水泥-石灰石粉胶凝体系特性研究

摘要

为在水泥混凝土中科学、合理和安全地应用石灰石粉，以达到节能利废，同时产生良好的技术、经济和生态效益，本文开展了“水泥-石灰石粉胶凝体系特性研究”，为构建石灰石粉基胶凝材料的制备与应用技术体系提供理论和试验依据。 本文主要工作和取得的研究成果如下： 1.系统研究了C3S-CaCO3-HaO和C3A-CaCO3-H2O两个三元体系的水化特性和相关规律 1)XRD、TG-DSC、IRS微观测试和量热分析表明，CaCO3促进了C3S早期水化，阻碍了其后期水化；CaCO3的加入并未导致C3S水化产物新相的生成，而主要使C3S水化历程发生了改变，发现其表现规律为显著压缩了诱导期；25％CaCO3的掺入使C3S水化的第一放热峰比纯C3S的放热峰明显增高、变窄和前移，24h放热量增加18.3％；在系统研究基础上，构建了具有CaCO3加速特征的C3S-CaCO3-H2O体系水化历程模型。 2)XRD、TG-DSC、IRS分析和SEM观测说明，CaCO3对C3A的水化产物C3AH6的生成有抑制和加速双重效应，水化初期表现为抑制作用，随着水化的进行，逐渐转为加速作用；CaCO3抑制了C4AH13和C2AH8的出现，并导致半碳铝酸钙水化物(C3A·0.5CaCO3·0.5Ca(OH)2·11.5H2O)和单碳铝酸钙水化物(C3A·CaCO3·11H2O)的形成；半碳铝酸钙水化物出现在水化初期，水化1d后已全部转变。单碳铝酸钙水化物从水化初期1h至28d一直稳定存在，其形貌特征表现为早期呈长厚片状，随后逐渐向长棒状转变，水化至28d，已转变成细针状；量热分析发现，CaCO3致使C3A的水化放热出现了有别于纯C3A水化放热的“双峰”现象；30％CaCO3的掺入使24h单位质量C3A放热量比纯C3A的放热量增加了2倍多。 2.研究了C3A-CaSO4·2H2O-CaCO3-H2O四元体系 由XRD和DSC分析得到，C3A-CaSO4·2H2O-CaCO3-H2O四元体系水化产物是C3AH6、C3A·CaCO3·11H2O、C3A'0.5CaCO3·0.5Ca(OH)2·11.5H2O、AFt和AFm；CaSO4·2H2O使C3AH6形成时间提前，延迟了单碳铝酸钙和半碳铝酸钙水化物的形成，半碳铝酸钙水化物稳定时间延长；CaCO3提高了钙矾石的稳定性；通过量热分析，揭示了CaCO3和CaSO4·2H2O共同作用下C3A水化放热特点，其表现为第一放热峰之后新增加了两个放热峰。 3.研究了工程应用实际体系-水泥-石灰石粉胶凝体系的水化特性及孔结构 1)通过XRD、TG-DSC和量热微观测试分析得出，水泥-石狄石粉胶凝体系水化产物和水化速度与两个三元体系C38-CaCO3-H2O、C3A-CaCO3-H2O和四元体系C3A-CaSO4·2H2O-CaCO3-H2O的规律基本相同。随着石灰石粉掺量增加，单碳铝酸钙形成提前；石灰石粉延迟了钙矾石的生成，对钙矾石起到了稳定作用；石灰石粉改变了水泥水化历程，与纯水泥水化放热相比，10％石灰石粉的掺入致使第一放热峰明显增高、前移，诱导期缩短，提前大约40分钟进入加速期；石灰石粉使单位质量的水泥24h放热量增加了8.5％。 2)MIP分析表明，随水化龄期增长，石狄石粉使水泥浆体孔结构由小孔向大孔转变，产生了孔粗化效应；增大石灰石粉的细度和减小水胶比有利于改善硬化浆体孔结构。 4.研究了水泥-石灰石粉胶凝材料的物理力学性能 1)随石灰石粉掺量增加，浆体流动度减小，砂浆和混凝土的流动度增大，凝结时间缩短；随石灰石粉细度增加，浆体、砂浆和混凝土流动度增大，凝结时间缩短。 2)石灰石粉对水泥早期水化的促进作用，提高了水泥混凝土早期强度，而石灰石粉对水泥混凝土的孔粗化效应导致其后期强度低于基准强度。1d、3d和7d龄期时，随石灰石粉掺量增加，水泥混凝土强度呈先增加后下降的趋势，石灰石粉掺量为10％，增强其早期强度效果最明显，石灰石粉掺量超过20％时，对早期强度没有改善作用。28d龄期时，掺有石灰石粉的水泥混凝土强度全部低于基准强度，石灰石粉掺量愈高，其强度下降愈多。 5.研究了水泥-石狄石粉胶凝体系的耐久性能 1)在硫酸盐以及硫酸盐+氯盐的环境因素下，水泥-石灰石粉胶凝材料耐久性研究表明，其外观破坏形式为试件开裂、表面软化、脱落和溃烂。在单因素(硫酸盐)作用下，6个月时，已造成水化产物碳铝酸钙分解，其破坏主要是由石膏膨胀和碳铝酸钙水化物分解共同造成的；在双因素(硫酸盐+氯盐)作用下，6个月左右时，胶凝材料中主要有CaAl2(CO3)2(OH)4·6H2O和氯铝酸钙过渡产物产生，并有较大量的石膏生成。20个月时，CaAl2(CO3)2(OH)4·6H2O和氯铝酸钙已分解，并产生了易溶于水的CaCl2。其早期破坏主要因石膏结晶引起体积膨胀造成的，后期破坏主要由石膏以及CaAl2(CO3)2(OH)4·6H2O和氯铝酸钙分解和CaCl2溶解共同造成并导致腐蚀加剧。 2)无论是在单因素还是在双因素作用下，石灰石粉都加速了水泥基材料的腐蚀破坏，并随石灰石粉掺量增加，其劣化加重。但在双因素作用下，氯盐的存在使试件在腐蚀前后期石膏生成量相差不大，缓解了试件的腐蚀程度。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1研究的意义

