论文总字数：20485字

摘 要

固体核磁共振（NMR）是研究水泥及其水化产物微观结构的一种先进有效技术，可用于分析水泥熟料矿物与水泥水化产物的物质结构，NMR主要研究的是各种核周围的不同局域环境，即中短程相互作用，对于水泥熟料矿物和水化产物这类不存在长程有序的非晶体而言，显得尤为重要。

本文首先阐述了水泥的水化过程与典型的水化产物，随后介绍了NMR技术在水泥化学研究中的主要应用：①如何利用核磁共振谱图中的硅谱图、铝谱分析C-S-H凝胶、矿物掺合料、硅酸盐水泥熟料矿物的物质结构；②如何分析机械力活化水泥的水化活性、硅酸盐水泥和混合水泥的水化过程等；③碱-集料反应与碱激发矿渣水化研究。最后，结合文献中的数据实例，分析了水工结构混凝土的C-S-H凝胶脱钙行为。

通过对文献的调研与实例分析，对NMR在水泥化学中的应用有了初步的认识，同时对NMR技术的局限性有了一定的了解，主要包括:①固体²⁹Si核磁共振技术可用于计算相关参数，例如水泥水化产物的聚合度和平均分子链长，但每种方法的准确性都需要进一步验证；②若要更好了解水泥浆体微观结构，C-S-H在水化过程中聚合机理需用固体核磁共振技术全面分析；③固体²⁹Si核磁共振中Q¹，Q²，Q³和Q⁴在水泥水化过程中变化过程和A1如何进入C-S-H凝胶内层结构的机理还需要深入研究探讨。

关键词： C-S-H凝胶；水泥水化；核磁共振；分峰拟合

Abstract

Solid nuclear magnetic resonance (NMR) is the study of cement and the micro structure of the hydration products of an advanced and effective technology, can be used for the analysis of cement clinker minerals and cement hydration products of the material structure, NMR is mainly is the study of the various different local environment around the nucleus, namely the medium-range interaction, for cement clinker minerals and hydration products such that there is no long-range order of amorphous, is particularly important.

In this paper, the hydration process and typical hydration products of cement are described firstly, and then the main application of NMR technology in cement chemical research is introduced (1) How to analyze the material structure of C-S-H gel, mineral admixtures and Portland cement clinker minerals by using silicon and aluminum in magnetic resonance spectroscopy; (2) How to analyze the hydration activity of mechanical activated cement, the hydration process of Portland cement and mixed cement, etc.; (3) Study on alkali-aggregate reaction and alkali - induced slag hydration.Finally, combining with the data examples in the literature, the C-S-H gel decalcification behavior of hydraulic structure concrete is analyzed.

Through the literature research and case analysis, the application of NMR in cement chemistry have a preliminary understanding, and understanding of the limitations of NMR technology had certain, mainly includes: (1) solid ²⁹Si nuclear magnetic resonance (NMR) technology can be used to calculate relevant parameters, such as the degree of polymerization of cement hydration products and the average molecular chain length, but the accuracy of each method needs to be further validation; (2) To better understand the microstructure of cement, the mechanism of C-S-H polymerization during hydration requires a comprehensive analysis of solid nuclear magnetic resonance technology; (3) The change process of Q¹, Q², Q³ and Q⁴ in the cement hydration process in solid ²⁹Si NMR and the mechanism of How A1 enters the inner structure of C-S-H gel need to be further studied and discussed.

Keywords: C-S-H gel; cement hydration; nuclear magnetic resonance; peak splitting

目 录

摘 要 II

Abstract III

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 本文研究的工作 1

第2章 水泥水化过程及其水化产物 3

2.1 水泥水化反应过程 3

2.2 钙矾石形貌特征及结构特点 3

2.3 C-S-H凝胶形貌特征及结构特点 4

2.4 C-A-S-H凝胶形貌特征及结构特征 5

第3章 核磁共振原理及谱图的特征参数 7

3.1 核磁共振原理 7

3.2 化学位移 8

3.3 Qⁿ的概念 8

第4章 ²⁹Si、²⁷Al NMR在水泥化学中的应用 10

4.1 物质结构分析 10

4.1.1 C-S-H凝胶 10

4.1.2 矿物掺合料 12

4.1.3 硅酸盐水泥熟料矿物 13

4.2 水泥水化的研究 13

4.2.1 机械力活化水泥的研究 14

4.2.2 硅酸盐水泥和混合水泥的水化 14

4.3 碱集料反应的研究 15

4.4 碱激发矿渣水化的研究 16

第5章 分析实例 18

参考文献 21

致谢 24

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

水泥混凝土是由水泥、砂、粗骨料、水为基本组成经拌合制成具有一定可塑性的流体，经硬化而成的具有一定强度的固体。它是应用最为广泛的土木工程材料，也是最重要的结构材料，其技术进步与发展推动了人类社会与文明的进步。

水泥混凝土的材料组成与制备工艺虽然简单，但其硬化体结构的水化产物组成与结构极为复杂。以水泥的主要水化产物水化硅酸钙凝胶(C-S-H凝胶)为例，其是一种由不同聚合度的[SiO₄]^4-与Ca² 形成的凝胶态物质，由于其尺度小(纳米尺度)、组成不固定(Ca/Si比无固定值 且在较大范围变动)与非晶体的特点，使得C-S-H凝胶的基本结构仍不清楚。并且，随着矿物掺合料的大量使用，其中的A1原子很容易参与到C-S-H凝胶的形成过程中，从而形成C-A-S-H凝胶，结构更为复杂。而C-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶是水泥水化产物中重要的组成部分，水泥胶凝能力的主要来自C-S-H凝胶，其结构与性质决定了胶凝材料的强度、收缩率和抗渗性，以及其它重要的工程性能，对其物质结构的分析有着重要的作用。

固体核磁共振(NMR)是研究水泥及其水化产物微观结构的一种先进有效技术，可以用于分析水泥熟料矿物与水泥水化产物的物质结构。NMR主要研究的是各种核周围的不同局域环境，即中短程相互作用，对于水泥熟料矿物和水化产物这类不存在长程有序的非晶体而言，显得尤为重要。

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