论文总字数：23568字

摘 要

水泥材料作为最基本的建筑材料之一，其生产耗能较大，不利于节约资源，保护环境，并且很难满足现代社会对其的高性能的要求，而硫铝酸钙水泥作为新兴水泥，其早期性能优良，但后期会产生强度倒缩，且价格较高，若以一定的比例将硫铝酸钙（CSA）水泥掺入硅酸盐水泥（PC）中，发挥硫铝酸钙水泥和硅酸盐水泥各自的优点，将会显著提高传统硅酸盐水泥的性能。因此，本研究在考虑水灰比（w/c）的情况下，设计了由PC和CSA（0-15%）组成的复合体系，研究了复合体系的早期抗压强度，干燥收缩性能以及抗氯离子渗透性。并通过XRD、TG、SEM、MIP、水化热分析等表征手段对体系的水化过程、产物以及微观结构进行研究。结果表明，当w/c=0.3时，PC-CSA（0.5%）体系的早期强度显著提高，并且复合体系的干缩率和氯离子渗透性均低于PC砂浆。这是由于初步水化形成的钙矾石会作为晶核促进PC-CSA体系的水化，自由水的快速消耗和释放热量也有利于促进早期强度的发展。

关键词：硅酸盐水泥；硫铝酸钙水泥；水灰比；早强；抗压强度

Abstract

Cement materials as one of the most basic building materials, the production of large energy consumption, is not conducive to saving resources, protect the environment, and it is difficult to meet the requirements of modern society for its high performance. Calcium sulfoaluminate cement, as a new type of cement, has good performance in the early stage, but in the later stage, it produces strength shrinkage and it has a higher price. Therefore, if a certain proportion of calcium sulfoaluminate (CSA) cement into Portland cement (PC), play the respective advantages of sulfoaluminate cement and Portland cement, will significantly improve the performance of traditional Portland cement. Based on this, this study designed a composite system composed of PC and CSA (0-15%), and considered the influence of water-cement ratio .And the early compressive strength, drying shrinkage performance and chloride ion permeability of the composite system are studied. The hydration process, products and microstructure of the system are studied by means of XRD, TG, SEM, MIP and hydration heat analysis. The results show that when w/c=0.3, the early strength of PC-CSA (0.5%) system is significantly improved, and the dry shrinkage rate and chloride ion permeability of the composite system are lower than that of PC mortar. This is because ettringite formed by preliminary hydration can serve as a crystal nucleus to promote the hydration of PC-CSA system. The rapid consumption and heat release of free water are also conducive to the development of early strength.

Keywords: Portland cement; Calcium sulphoaluminate cement; Water-cement ratio; Early strength; Compressive strength

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥混合对复合水泥强度的影响 1

1.2.2 硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥混合对水泥水化反应的影响 2

1.3 存在的主要问题 2

1.4 研究目标及拟解决的问题 2

1.5 研究内容及技术路线 2

1.6 研究的可行性分析 4

第2章 原材料与实验方法 6

2.1 原材料的组分 6

2.2 实验样品的制备 6

2.3 测试方法 7

2.3.1 抗压强度 7

2.3.2 水化热 7

2.3.3 水化物组成 7

2.3.4 微观结构分析 8

2.3.5 干燥收缩 8

2.3.6快速氯离子渗透试验 8

第3章 实验结果分析 9

3.1 PC-CSA体系的抗压强度 9

3.1.1 二元体系强度与CSA含量的关系 9

3.1.2 二元体系强度与w/c的关系 9

3.2 PC-CSA体系的水化热 11

3.2.1 w/c=0.3时，二元体系水化热 11

3.2.2 w/c=0.5时二元体系的水化热 11

3.3 PC-CSA系统水化物分析 12

3.3.1 XRD分析 12

3.3.2 TG分析 14

3.3.3扫描电镜分析 17

3.4 PC-CSA体系干缩 19

3.5 PC-CSA体系的渗透性 19

3.6 讨论 21

第4章 结论 23

致谢 24

参考文献 25

第1章 绪论

1.1 研究意义

水泥作为世界上使用量最大的人造材料之一，不单在民用与工业建筑得到广泛应用，还大量用于城市建设、水利、交通、农林以及海港工程中等^[1]。在21世纪，水泥工业仍然是非常重要的基础工业，水泥材料仍然是基本的建筑材料。因此，进一步提高水泥性能，节约资源与能源，保护环境，走可持续发展道路是水泥工业发展的目标与方向。