1.2国内外研究现状

1.2.1石灰石粉或CaCO3对水泥水化的影响及其作用机理

1.2.2石灰石粉或CaCO3对水泥混凝土性能的影响

1.2.3石灰石粉或CaCO3对混凝土耐久性的影响

1.3主要存在的问题

1.4研究目标、内容和方法

1.4.1研究目标

1.4.2研究内容

1.4.3研究方法

第二章 原材料与试验研究方法

2.1主要原材料及其性能

2.1.1硅酸三钙(C3S)

2.1.2铝酸三钙(C3A)

2.1.3水泥

2.1.4 CaCO3(化学纯试剂)

2.1.5石灰石粉

2.1.6砂

2.1.7石

2.1.8外加剂

2.2主要试验研究方法

2.2.1比表面积的测定

2.2.2粒度分析

2.2.3微观分析

2.2.4化学结合水测定

2.2.5吸水率的测试

2.2.6凝结时间的测试

2.2.7流动性试验

2.2.8力学性能的测定

2.2.9混凝土氯离子扩散系数测定

2.2.10硫酸盐侵蚀及硫酸盐和氯盐复合侵蚀试验

第三章 C3S-CaCO3-H2O三元体系水化特性及相关规律

3.1试验设计

3.2 C3S-CaCO3-H2O体系水化速度

3.2.1 Ca(OH)2含量分析

3.2.2化学结合水量分析

3.2.3量热分析

3.3 C3S-CaCO3-H2O体系水化产物

3.3.1 XRD分析

3.3.2 TG-DSC分析

3.3.3 IRS分析

3.4 C3S-CaCO3-H2O体系水化产物形貌特征

3.5 C3S-CaCO3-H2O体系水化历程模型的构建

3.5.1纯C3S的水化历程

3.5.2 CaCO3对C3S水化历程的影响

3.6小结

第四章 C3A-CaCO3-H2O三元体系水化特性及相关规律

4.1试验设计

4.2 C3A-CaCO3-H2O体系水化产物

4.2.1 XRD分析

4.2.2 IRS分析

4.2.3 TG-DSC分析

4.3 C3A-CaCO3-H2O体系水化速度

4.3.1化学结合水

4.3.2量热分析

4.4 C3A-CaCO3-H2O体系水化产物微观形貌

4.5 C3A-CaCO3-H2O三元体系水化历程

4.5.1纯C3A的水化

4.5.2 CaCO3对C3A水化历程的影响

4.6小结

第五章 C3A-CaSO4·2H2O-CaCO3-H2O四元体系

5.1试验设计

5.2C3A-CaSO4·2H2O-H2O三元体系

5.2.1 CaSO4·2H2O对C3A水化产物的影响

5.2.2钙矾石的生成与稳定

5.2.3 CaSO4·2H2O对C3A水化速度的影响

5.3 C3A-CaSO4·2H2O-CaCO3-H2O四元体系

5.3.1 CaSO4·2H2O对C3A水化产物及碳铝酸盐水化物形成的影响

5.3.2 CaCO3对钙矾石的稳定作用

5.3.3 CaCO3和CaSO4·2H2O共同对C3A水化速度的调控作用

5.4小结

第六章水泥-石灰石粉胶凝体系水化特性及孔结构

6.1试验设计

6.2水泥水化过程简述

6.3石灰石粉对水泥水化产物形成的影响

6.3.1石灰石粉对钙矾石形成与稳定的影响

6.3.2石灰石粉对碳铝酸盐水化物形成的影响

6.4石灰石粉对水泥水化历程的影响

6.4.1量热分析

6.4.2 Ca(OH)2含量

6.5石灰石粉对水泥硬化浆体孔结构的影响

6.5.1掺量的影响

6.5.2细度的影响

6.5.3水胶比的影响

6.6小结

第七章水泥-石灰石粉胶凝材料物理力学性能

7.1试验方法

7.1.1水泥净浆性能试验

7.1.2水泥胶砂性能试验

7.1.3混凝土性能试验

7.2石灰石粉水泥浆体性能

7.2.1流动度

7.2.2凝结时间

7.2.3抗压强度

7.3石灰石粉水泥胶砂性能

7.3.1石灰石粉对水泥胶砂流动度的影响

7.3.2石灰石粉对水泥胶砂强度的影响

7.4石狄石粉水泥混凝土性能

7.4.1石灰石粉对新拌混凝土流动性的影响

7.4.2石灰石粉对混凝土强度的影响

7.5小结

第八章水泥-石灰石粉胶凝材料耐久性

8.1试验方法

8.1.1试件制备

8.1.2试验内容

8.1.3评价指标

8.2水泥-石灰石粉胶凝材料在单因素(硫酸盐)作用下的腐蚀破坏

8.2.1外观变化

8.2.2强度性能

8.2.3破坏机理分析

8.3水泥-石灰石粉胶凝材料在双因素(硫酸盐+氯盐)作用下的腐蚀破坏

8.3.1外观变化

8.3.2强度性能

8.3.3微观分析

8.3.4氯盐对水泥-石灰石粉胶凝材料在硫酸盐侵蚀下性能的影响

8.5小结

第九章结论

9.1主要成果与结论

9.2有待进一步开展的研究

9.3本文的主要创新点

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的主要研究成果