的孔结构,在掺量为3.0%(质量分数)时总孔隙率最小,有害孔比例最低。该研究可为纳米C-S-H/PCE在蒸养UHPC中的应用提供参考。

10℃条件下纳米C-S-H掺量对水泥早期水化的影响

目的探究10℃条件下不同掺量纳米C-S-H对水泥早期水化进程及强度发展的影响,并分析其早强剂作用机理。方法通过溶液共沉淀法制备纳米C-S-H悬浮液,将其掺入到普通硅酸盐水泥中,在10℃条件下进行养护,分析其对水泥凝结时间、抗折强度、抗压强度的影响;通过XRD、TG等检测手段分析水泥的水化进程及对水化产物的影响。结果掺入0.05%纳米C-S-H,可使水泥初凝时间缩短9.9%,终凝时间缩短10.4%;24 h时抗折强度和抗压强度分别提高了34%和33.5%。纳米C-S-H的掺入造成水泥3 d抗折强度略有降低。水化产物中Ca(OH)2质量分数在12 h、16 h和24 h时较参比样分别提高了17.6%、21.3%和29.6%。结论在10℃条件下,纳米C-S-H的加入能够有效促进C 3S和C 2S的水化过程,形成更多的水化产物,从而缩短水泥凝结时间,提高24 h内水泥砂浆强度,28 d强度没有显著降低。

纳米C-S-H的合成及其对普通硅酸盐水泥早期水化的影响

为提高水泥基材料的早期强度,制备了纳米C-S-H悬浮液,并通过XRD和Zeta电位对其组成和粒度分布、稳定性进行了分析。通过水化放热、热重分析和扫描电子显微镜扫描电镜(SEM)研究了纳米C-S-H对硅酸盐水泥早期强度发展、水化放热、水化产物的影响。结果表明:合成了具有半结晶结构的稳定的纳米C-S-H悬浮液。纳米C-S-H的加入促进了C3S的水化,尤其是在前24 h,并使水泥的水化诱导期明显缩短。含有0.05%纳米C-S-H砂浆的8 h、16 h和24 h抗压强度分别提高了176.0%、145.6%和43.9%,与此同时,砂浆的3 d抗压强度没有明显减少。

C-S-H凝胶无定型纳米孔隙中NaCl蒸发结晶分子动力学分析

氯化钠(NaCl)干湿循环结晶会对水泥混凝土材料产生破坏,现有试验方法存在局限性,很难从纳米尺度对盐结晶破坏机理进行研究。因此本文采用分子动力学方法,针对水泥水化主要微观产物水化硅酸钙(C-S-H)凝胶,研究NaCl在C-S-H凝胶无定型孔隙中蒸发结晶过程和结晶破坏机理。结果表明,本文构建的C-S-H凝胶无定型模型更接近于低密度的C-S-H凝胶模型,NaCl在这个模型孔隙中蒸发结晶遵循两步成核机制,蒸发结晶后的NaCl晶体填充C-S-H凝胶纳米孔隙,会显著降低C-S-H凝胶整体抗拉变形能力,使C-S-H凝胶变脆,这一结论为解释C-S-H凝胶在蒸发结晶作用下产生破坏的现象提供了依据。

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。

纳米C-S-H晶核对水泥浆体流变性能的影响

纳米C-S-H晶核由于对水泥早期水化的显著加速效果逐渐被广泛用作早强剂,通过流变仪测试掺纳米C-S-H晶核水泥浆体的塑性黏度、动态屈服应力、静态屈服应力和触变性,以研究纳米C-S-H晶核对水泥浆体流变性能的影响。结果表明:纳米C-S-H晶核掺入水泥浆体后,水泥浆体塑性黏度、动态屈服应力、静态屈服应力和触变性均随之增加,掺量越大,增加越多。水灰比对水泥浆体的流变性能也具有显著影响,水灰比越小,浆体的塑性黏度、动态屈服应力、静态屈服应力和触变性越大。

纳米C-S-H掺量对再生砂浆力学性能的影响

为了提高再生砂浆的早期力学性能,采用纳米水化硅酸钙(C-S-H)对再生砂浆进行改性,并对其增强机理进行了探讨。同时,采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、压汞法(MIP)等微观测试方法对纳米C-S-H改性再生砂浆的微观结构进行了测试。结果表明,纳米C-S-H的增强效果显著,再生砂浆的7d抗压和抗折强度分别达到33.5MPa和2.3MPa,相对于未添加C-S-H的试样分别提高了31.4%和27.8%。SEM照片显示,添加纳米C-S-H后,再生砂浆基体更加致密;XRD结果表明,随着纳米C-S-H的添加,再生砂浆的水化产物含量增加;MIP结果表明,纳米C-S-H细化了孔结构,再生砂浆的孔隙率明显降低。

