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基于AH3相协同调控的硫铝酸盐水泥基海工材料性能优化机理

批准号:
52108252
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张洋洋
依托单位:
学科分类:
工程材料
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张洋洋

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
硫铝酸盐水泥因其本体良好的抗海水侵蚀性、胶凝性、抗渗性和抗冻融性等,已成为一种极具潜力的海工混凝土用胶凝材料,且迎来重大历史发展机遇。但其科学理论体系尚不系统;而基于水化产物的组成和结构,设计与提升宏观性能,是推动该水泥应用的迫切需求。申请人前期研究发现该水泥的关键水化产物-铝凝胶(AH3相)可显著地改善孔结构和力学性能。本项目拟使用碳酸化-温度协同调控方法,提高AH3相的含量,优化AH3相的微纳结构;揭示碳酸化-温度在AH3相调控中的协同效应;量化AH3相的含量,探索AH3相尺寸、Al-O配位、离子积、硬度与模量、晶面间距等微纳结构的衍变;阐明AH3相含量与微纳结构变化对宏观力学性能和耐久性的影响机理;确定AH3相的最优含量与微纳结构,提出基于AH3相调控的硫铝酸盐水泥基海工材料性能优化方法。项目可丰富硫铝酸盐水泥的科学理论体系,推动硫铝酸盐水泥在海工领域的应用,促进混凝土行业的碳减排。
英文摘要
Calcium sulfoaluminate (CSA) cements exhibit excellent seawater corrosion resistance, cementitious property, water impermeability, freeze-thaw resistance, etc. CSA cements has been a type of significantly potential cementitious materials used for marine engineering concrete, and their historic development opportunity is coming. However, their current scientific theories are inadequate. The performances of CSA cements can be designed and improved based on the composition and structure of hydration products, which contributes greatly to promoting the application of CSA cements. The applicant has found that the AH3 phase, as a main hydration product of CSA cements, can significantly improve pore structure and mechanical properties. In this work, the synergistic method of carbonation and temperature will be used for increasing the AH3 content and optimizing the AH3 micro/nanostructure. The synergistic effect of carbonation and temperature will be revealed. The AH3 content will be quantified after the synergistic control process. This work will investigate the evolution of the AH3 micro/nanostructure regarding its crystal size, particle size, Al-O coordination, ion activity product, indentation hardness and modulus, interplanar spacing, etc. This work will also illuminate the influence mechanism of the content and micro/nanostructural evolution of the AH3 phase on the mechanical properties and durability. The most optimal content and micro/nanostructure of the AH3 phase will be determined, and the performance optimization of CSA cements-based marine engineering materials will be proposed based on the control of the AH3 phase. The findings will be beneficial to the scientific theories of CSA cements, better promote the application of CSA cements in the marine engineering, and promote the carbon reduction of the concrete industry.
硫铝酸盐水泥既是一种低碳水泥,又是一种海工水泥。AH3凝胶相是其关键水化产物,比表面积是C-S-H凝胶相的3倍以上,可显著提升力学性能。因此,探索相关工艺调控AH3凝胶相,有助于提升硫铝酸盐水泥的性能。为此,本项目建立硫铝酸盐水泥的硫铝酸钙-石膏-水初始碳酸化反应模型,探索碳酸化优化AH3凝胶相的可行性,研究水泥碳酸化过程和方法,发现AH3凝胶相的衍变规律;归纳AH3凝胶相的研究进展,揭示硫铝酸钙晶体结构和温度对AH3凝胶相的协同作用;探索海水离子对AH3凝胶相的作用机制。.首先,建立了硫铝酸钙-石膏-水-二氧化碳理论反应模型并进行了验证,该模型包括7个边界和4个区域,发现AH3凝胶相含量与二氧化碳摩尔质量以及碳酸化时间呈正相关。探究了硫铝酸盐水泥的湿法碳酸化产物变化规律,发现AH3凝胶相含量呈动态变化趋势,且存在无定形和微晶两种性态。通过使用干冰简易的碳酸化方式,改良了硫铝酸盐水泥的性能,揭示了AH3凝胶与碳酸钙晶体的协同贡献作用。.其次,归纳了硫铝酸盐水泥中AH3凝胶相的一般性特征,分析了现阶段各类因素对AH3凝胶相微纳结构及含量的影响。着重研究了温度变量的影响,发现高温能激发正交晶系硫铝酸钙水化生成的AH3凝胶相,使其从微晶结晶成良好的晶体,但立方晶系硫铝酸钙水化生成的AH3凝胶相却不能如此,证明了AH3凝胶相的常温微晶状态和高温单晶状态,为碳酸化工艺和温度协同调控AH3凝胶相的微纳结构提供了理论指导。.最后,提出了超高性能海水拌合水泥基海工材料的设计方法,得出了不同密度C-S-H凝胶相的演化和最优匹配,发现了C-S-H凝胶相的聚合度和分子链长随着海水浓度的升高而降低。探究了AH3凝胶相在海水中各离子作用下的衍变规律,其含量在MgCl2体系最高而在NaCl体系最低,其结晶度在NaCl和Na2SO4体系较高,呈现出较低的钙离子吸附能力,较高的镁离子吸附能力,以及很低的钠离子吸附能力;AH3凝胶相对阳离子的吸附能力优于C-S-H凝胶相,但对阴离子的吸附能力不如C-S-H凝胶相。研究结果为基于AH3凝胶相微纳结构调控,设计硫铝酸盐水泥基海工材料提供了新的思路。
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