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中文题名:

 水化硅酸钙的合成及其对水泥基砂浆性能的影响    

姓名:

 王亚洲    

学号:

 1049721500006    

保密级别:

 公开    

论文语种:

 chi    

学科代码:

 080502    

学科名称:

 材料学    

学生类型:

 硕士    

学位:

 工学硕士    

学校:

 武汉理工大学    

院系:

 材料科学与工程学院    

专业:

 材料科学与工程    

研究方向:

 生态建筑材料    

第一导师姓名:

 赵青林    

第一导师院系:

 武汉理工大学    

完成日期:

 2018-04-26    

答辩日期:

 2018-05-14    

中文关键词:

 水化硅酸钙 ; 合成工艺 ; 微观结构 ; 水泥及砂浆性能    

中文摘要:

合成水化硅酸钙被认为是一种非常有发展前景的新型水泥基材料增进剂,但其性能与合成工艺密切相关。本文在前人的研究基础上,探讨钙硅比、反应温度、反应时间和水固比对水化硅酸钙微观结构、组成及形貌的影响,同时结合不同反应条件下的水化硅酸钙对砂浆早期力学性能影响,优选水化硅酸钙的合成工艺,进一步研究水化硅酸钙对水泥及水泥基砂浆性能的影响,相关研究结论如下:

(1)随着钙硅比(0.8、1.2、1.5)增加,水化硅酸钙的层间距变小,Q2和Q1特征峰向低波数移动且Q2/Q1比值减小,水化硅酸钙聚合度降低,其微观形貌由层状过渡到无规则聚集体且致密性逐渐增加。

(2)随着反应温度(20℃、60℃、80℃、100℃)升高,水化硅酸钙的层间距逐渐变小,Q2和Q1特征峰向高波数移动且Q2/Q1比值增大,其聚合度增加,且微观形貌由无规则聚集体过渡到层状。

(3)随反应时间(3d、5d、7d)的延长,水化硅酸钙的层间距逐渐减少,Q2和Q1特征峰向高波数移动且Q2/Q1比值增加,即水化硅酸钙聚合度随之增加。

(4)随水固比(10、15、20、30、40)增加,水化硅酸钙的层间距逐渐增加,其微观形貌由无规则聚集体过渡到层状。

(5)水化硅酸钙能提高砂浆的早期强度且后期强度不倒缩,同时能提高砂浆抗冻和抗渗性能;Na2SO4能提高砂浆早期强度,但引起后期强度倒缩且降低了砂浆抗冻和抗渗性能;两种外加剂均能促进水泥早期水化,使水泥水化放热峰提前,缩短水泥凝结时间。

参考文献:

[1]曹文聪, 杨树森. 普通硅酸盐工艺学[M]. 武汉工业大学出版社, 1996.

[2]杨南如. C-S-H凝胶及其研究方法[J]. 硅酸盐通报, 2003, 22(2):46-52.

[3]张文生, 王宏霞, 叶家元. 水化硅酸钙的结构及其变化[J]. 硅酸盐学报, 2005, 33(1):63-68.

[4]王鑫永, 陈雪初, 何圣兵,等. 水化硅酸钙回收污水中磷的试验研究[J]. 工业用水与废水, 2011, 42(4):51-54.

[5]李颖, 唐明. 水化硅酸钙材料的特殊用途[J]. 辽宁建材, 1999(2):26-28.

[6]彭小芹, 顾淑英, 黄涛,等. 水化硅酸钙粉体对硅橡胶的补强作用[J]. 土木建筑与环境工程, 2010, 32(5):109-113.

[7]李远中, 唐尔焯. C-S-H及C-S-H脱水相对水泥石结构改性的研究[J]. 硅酸盐学报, 1991(4):373-380.

[8]Alizadeh R, Beaudoin J J, Raki L, et al. C-S-H Seeding : An approach for the nanostructural tailoring of cement-based materials[J]. International Congress on the Chemistry of Cement Madrid Spain, 2011.

[9]陶成云, 徐慧敏. 水泥“晶核”合成条件分析研究[J]. 低温建筑技术, 2011, 33(8):11-12.

[10]王政, 杨英姿, 李家和. 水化硅酸钙晶种的制备及对水泥强度的影响[J]. 材料科学与工艺, 2007, 15(6):789-791.

[11]张云升, 胡曙光, 王发洲. 晶种在矿渣混凝土中的增强作用[J]. 济南大学学报(自然科学版), 2001, 15(1):13-16.

