Constr. Build. Mater.：C4A3($,P)矿物作为有前途的海洋工程材料的力学和氯离子固化性能

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Constr. Build. Mater.：C₄A₃($,P)矿物作为有前途的海洋工程材料的力学和氯离子固化性能

题目

题目：Mechanical and chloride ions solidification performance of C₄A₃($,P) mineral as promising marine engineering material

C₄A₃($,P)矿物作为有前途的海洋工程材料的力学和氯离子固化性能

关键字

关键字：改性硫铝酸钙、氯离子固化、AFM、铝（铁）凝胶

来源

出版年份：2022

来源：Construction and Building Materials

课题组：济南大学王守德课题组

研究背景

海洋开发已成为拓展人类生存空间、巩固社会发展的必然途径。与日益枯竭的土地资源相比，海洋拥有丰富的可利用资源。而海洋工业的开采依赖于海洋工程的建设，但海洋工程的安全性、可靠性和使用寿命在应对恶劣海洋环境方面面临巨大挑战。近几十年来，硫铝酸盐水泥（SAC）因其早期强度高、凝结时间短、耐腐蚀性能优异等优异性能而被广泛应用于快速修复及海洋工程施工中。

研究出发点

C₄A₃$作为SAC中的一个主要矿物相，可以快速水化形成氢氧化铝凝胶（AH₃凝胶）和硫铝酸钙水化物（AFm），但SAC的另一主要矿物相C2S水化速度缓慢，这导致硫铝酸盐水泥制品在后期无法实现显著的强度提升。此外，现有研究集中于C₄A₃$的离子取代优化：①用Ba²⁺或Sr²⁺取代C₄A₃$中的Ca²⁺方法；②用Fe₂O₃取代Al₂O₃生成C₄A₃-xFx$法，这两种方法并没有使C₄A₃$的化学固化氯离子能力得到显著提高。综上可得，随着海洋开发规模的不断扩大，现有研究手段会限制SAC的大规模应用。

研究内容

本文通过P₂O₅代替C₄A₃$中的SO₃在富含铁的环境中形成C₄A₃$_1-xP_x/2矿物，从而在中后期提高Cl^-化学结合能力并优化强度增长。同时，利用XRD、IR、XPS、SEM等手段对生成的C₄A₃$_1-xP_x/2矿物的水化作用和性质进行了研究。C₄A₃$_1-xP_x/2矿物作为改性C₄A₃$中不可缺少的组成部分，与C_4-xB_xA₃$和C₄A_3-xF_x$一起推动了海洋工程建设的发展。

图1 SP体系试样相的含量组成（SPx中的x代表着P₂O₅取代SO₃的摩尔数）

图2 SP体系试样的红外吸收光谱图

图3 （a）S-2P（B）Al-2P和（C）P-3P的XPS核心光谱（拟合曲线）

图4 不同龄期试样的抗压强度

图5 不同替代率下养护7 d和28 d水化产物的XRD图

图6 SP0和SP0.15样品在3d和28d水化产物的DTG曲线

图7 不同替代率的总氯离子固化率

主要结论

随着P₂O₅取代SO₃的取代率增大，矿物的特征衍射峰逐渐向高角度区域偏移。此外，[AlO₄]和[PO₄]振动耦合引起的特征吸收峰(500~600cm^-1)在红外吸收光谱中也很明显。以及XPS结果表明，与SP₀组相比，S_2p峰向低结合能方向移动约0.2eV，Al2_p峰降低约0.3eV。因此，这证实了C₄A₃($,P)矿物形成于富铁环境，其分子式可表示为C₄A₃$_1-xP_x/2。

C₄A₃($,P)矿物表现出良好的力学性能。最重要的结果是，当P₂O₅与SO₃的替代率超过0.09时，强度在中后期稳定增长。随着替代率的增加，MS12峰明显增强，MS10.5峰逐渐减弱。且主要水化产物为AFm、铝(铁)凝胶和C-(A、P)-H凝胶。

与C₄A₃$矿物(非取代物)相比，C₄A₃($，P)矿物的氯离子固化性能更显著。值得注意的是，通过TG和SEM-EDS分析发现置换率为0.15的C₄A₃($,P)矿物水化产物中存在非晶相，即水化产物中C(A、P)H10和C₂(A、P)H8含量显著增加。

本期编者简介

翻译：

刘建伟           硕士生       深圳大学

审核：

李雪琪           硕士生       深圳大学

排版：

颜文韬           硕士生       深圳大学

本期学术指导

何嘻闯           博士后       深圳大学

龙武剑           教嘻授       深圳大学

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.126553