Constr. Build. Mater. ：了解C-S-H晶核材料对石灰石煅烧粘土水泥性能的长期影响

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Constr. Build. Mater. ：了解C-S-H晶核材料对石灰石煅烧粘土水泥性能的长期影响

题目

Understanding the longer-term effects of C-S-H seeding materials on the performance of limestone calcined clay cement

了解C-S-H晶核材料对石灰石煅烧粘土水泥性能的长期影响

关键词

C-S-H晶核，杂质，长期影响，石灰石煅烧黏土水泥

来源

出版年份：2023年

来源：Construction and Building Materials

课题组：武汉理工大学材料科学与工程学院王发洲课题组

研究背景

硅酸盐水泥（PC）和混凝土是使用最广的合成材料，其生产所排放的CO₂约占人为总排放量的8%。使用粉煤灰、矿渣、煅烧粘土等辅助胶凝材料（SCMs）降低水泥用量可有效降低水泥工业碳排放。然而，SCMs水化初期反应活性低，导致SCMs混合水泥早期强度提高缓慢。水化硅酸钙（C-S-H）是水泥主要水化产物，其显著影响胶凝材料力学性能和耐久性能。合成C-S-H晶核具有较高的比表面积，可作为理想的C-S-H凝胶成核底物以促进水泥水化，提高水泥早期强度。当前研究倾向于关注C-S-H晶核对水牛早期强度影响，较少涉及C-S-H晶核对水泥晚期强度影响。且现有研究对C-S-H晶核能否提高水泥后期强度仍有争议。石灰石煅烧黏土水泥（LC³）通过石灰石、煅烧粘土、石膏替代水泥熟料，能够有效降低水泥碳排放，是最具应用前景的混合水泥之一。然而，当水泥替代率大于50%时，LC3也面临早期强度不足问题。

研究出发点

目前，C-S-H晶核对LC³早期强度和长期性能影响的研究较少。同时，现阶段涉及C-S-H晶核的相关研究无法排除杂质干扰。

研究内容

本文研究了纯化C-S-H晶核和分离的杂质对LC³水化和强度影响。具体为：通过共沉淀法合成了Ca/Si比为1的C-S-H晶核悬浮液并从悬浮液中分离出杂质；采用等温量热仪（TAM）、扫描电子显微镜-能谱仪（SEM-EDS）、XRD-Rietveld全谱拟合精修法比较了上述两种材料制备的LC³抗压强度、水化热、熟料反应、物相组成及微观结构。

表1 配合比设计

图1 不同养护龄期各组LC³砂浆抗压强度

图2 各样品水化热测试结果：（a）热流；（b）累积放热

图3 养护3 d后各样品微观形貌

图4不同养护龄期各样品中C-(A)-S-H化学组成

图5 各样品养护3 d和90 d的XRD图（Ett：钙矾石；Hc：半碳铝酸盐；Mc：单碳铝酸盐；CH：氢氧化钙）

图6 各样品的熟料反应和物相组成随养护龄期变化：（a）阿利特；（b）铝酸三钙；（c）硅酸二钙；（d）氢氧化钙；（e）钙矾石；（f）半碳铝酸盐（Hc）和单碳铝酸盐（Mc）

图7 养护3 d和90 d各样品的物相组成

图8 LC³体系抗压强度与其水化产物体积关系

主要结论

本文研究了纯化C-S-H晶核和从C-S-H晶核悬浮液中分离出的杂质对石灰石煅烧粘土水泥（LC³）养护90 d内水化和强度的影响。具体结论如下:

（1）水化热测试结果表明，纯化C-S-H晶核明显缩短了LC³水化诱导期，增强了硅酸盐和铝酸盐峰；相较于空白组，掺入纯化C-S-H晶核后的样品水化产物提前析出；相较于单独掺入纯化C-S-H晶核的样品，同时掺入杂质和纯化C-S-H晶核的样品具有更强的水化放热峰，表明杂质中的NaNO₃也能促进早期水化。

（2）纯化C-S-H晶核可有效改善LC³早期强度，但对其长期性能影响不明显；额外添加杂质可进一步提高LC³的7 d抗压强度，但会导致其90 d抗压强度下降；添加晶核或杂质对C-(A)-S-H后期微观结构和化学组成无明显影响。

（3）相较于空白组和纯化晶核组，在水化初期，杂质组的阿利特水化程度更高，更多偏高岭土参与反应，但其后期水化程度和活性偏高岭土含量降低；相较于未添加杂质的样品，添加杂质的样品水化产物体积先增加后降低；LC³强度发展与其水化产物体积密切相关。

（4）纯化C-S-H晶核和上清液共同作用虽无法体现合成C-S-H晶核悬浮液的真实性能，但LC³水化过程和强度发展仍可清晰说明杂质如何影响其性能；上述研究为更好理解C-S-H晶核材料对胶凝材料长期性能影响提供了新视角。