[12]李建勇, 唐尔焯. 合成CSH凝胶在混凝土中的增强作用[J]. 混凝土, 1995(6):16-22.

[13]Kuwahara Y, Ohmichi T, Kamegawa T, et al. A novel conversion process for waste slag: synthesis of a hydrotalcite-like compound and zeolite from blast furnace slag and evaluation of adsorption capacities[J]. Journal of Materials Chemistry, 2010, 20(24):5052-5062.

[14]Okano K, Uemoto M, Kagami J, et al. Novel technique for phosphorus recovery from aqueous solutions using amorphous calcium silicate hydrates (A-CSHs).[J]. Water Research, 2013, 47(7):2251-2259.

[15]杨南如. C-S-H凝胶结构模型研究新进展[J]. 南京工业大学学报(自科版), 1998, 20(2):78-85.

[16]王锦, 徐文, 李辉. 不同条件对合成水化硅酸钙结构与性能的影响研究综述[J]. 硅酸盐通报, 2015, 34(5):1296-1301.

[17]石磊. C-S-H凝胶的合成及其作为晶种对水泥性能影响的研究[D]. 南京工业大学, 2013.

[18]H. L. Chaterlier. Experimental Researches on the Constitution of Hydraulic Mortars[J]. Ann. Mines, 1l, 345-965(1887).

[19]H. H. Steinour. The System CaO-Si02-H20 and the Hydration of the Calcium Silicates[J]. Chew. Reviews, 40, 391-460(1947).

[20]Taylor H F W. Proposed Structure for Calcium Silicate Hydrate Gel[J]. Journal of the American Ceramic Society, 1986, 69(6):464-467.

[21]赵晓刚. 水化硅酸钙的合成及其组成、结构与形貌[D]. 武汉理工大学, 2010.

[22]肖建敏, 朱绘美, 吴锋. 29Si固体核磁共振技术在C-S-H凝胶中的应用进展[J]. 硅酸盐通报, 2016, 35(11):3594-3599.

[23]Richardson I G. The nature of C-S-H in hardened cements[J]. Cement & Concrete Research, 1999, 29(8):1131-1147.

[24]韩松, 阎培渝, 刘仍光. 水泥早期水化产物的TEM研究[J]. 中国科学:技术科学, 2012(8):879-885.

[25]Gallucci E, Mathur P, Scrivener K. Microstructural development of early age hydration shells around cement grains[J]. Cement & Concrete Research, 2010, 40(1):4-13.

[26]Locher F W. Stoichiometry of Tricalcium Silicate Hydration[J]. Highway Research Board Special Report, 1966.

[27]魏铭鑑, 甘新平. CSH凝胶结构的研究[J]. 武汉理工大学学报, 1991(1):20-24.

[28]沈卫国, 肖立奇, 马威,等. 水化硅酸钙纳米尺度微结构的AFM研究(英文)[J]. 硅酸盐学报, 2008, 36(4):67-73+77.

[29]Grutzeck M W, Larosa T J, Kwan S. Characteristics of C-S-H Gels [C]//Proceeding of the 10th ICCC, Gothenburg: {s. n.}, 1997.

[30]周芝芹, 李峰. 快速测定水化硅酸钙结晶度的XRD方法[J]. 光谱实验室, 2001, 18(5):000627-629.

[31]Diamond S.Hydraulic cement pastes: Their structure and properties. Cement and Concrete Association, Slough, U K 1976. 2

[32]王磊, 何真, 张博,等. 基于红外与核磁共振技术揭示C-S-H聚合机理[J]. 建筑材料学报, 2011, 14(4):447-451.

[33]冯春花, 王希建, 李东旭. ^29Si、^27Al固体核磁共振在水泥基材料中的应用进展[J]. 核技术, 2014, 37(1):48-53.

[34]何永佳, 胡曙光. 29Si固体核磁共振技术在水泥化学研究中的应用[J]. 材料科学与工程学报, 2007, 25(1):147-153.

[35]方永浩. 固体高分辨核磁共振在水泥化学研究中的应用[J]. 建筑材料学报, 2003, 6(1):54-60.

[36]Beaudoin J J, Raki L, Alizadeh R. A 29 Si MAS NMR study of modified C–S–H nanostructures[J]. Cement & Concrete Composites, 2009, 31(8):585-590.

[37]D. L. Kantro, S. Bmnauer, and C. H. Weise. Development of Surface in the Hydration of Calcium. II. Extension of Investigation to Earlier and Later Stages of Hydration[J]. J. Phys. Chem, 66, 1804-09(1962).