C-S-H-PCE对基准水泥体系水化的影响

传统的早强剂在实际应用过程中会对混凝土的早强性能和耐久性能产生一定的影响,因此开发新型早强剂尤为重要。其中新开发的纳米C-S-H-PCE新型早强剂能够更好地加速水泥基材料的早期水化,有利于水化产物的快速生成。探究C-S-H-PCE早强剂对基准水泥体系水化的影响,对C-S-H-PCE的研发和应用具有重要意义。本文基于水泥水化的溶解-沉淀理论,研究C-S-H-PCE对基准水泥体系水化各阶段的影响,通过水化热测试对比分析C-S-H-PCE、纳米SiO_(2)对水化历程的影响,并测定各阶段的凝结时间和抗压强度。结果表明,C-S-H-PCE的加入显著缩短水化诱导期、提高水化最大放热速率、促进未水化颗粒的溶解;C-S-H-PCE缩短了初凝和终凝时间,1d和3d的强度得到明显提升。由此可知C-S-H-PCE对基准水泥水化的作用规律和影响机制,从而建立了水化微结构和宏观力学性能之间的联系。

基于红外与核磁共振技术揭示C-S-H聚合机理

采用傅里叶红外和高分辨29Si固体核磁共振技术,研究了2种硅酸盐水泥水化浆体中C-S-H凝胶的微结构,探讨了C-S-H的聚合机理.结果表明:硅酸盐水泥水化生成的C-S-H凝胶与矿物1.4nm tobermorite和jennite存在的显著结构差异主要表现在结晶性和硅氧四面体聚合度这2个方面.水泥水化持续生成的水化硅酸根单体(Q0H)与质子化后的二聚C-S-H发生聚合,形成少量C-S-H长链,这是随龄期增加C-S-H聚合度升高的主要原因;同时,C-S-H中四配位铝(Al[4])出现在桥四面体位置,其作用类似水化硅酸根单体,桥连二聚C-S-H形成更高聚合态的铝硅链.

纳米无定形C-S-H凝胶颗粒及其结构表征

以无水氯化钙(CaCl2)和水玻璃为原料,通过室温沉淀反应制备了水化硅酸钙(C-S-H)凝胶颗粒。采用SEM、FTIR、XRD、XRF、TEM等对不同C/S和pH值条件下制备的C-S-H凝胶颗粒的形貌和结构进行了表征。结果表明,较低pH值条件下制备的C-S-H凝胶颗粒间呈现不同程度的团聚,-Si-O键之间显示一定的聚合度,其平均粒径在15～25 nm之间,且呈无定形结构;在pH值较高时,该凝胶颗粒呈半结晶结构。

不同钙硅比C-S-H对多种重金属离子的俘获及其稳定性

通过溶液法人工合成不同C/S的C-S-H,分析比较了C-S-H对多种重金属离子俘获能力及其稳定性。研究结果表明,多种重金属离子共存下,低钙硅比C-S-H对重金属离子俘获主要以物理吸附为主,高钙硅比C-S-H对重金属离子的俘获则以化学结合主,其对重金属离子固化作用较前者稳定。无论钙硅比高低,多种离子共存下,C-S-H对Cu2+、Cd2+离子均有很强的固化能力,但对Pb2+离子的固化及稳定性较差。重金属离子价态不同,C-S-H俘获固化作用存大巨大差异,C-S-H对Cr3+俘获作用较强,但对Cr6+固化不起主要作用且稳定性较差。水化液相中Cr6+离子的存在,对Pb2+离子在C-S-H中固化有极大影响。

低Ca/Si比的C-S-H凝胶产物在抑制AAR中的作用

碱是混凝土发生碱-集料(AAR)反应的重要因素之一。许多资料报道低Ca/Si比的C-S-H凝胶对碱有强烈的吸附作用。从C-S-H凝胶的组成出发,指出低Ca/Si比的C-S-H凝胶在抑制AAR中的作用,解释了低Ca/Si的C-S-H凝胶对碱的吸附能力强的原因及其影响因素。为在实际工程应用中掺加混合材来抑制AAR反应,提高混凝土耐久性有重大指导意义。

C-S-H凝胶对掺元明粉碱渣拌合土性能的影响

为综合利用工业废料——碱渣,将其与粉煤灰按一定比例混合,并掺加一定量的元明粉,制成碱渣拌合土。通过SEM、FTIR、EDS、XRD和无侧限抗压强度五种试验方法,对比分析不同配比下的试样外貌、结构特征及力学性能。研究表明:1经SEM和FTIR分析,强碱条件下碱渣拌合土有新物质C-S-H凝胶体生成。2经EDS和XRD分析,碱渣拌合土随元明粉相对掺量的增加,生成C-S-H凝胶含量和晶体含量也增多,且C-S-H凝胶生成量与Ca/Si比值大致呈正比增长关系。3随着C-S-H凝胶体生成量的增加,碱渣拌合土试件的强度也逐渐增大,但拌合土体强度并不是完全由C-S-H凝胶所提供。28d龄期C-S-H凝胶生成量使碱渣拌合土试样抗压强度达到2.4~5.33MPa,足可满足公路路堤填垫的承载力要求。研究结论为碱渣和粉煤灰的治理提出了新思路。

