微纳粉体对水泥物理力学性能的影响及机理研究

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1、四川大学博士学位论文微纳粉体对水泥物理力学性能的影响及机理研究材料学专业研究生卢忠远指导教师涂铭旌院士提高水泥性能的技术是2l世纪水泥基材料研究的重点，而复合化是材料进化的主要途径之一。特别是伴随超微细矿物粉体应用领域的深入，世界各国对超微细矿物粉体在水泥基材料中的应用研究也处于方兴未艾阶段。利用超微细粉体技术对水泥的改性，将不仅是高性能水泥基材料发展的必要，而且对进一步推动高性能水泥及高性能混凝土技术的发展、用高新技术改造传统水泥及混凝土产业都具有十分重大的意义。本文利用SEM、XRD、TG．DTA、IR、激光粒度仪、微量热仪、比表面积及孔隙度分析

2、仪等现代分析测试手段研究了微纳粉体(纳米si02、硅灰和超微细碳酸钙)对硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥物理力学性能的影响及机理。在此基础上，进一步探讨了超微细矿渣、超微细粉煤灰对水泥物理力学性能的影响，探讨了利用矿渣、粉煤灰、石灰石制备绿色高性能复合超细矿粉的适宜配方和适宜的生产工艺。取得了以下成果：在纳米Si02和硅灰对硅酸盐水泥方面，研究结果表明：纳米Si02和硅灰对水泥的强度都有较大幅度的提高，在3天以后，掺纳米Si02的水泥试样强度明显高于掺硅∞。这主要是由于纳米si02的粒径比硅灰的粒径小，纳米si02具有更大的表面能，纳米Si02q6[Si04

3、]4一离子团聚合程度低，导致了纳米Si02的火山灰活性比硅灰的火山灰活性要高得多。掺有纳米Si02的水泥试样中熟料矿物水化反应程度更高，CSH凝胶数量增长更快，结晶态Ca(OH)2含量更低。从而使掺有纳米Si02的水泥浆体内比表面积和总孔体积小，内部结构均匀，密实，强度高。Ill四川大学博士学位论文纳米si02对强度的增长主要来自两个原因：高火山灰活性和良好的密实填充效应。在早期主要是商火山灰活性在起作用，在中后期是高火山灰活性和良好的密实填充效应共同起作用。在硫铝酸盐水泥方面，掺入纳米si02后，水泥硬化体中孔的内表面积、总孔体积、平均孔径均小于未

4、掺试样，水泥石结构更加密实、均匀，纳米Si02不仅能够克服硫铝酸盐水泥后期强度倒缩的问题，还能够稳定提高其后期强度。利用工业副产物电石渣制得了适合水泥改性的超微细碳酸钙。探讨了超微细碳酸钙对硅酸盐水泥物理力学性能的影响，结果发现超细碳酸钙对水泥的1天强度提高幅度达50～80％，提高幅度比普通石灰石高30～50％，对28天强度影响不大。在研究超微细碳酸钙对硫铝酸盐水泥物理力学性能及微观结构的影响中，发现通常情况下，硫铝酸盐水泥的抗折强度出现后期倒缩现象，如3d后的抗折强度均呈下降态势。而掺入超微细CaCO，后，不仅解决了这个问题，而且还提高了水泥的抗折

5、强度，早期强度和后期强度都得到稳定提高。超细CaC0。对硫铝酸盐水泥的增强机理与硅酸盐水泥还有所不同，除了具有共同的物理填充效应和分散效应外，还具有：(1)CaC03除与C4(A·F)发生化学反应，生成碳铝(铁)酸钙外，还产生如下反应：3C4A3S+3CSH2+2CC+3CH+92H=2C6AS3H32+2C4ACHll+5AH3生成钙矾石、碳铝酸钙和AI(OH)3，加速了熟料矿物的水化，AI(OH)3使水泥石的结构更均匀、更致密。(2)CaC03具有CaS04的作用，从而阻止了AFt向AFm转化，使硫铝酸盐水泥后期抗折强度不倒缩。在获得上述成果的基

6、础上，采用复合技术和超微粉体技术，通过将高炉矿渣、粉煤灰和石灰石三种原料复合，研制出了复合超徽细矿粉，可以产生“次第水化”效应，熟料和石灰石保证早期(3～7d)强度，矿渣水化提供中期强度，矿渣和粉煤灰后期水化保证后期强度，成功地解决了矿渣和粉煤灰使水泥早期强度降低的问题。建立了复合超微细矿粉生产线，可大量利用工业副产物粉煤灰和天然矿石石灰石，生产的复合矿粉具有微纳米效应，既可用于生产绿色高塑型盔堂苎主兰焦堡壅性能水泥，又可用于生产绿色高性能混凝土。当在水泥中掺入该复合超细粉55％时，3天强度是对比试样的I．3～1．9倍，28天强度是对比试样的I．6～

7、2．2倍。用复合超微细矿粉配制的水泥是一种绿色高性能水泥，具有高强度、高水化率、低需水量、高流动性、低水化热和高的抗化学侵蚀性等优点。在工业生产中，利用绿色复合高性能矿粉生产高性能绿色水泥和高性能绿色混凝土，大幅度降低了水泥及混凝±的生产成本，具有十分显著的经济效益和社会效益。关键词：纳米Si02．硅灰，超细碳酸钙，硅酸盐水泥，硫铝酸盐水泥，性能，机理VResearchontheinfIuenceofmicro-andnano—powderoncementphysico—。mechanicaIperformanceanditsmechanismMaj

8、orirlMateriaIScienceCanddatefordoctorate：LuZhongyuanSu