[38]H. Stade and W. Wicker. On the Structure of Ill-Crystallized Calcium Hydrogen Silicates. I. Formation and Properties of an Crystallized Calcium Hydrogen Disilicate Phase0. Z. Anorg[J]. Allg. Chem. 468, 55-77(1980).

[39]FUJII K, KONDO W. Estimation of thermochemical data for calcium silicate hydrate(C-S-H)[J]. Journal Am Ceram Soceity, 1983, 66(12): C220-C240.

[40]I.G. Richardson. The nature of C-S-H in hardened cements[J]Cement and Concrete Research, 1999, 29: 1131–1147.

[41]Richardson I G. Tobermorite/jennite and tobermorite/calcium hydroxide-based models for the structure of C-S-H: applicability to hardened pastes of tricalcium silicate, β-dicalcium silicate, Portland cement, and blends of Portland cement with blast-furnace slag, metakaolin, or silica fume [J]. Cement and Concrete Research, 2004, 34: 1733-1777.

[42]XU Z, VIEHLAND D. Observation of a mesostructure in calcium silicate hydrate gels of portland cement [J]. Phys Rev Lett, 1996, 77(5): 952–955.

[43]VIEHLAND D, LI J F, YUAN L J, et al. Mesostructure of calcium silicate hydrate (C-S-H) gels in Portland cement paste: Short-range ordering, nanocrystallinity, and local compositional order [J]. J Am Ceram Soc, 1996, 79 (7): 1731–1744.

[44]姚武, 何莉. 水化硅酸钙纳米结构研究进展[J]. 硅酸盐学报, 2010, 38(4):754-761.

[45]ZHANG Xiaozhong, CHANG Wenyi, ZHANG Tiejun, et al. Nanostructure of calcium silicate hydrates gels in cement paste [J]. J Am Ceram Soc, 2000, 83(10): 2600-2604.

[46]Jennings H M. A model for the microstructure of calcium silicate hydrate in cement paste[J]. Cement & Concrete Research, 2000, 30(1):101-116.

[47]Jennings H M. Refinements to colloid model of C-S-H in cement: CM-II[J]. Cement & Concrete Research, 2008, 38(3):275-289.

[48]沈卫国, 甘戈金, 连春明,等. C-S-H纳米尺度结构模型研究与收缩机理研究进展[C]// International Conference on Material Science and Environmental Engineering. 2012:1-11.

[49]Gmira A, Pellenq J M, Rannou I, et al. A Structural Study of Dehydration/Rehydration of Tobermorite, a Model Cement Compound[J]. Studies in Surface Science & Catalysis, 2002, 144(02):601-608.

[50]Richardson I G. The calcium silicate hydrates[J]. Cement & Concrete Research, 2008, 38(2):137-158.

[51]曹贞源, 梁军. 不同硅质原料对水化硅酸钙形成的影响[J]. 新型建筑材料, 1992(6):13-17.

[52]曾路, 何牟, 毛钉. 水热合成制度对水化硅酸钙孔结构的影响[J]. 非金属矿, 2017, 40(3):10-13.

[53]雷永胜, 韩涛, 王慧奇,等. 水热合成水化硅酸钙(C-S-H)的制备与表征[J]. 硅酸盐通报, 2014, 33(3):465-469.

[54]He Y, Lu L, Struble L J, et al. Effect of calcium–silicon ratio on microstructure and nanostructure of calcium silicate hydrate synthesized by reaction of fumed silica and calcium oxide at room temperature[J]. Materials & Structures, 2014, 47(1-2):311-322.

[55]赵晓刚, 吕林女. 钙硅比对溶液法制备的水化硅酸钙形貌影响[J]. 建材世界, 2010, 31(2):7-8.

[56]Bosque I F S D, Martínez-Ramírez S, Blanco-Varela M T. FTIR study of the effect of temperature and nanosilica on the nano structure of C–S–H gel formed by hydrating tricalcium silicate[J]. Construction & Building Materials, 2014, 52(2):314-323.

[57]Sáez d B I F, Martín‐Pastor M. Effect of Temperature on C3S and C3S + Nanosilica Hydration and C–S–H Structure[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2013, 96(3):957-965.

[58]钟白茜, 杨南如. 活性β-C2S的水化[J]. 南京工业大学学报(自科版), 1987(2):68-77.

[59]崔素萍, 郭红霞, 王辰,等. 纳米无定形C-S-H凝胶颗粒及其结构表征[J]. 硅酸盐通报, 2012, 31(3):37-40.

