纳米硅调控超硫酸盐水泥水化硬化性能及微结构演变机制研究

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高矿粉含量(70%-90%)的超硫酸盐水泥体系(supersulfated cement,SSC)具有超低二氧化碳排放特征,然而,其早期性能发展缓慢严重制约其大规模推广应用。纳米硅(Nano-Si O2,NS)可改善大掺量矿渣水泥性能,尤其提高早期力学性能。鉴于此,本文系统探究了纳米硅对SSC体系水化硬化和微结构演变机制的影响规律,揭示其对SSC性能提升的规律和机理,以期为SSC体系的性能调控提供新思路。(1)纳米硅(掺量为1%、2%和3%)对SSC的力学性能、水化性能以及微观结构的影响。研究结果发现,3%纳米硅提升早期抗压强度(1 d和3 d)达949%和32%,提升抗折强度1878%和54%,表明纳米硅具有显著改善SSC早期性能的作用。同时,纳米硅对SSC后期力学性能提升仍然显著,3%纳米硅可提升SSC后期(90 d)抗压强度106%,这充分证实了纳米硅对SSC力学性能的重大提升作用。另外,早期(72 h)更高的水化放热速率和累积放热量、更高的化学结合水含量以及矿粉水化程度都说明纳米硅对SSC水化的促进作用。同时微观结构的结果也显示,3%纳米硅样品在水化早期(24 h)和后期(28 d和90 d)都具有更多的水化产物和更为密实的微观结构,且钙钒石由针棒状变为短柱状。(2)纳米硅对SSC的固液相组成的影响,以探究纳米硅提升SSC性能的机理。研究发现,纳米硅显著增加SSC体系中C-(A)-S-H凝胶的数量,减少钙矾石的形貌和生成量,抑制石膏的消耗。这表明纳米硅对SSC中硅相和铝相反应的不同调节作用可能是其显著提升SSC水化和力学性能的重要原因。进一步的分析表明,纳米硅将显著降低SSC体系中钙钒石的沉淀化学驱动力,提升C-(A)-S-H的沉淀驱动力,这与上述纳米硅对铝硅相的异步调控作用相一致。(3)纳米硅与石膏对SSC体系的协同调控作用。研究发现,对于掺与未掺纳米硅的SSC体系,改变其石膏含量对力学性能的影响较小。这表明上述纳米硅的提升作用机理(抑制钙钒石的沉淀)的主要原因是抑制铝相溶解,而非抑制石膏的溶解,纳米硅对石膏溶解的抑制作用是由于其抑制铝相形成钙钒石的结果,而非原因。综上所述,本文证明了纳米硅可以显著提升SSC的早期和后期力学性能,并提出其主要调控机理是抑制铝相水化和促进硅相水化,实现SSC铝硅相水化速率的优化匹配。同时,还探明了纳米硅对铝相水化的抑制作用主要通过抑制铝酸盐而非石膏溶解。
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