Ca(OH)_2解耦法对混合水泥中C-S-H凝胶的半定量研究

基于掺合料反应程度与Ca(OH)2消耗量之间关系的建立,结合水泥水化平衡计算理论,提出混合水泥水化产物中Ca(OH)2量的解耦方法并将其用于混合水泥水化产物C-S-H凝胶半定量计算。采用该法对掺粉煤灰的混合水泥不同龄期水化产物C-S-H凝胶进行了半定量分析研究。

不同重金属离子对C-S-H凝胶影响及其固化稳定性

通过溶液法人工合成不同钙硅比C-S-H凝胶,借助XRD,SEM,XPS,TEM,ICP等测试方法,分析研究了C-S-H凝胶对不同种类、不同含量重金属离子(Cr3+,Cr6+,Pb2+,Zn2+,Cd2+等)的俘获能力及其稳定性.结果表明:钙硅比不同,C-S-H凝胶对重金属离子固化稳定性及其固化机制均存在一定差异,高钙硅比C-S-H凝胶对重金属离子固化稳定性较强;重金属离子种类及价态不同,其在C-S-H凝胶中的结合方式及固化能力也不同,其中C-S-H凝胶对Cu2+,Cd2+,Zn2+等离子的固化能力较强,对Cr6+的固化能力较弱.水化液相中,C-S-H凝胶对Cr3+,Pb2+,Zn2+等多种重金属离子的固化能力低于其对单一重金属离子的固化能力;水化液相中Cr6+的存在,会对C-S-H凝胶对Pb2+的固化及其稳定性产生巨大影响,而Cr3+的存在对其影响则较小.

碱在C-S-H凝胶中的存在形式

从工业硅酸盐水泥熟料中分离出硅酸盐矿物,制备了C S H凝胶,并利用能谱、红外光谱、X光电子能谱等技术研究了K+和Na+在C S H凝胶中的存在形式.研究结果显示,C S H凝胶中结合的K+,Na+量随C S H凝胶中n(CaO)/n(SiO2)的降低而增加;K+,Na+在C S H凝胶中均有2种存在形式,即既有通过表面力作用而吸附在C S H凝胶表面这种形式,也有通过化学键力结合在C S H凝胶结构中这种形式;在C S H凝胶的结构中,可能存在着Si—OK或Si—ONa基团,从而使K+,Na+可结合在C S H凝胶中.

固体核磁共振技术在C-S-H中的研究进展

C-S-H是水泥水化的主要胶凝材料,其结构直接影响混凝土工程性,由于其结晶度较低,中短程有序,采用固体核磁(NMR)可作为分析其结构的方法之一。本文从C-S-H的模型,NMR中特征参数,平均分子链长(MCL)和聚合度三个角度,对水化龄期、掺合料、钙硅比三个方面进行了综述,并展望了固体核磁技术在C-S-H中的发展趋势。

C-S-H凝胶的制备与性能研究

利用水热合成法制备了C-S-H凝胶,重点研究了不同的制备工艺、原材料与钙硅比对C-S-H凝胶结构的影响。经过详尽的X衍射(XRD)与核磁共振(NMR)分析表明,制备的样品都具备C-S-H凝胶的峰型特征;活性反应法相对于沉淀反应法制备的C-S-H凝胶层间距小、聚合度低;证实了C-S-H凝胶的层状结构,且层间距随钙硅比的增大而减小;Q^2/Q^2值与直链平均长度随钙硅比的增大而减小。

C-S-H凝胶对Pb(Ⅱ)的吸附固化作用

以分析纯Ca(NO3)2.4H2O、Na2SiO3.9H2O、Pb(NO3)2为原料,通过溶液反应法,制备纯净的C-S-H凝胶和掺杂Pb的C-S-H凝胶,研究了C-S-H凝胶在形成过程中对Pb的吸附固化作用及掺杂Pb后C-S-H凝胶的结构变化。结果表明,可溶铅盐由2%增至6%时,C-S-H凝胶对Pb均有良好的吸附固化作用,俘获Pb总量增大。XRD图谱发现掺杂Pb的C-S-H凝胶,其主峰位置发生偏移,出现明显的Ca(OH)2衍射峰。红外测试表明含Pb C-S-H凝胶硅氧四面体的链接方式发生变化,Q2伸缩振动峰向低波数方向偏移,Q1伸缩振动峰吸收强度增加。

C-S-H纳米晶核对矿物掺合料复合胶凝材料水化性能的影响研究

水泥中掺入大量矿物掺合料易造成其早期强度低、施工周期长等问题。本文研究了C-S-H晶核对含矿物掺合料的复合胶凝材料体系水化性能的影响规律;通过热力学计算阐述了C-S-H晶核降低水化产物成核势垒的机理,并通过离子溶出与沉积探讨大掺量矿物掺合料胶凝体系水化机理。结果表明:矿物掺合料复合胶凝材料体系水化能力较弱,这是由于Ca^(2+)溶出受到制约,C_(3)S的水化反应缓慢;当加入晶核后,水泥中硅酸盐相溶解-结晶能力得到大幅提升,使得矿物掺合料水泥体系的水化反应活性接近纯水泥体系。研究表明,C-S-H晶核可解决大掺量矿物掺合料胶凝体系所带来的水化能力严重不足问题。