[60]乔春雨, 倪文, 王长龙. 水化硅酸钙的合成与水泥化学热力学计算[J]. 硅酸盐通报, 2013, 32(5):903-907.

[61]Suzuki S, Sinn E. Observation of calcium silicate hydrate by the precipitation method[J]. Journal of Materials Science Letters, 1994, 13(14):1058-1060.

[62]吉芳英, 关伟, 周卫威,等. 基于自碳黑的水化硅酸钙制备及其磷回收特性[J]. 环境工程学报, 2014, 8(2):493-498.

[63]石磊, 马素花, 李伟峰,等. C-S-H凝胶的水热合成及其性能研究[J]. 混凝土, 2013(11):101-104.

[64]Parrott L J. An examination of the silicate structure of tricalcium silicate hydrated at elevated temperature[J]. Cement & Concrete Research, 1981, 11(3):415-420.

[65]江丽珍, 颜碧兰, 刘晨,等. GB/T1346《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》修订内容介绍[J]. 水泥, 2012(9):40-41.

[66]刘晨, 颜碧兰, 王昕,等. 《水泥胶砂流动度测定方法》GB/T2419修订简介[J]. 施工技术, 2004, 33(8):64-65.

[67]付兴国, 朱颖. GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》[J]. 吉林建材, 2004(3):32-34.

[68]姚启均. 《建筑砂浆基本性能试验方法标准》的新规定[J]. 重庆建筑, 2010, 09(4):52-53.

[69]吕林女, 赵晓刚, 何永佳,等. 钙硅比对水化硅酸钙形貌和结构的影响[C]// 中国硅酸盐学会水泥分会首届学术年会论文集. 2009.

[70]HE Yongjia. Effect of C/S Ratio on Morphology and Structure of Hydrothermally Synthesized Calcium Silicate Hydrate[J]. Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science Edition), 2011, 26(4):770-773.

[71]Taylor H F W. Cement Chemistry[J]. Chemistry for Engineers, 1998, 134.

[72]Yu P, Kirkpatrick R J, Poe B, et al. Structure of Calcium Silicate Hydrate (C‐S‐H): Near‐, Mid‐, and Far‐Infrared Spectroscopy[J]. Journal of the American Ceramic Society, 1999, 82(3):742-748.

[73]俞淑梅, 吕林女. 拉曼光谱用于水化硅酸钙聚合状态的探索性研究[J]. 建材世界, 2011, 32(2):6-8.

[74]Beaudoin J J, Raki L, Alizadeh R. A 29 Si MAS NMR study of modified C–S–H nanostructures[J]. Cement & Concrete Composites, 2009, 31(8):585-590.

[75]常钧, 房延凤, 李勇. 钙硅比对水化硅酸钙加速碳化的影响[J]. 硅酸盐学报, 2014, 42(11):1377-1382.

[76]Kim J J, Foley E M, Taha M M R. Nano-mechanical characterization of synthetic calcium–silicate–hydrate (C–S–H) with varying CaO/SiO 2, mixture ratios[J]. Cement & Concrete Composites, 2013, 36(1):65-70.

[77]Kim J J, Foley E M, Taha M M R. Nano-mechanical characterization of synthetic calcium–silicate–hydrate (C–S–H) with varying CaO/SiO 2, mixture ratios[J]. Cement & Concrete Composites, 2013, 36(1):65-70.

[78]何永佳, 胡曙光. ^29Si固体核磁共振技术在水泥化学研究中的应用[J]. 材料科学与工程学报, 2007, 25(1):147-153.

[79]冯春花, 王希建, 李东旭. ^29Si、^27Al固体核磁共振在水泥基材料中的应用进展[J]. 核技术, 2014, 37(1):48-53.

[80]Odler I, Abdulmaula S, Lu Z. Effect of Hydration Temperature on Cement Paste Structure[J]. Mrs Proceedings, 1986, 85.

[81]童雪莉, 刘公诚. 托勃莫来石类水化硅酸钙形成过程的研究[J]. 硅酸盐学报, 1963(3):13-22.

[82]Gallucci E, Zhang X, Scrivener K L. Effect of temperature on the microstructure of calcium silicate hydrate (C-S-H)[J]. Cement & Concrete Research, 2013, 53(2):185-195.

[83]Divet L, Randriambololona R. Delayed Ettringite Formation: The Effect of Temperature and Basicity on the Interaction of Sulphate and C-S-H Phase 1[J]. Cement & Concrete Research, 1998, 28(3):357-363.

[84]Cong X, Kirkpatrick R J. Effects of the temperature and relative humidity on the structure of CSH gel[J]. Cement & Concrete Research, 1995, 25(6):1237-1245.

