碳酸钙--铝酸盐矿物复合体系的水化行为与胶凝性能研究

摘要

以碳酸钙为主要成分的石灰石粉是水泥混凝土生产中常见的矿物掺和料。随着石灰石粉的广泛应用，碳酸钙的化学效应越来越受到关注。目前国内外关于碳酸钙与铝酸盐矿物反应方面的研究缺乏系统性，水化碳铝酸钙的形成与转化、结构及性能特征等值得深入探究。因此，研究碳酸钙-铝酸盐矿物复合体系的水化行为与胶凝性能，对于揭示碳酸钙的反应机理和挖掘水化碳铝酸钙实用性，具有重大意义。　　本文探究了碳酸钙与铝酸盐矿物在不同掺比（C/A）、不同铝酸盐矿物种类（铝酸盐水泥熟料-CA/CA2、七铝酸十二钙-C12A7）以及碳酸钙形态（轻钙粉、重钙粉、纳米碳酸钙）等条件下的水化放热、水化产物组成与结构、水化动力学以及胶凝性能，包括流动性、凝结时间、力学性能。得到以下试验结果：　　①水化热研究表明，碳酸钙能够促进铝酸盐矿物的水化，针对高C/A、低活性铝酸盐矿物的效果更明显。对比轻钙和重钙，纳米碳酸钙的水化促进作用更强。由碳酸钙反应放热量分析表明，相较于铝酸盐水泥，C12A7与碳酸钙的反应程度更高，因此选用高活性铝酸盐矿物更有利于激发碳酸钙的反应活性。　　②利用XRD、TG-DSC分析测试了水化产物组成变化。碳酸钙与铝酸盐矿物之间反应显著，当碳酸钙与铝酸盐水泥、C12A7的掺比分别为1∶9、3∶7时水化碳铝酸钙（单碳）生成量达到最高。相较轻钙和重钙，掺加纳米碳酸钙不会进一步促进水化碳铝酸钙的生成。同时注意到，碳酸钙与铝酸盐水泥复合后水化后期疑似生成三碳，单碳随着期龄增加将发生分解。由SEM分析可知，单碳为不规则类六方形薄片状，碳酸钙-C12A7复合体系中单碳晶体生长程度更高。　　③采用Krstulovi?-Dabi?水化动力学模型对碳酸钙-铝酸盐矿物体系水化反应的结晶成核与晶体生长（NG）、相边界反应（I）及扩散过程（D）等过程进行了表征。分析结果表明，碳酸钙能够提高NG过程的反应速率，当W/B为1.0时，铝酸盐水泥、C12A7掺加50%轻钙粉后NG过程的反应速率常数KN由0.2413、0.1064分别增加到0.2989、0.1880。铝酸盐水泥掺加碳酸钙后NG、I过程相应减弱和增强，而D过程基本保持不变。C12A7掺加碳酸钙后NG、I过程均减弱，D过程增强。同比轻钙与重钙，掺加纳米碳酸钙能够进一步提高D过程的水化效应。　　④胶凝性能研究表明，掺入过多碳酸钙会对工作性产生不利的影响。碳酸钙对铝酸盐水泥、C12A7分别起到了促凝和缓凝效果。相较于铝酸盐水泥，C12A7掺加碳酸钙后力学性能显著提高。此外，同比轻钙与重钙，纳米碳酸钙具有明显早强作用。　　根据本论文的研究表明，碳酸钙-铝酸盐矿物复合体系水化反应显著，反应产物具有良好的胶凝性能，以碳酸钙与铝酸盐矿物为原料，有望制成一种以水化碳铝酸钙为主要产物的新型水泥体系。

目录

1 绪 论

1.1 研究意义

1.2 研究现状

1.2.1 碳酸钙对水泥水化的作用机理

1.2.2 碳酸钙与铝酸盐矿物反应研究进展

1.2.3 碳酸钙-铝酸盐矿物反应影响因素

1.3 当前研究待解决问题

①反应机理尚不明确

②研究系统性不够

1.4 研究目标、思路及内容

1.4.1 研究目标

1.4.2 研究思路

1.4.3 研究内容

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

2.1.1 铝酸盐矿物

2.1.2 碳酸钙

2.2 试验方法

2.2.1 碳酸钙-铝酸盐矿物浆体性能试验

2.2.2 微观分析测试

3 碳酸钙-铝酸盐矿物复合体系的水化特性

3.1 试验配比

3.2 水化放热行为

3.2.1 碳酸钙与铝酸盐矿物掺比的影响

3.2.2 铝酸盐矿物种类的影响

3.2.3 碳酸钙形态的影响

3.3 水化产物组成与结构

3.3.1 碳酸钙与铝酸盐矿物掺比的影响

3.3.2 铝酸盐矿物种类的影响

3.3.3 碳酸钙形态的影响

3.4 碳酸钙与铝酸盐矿物之间的水化反应程度

3.4.1 基于碳酸钙参与反应的水化放热量讨论

3.4.2 基于反应前后碳酸钙质量变化讨论

3.5 本章小结

4 碳酸钙-铝酸盐矿物体系的水化反应动力学

4.1 研究方法

4.1.1 Kondo 理论模型

4.1.2 Knudson 外推公式

4.2 碳酸钙-铝酸盐矿物复合体系的水化动力学求解

4.2.1 不同C/A比影响下的水化动力学

4.2.2 不同铝酸盐矿物影响下的水化动力学

4.2.3 不同碳酸钙形态影响下的水化动力学

4.3 碳酸钙-铝酸盐矿物复合体系的水化动力学过程讨论

4.3.1 碳酸钙与铝酸盐矿物掺比的影响

4.3.2 铝酸盐矿物种类的影响

4.3.3 碳酸钙形态的影响

4.4 本章小结

5 碳酸钙-铝酸盐矿物复合体系的胶凝性能

5.1 试验配比

5.2 流动性

5.2.1 碳酸钙与铝酸盐矿物掺比的影响

5.2.2 铝酸盐矿物种类的影响

5.2.3 碳酸钙形态的影响

5.3 凝结时间

5.3.1 碳酸钙与铝酸盐矿物掺比的影响

5.3.2 铝酸盐矿物种类的影响

5.3.3 碳酸钙形态的影响

5.4 力学性能

5.4.1 碳酸钙与铝酸盐矿物掺比的影响

5.4.2 铝酸盐矿物种类的影响

5.4.3 碳酸钙形态的影响

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 展望

参考文献

附 录

A 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C 学位论文数据集

致谢