[85]Escalante-Garcia J I, Sharp J H. Variation in the Composition of C‐S‐H Gel in Portland Cement Pastes Cured at Various Temperatures[J]. Journal of the American Ceramic Society, 1999, 82(11):3237-3241.

[86]Hsiang H I, Chen W S, Huang W C. Pre-reaction temperature effect on C–S–H colloidal properties and xonotlite formation via steam assisted crystallization[J]. Materials & Structures, 2016, 49(3):905-915.

[87]Bentur A, Berger R L, Kung J H, et al. Structural Properties of Calcium Silicate Pastes: II, Effect of Curing Temperature[J]. Journal of the American Ceramic Society, 1979, 62(7‐8):362-366.

[88]关伟, 吉芳英, 陈晴空,等. 水化硅酸钙的制备及磷回收性能表征[J]. 功能材料, 2012, 43(23):3286-3290.

[89]Lothenbach B, Winnefeld F, Wieland E, et al. Effect of temperature on the pore solution, microstructure and hydration products of Portland cement pastes[J]. Cement & Concrete Research, 2007, 37(4):483-491.

[90]于文金, 罗永传, 弓子成,等. 温度对大掺量粉煤灰水泥水化C-S-H聚合度的影响[J]. 武汉理工大学学报, 2011(11):28-32.

[91]Hartmann A, Khakhutov M, Buhl J C. Hydrothermal synthesis of CSH-phases (tobermorite) under influence of Ca-formate[J]. Materials Research Bulletin, 2014, 51(2):389-396.

[92]张海东, 韦江雄, 赵志广,等. 水化硅酸钙晶种对CaO-SiO_2-H_2O蒸压体系强度的影响及其机理分析[J]. 材料导报, 2017, 31(14):122-126.

[93]要秉文, 高振国, 张希清,等. 晶种提高混凝土早期强度的热力学分析[J]. 低温建筑技术, 2004(6):9-10.

[94]李建勇. 合成CSH凝胶对水泥石-集料界面区的影响[C]// 中国硅酸盐学会砼与水泥制品1997年学术年会. 1997:9-12.

[95]王玉锁, 叶跃忠, 钟新樵,等. 新型混凝土早强剂的应用研究现状[J]. 四川建筑, 2005, 25(4):105-106.

[96]王政, 赵晶. 晶种水化的热力学研究[J]. 哈尔滨师范大学自然科学学报, 1996(3):60-63.

[97]潘群雄. 水热合成硅酸钙外加剂作用机理探讨[J]. 建筑节能, 2001, 29(6):28-30.

[98]王同友, 符军放, 赵琥. 纳米级水化硅酸钙晶种作为油井水泥促凝剂的研究[J]. 钻井液与完井液, 2017, 34(3):68-71.

[99]徐俊. 水化硅酸钙晶种对水泥净浆早期强度影响的实验研究[J]. 建筑施工, 2014, 37(3):268-269.

[100]彭小芹, 兰聪, 王淑萍,等. 水化硅酸钙粉体对水泥水化反应过程及机理的影响[J]. 建筑材料学报, 2015, 18(2):195-201.

[101]Al-Wakeel E I, El-Korashy S A, El-Hemaly S A, et al. Promotion effect of CSH-phase nuclei on building calcium silicate hydrate phases[J]. Cement & Concrete Composites, 1999, 21(3):173-180.

[102]张路, 杨正宏, 曲生华. 硫酸钠对水泥硬化性能的影响[J]. 新型建筑材料, 2014, 41(2):28-30.

[103]刘淑萍, 王洪军. 对影响防水混凝土抗渗性能主要因素的分析[J]. 装备制造, 2009(6):201.

[104]孙永波, 曾力, 黄站峰,等. 掺合料及复掺化学防水物质对砂浆抗渗性能影响的研究[J]. 新型建筑材料, 2010, 37(4):72-74.

[105]狄娜. 水泥砂浆抗冻融性能研究[D]. 长春理工大学, 2014.

[106]孙琼, 汪仁才. 水泥标准稠度用水量与水泥胶砂流动度的关系[J]. 中小企业管理与科技旬刊, 2012(22):103-104.

[107]夏宝林.浅谈水泥标准稠度用水量对混凝土用水量的影响[J]. 四川水泥, 2009(1):46-47.

中图分类号:

 TQ172.1    

馆藏号:

 TQ172.1/0006/2018    

备注:

 403-西院分馆博硕论文库;203-余家头分馆博硕论文库    

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