预制混凝土已广泛应用于基础设施建设，如高速铁路的轨道板、地铁的盾构段、装配式桥梁和装配式房屋^[2]。一般采用蒸汽养护来加快沉降过程，促进早期强度的发展，以满足脱模过程的要求，使工厂的生产率达到尽可能高的水平^[3]。众所周知，混凝土高温养护不仅会造成热损伤^[4]，对后期强度发展和耐久性产生负面影响^[5]，还会增加能耗和CO₂排放。环境温度固化已经被认为是避免这些负面影响的有效方法，然而，采取措施来满足早期强度要求是一个巨大的挑战^[6]。因此，如何在常温下达到PC的高早期强度是预制混凝土研究的热点之一。

硫铝酸钙水泥(CSA)作为第三系列的水泥具有凝结快、早期强度高、尺寸稳定性好、耐久性好等特点。抗渗，抗冻，快硬，早期强度较高，低收缩性能和耐侵蚀等的优良性能能适用在修补，止水堵漏，低温地下工程中^[7]。

因此寻找合适的比例在硅酸盐水泥中掺入硫铝酸盐水泥，形成硫铝酸盐水泥-硅酸盐水泥复合体系，将硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥各自的优点发挥，会将传统硅酸盐水泥的性能显著提高。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥混合对复合水泥强度的影响

张丕兴等^[8]通过研究硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥混合对复合体系性能的影响得出结论：将一定量的硫铝酸盐水泥掺入硅酸盐水泥中后，复合体系的1d强度增加，结构更加稳定。王复生^[9]的结论是将少量硅酸盐水泥掺入硫铝酸盐水泥后，复合水泥的干缩率降低，可以在保证水泥强度不降低的同时降低生产成本，将少量硫铝酸盐水泥掺入硅酸盐水泥后，水化产物中钙矾石的量增加，水泥具有早期微膨胀性。徐玲琳^[10]的研究表明，掺入硫铝酸盐水泥会加速硅酸盐水泥的凝结硬化过程，并且随着掺量的提高，凝结速度加快，较低的硫铝酸盐水泥掺量（6%左右）会促进复合体系强度的发展，但较高的掺量对复合体系强度发展不利。丁军等^[11]研究表明：将硫铝酸盐水泥与硅酸盐水泥板一定比例混合在一起可以改变单一组分的性能，当OPC含量在0~80%之间时，复合体系强度随OPC含量的增加而逐渐下降。丁向群^[12]的研究结果表明：硫铝酸盐水泥与硅酸盐水泥互掺会缩短二元体系的凝结时间，降低强度，并且随着硅酸盐水泥的不同掺量呈现规律性变化。OPC掺量为0~20%时，体系的凝结时间随掺量增加而缩短，胶砂强度随掺量增加而降低，在掺量高于90%时，凝结时间变长，强度增大。Qin L报道^[13]在环境温度下，随着CSA用量的增加，PC-CSA共混物的凝结时间缩短；CSA对PC的5-10%置换率显著提高了早期抗压强度，而降低了后期抗压强度。可能的原因与快速积累的钙矾石加剧孔隙结构有关。

1.2.2 硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥混合对水泥水化反应的影响

王复生等^[9]的研究结论是：将硫铝酸盐水泥掺入硅酸盐水泥后，会加快水泥的水化；徐玲琳^[10]的研究表明：掺入少量硫铝酸盐水泥后，水泥的水化放热速率曲线表明水化进程明显加快，明显提前第二水化放热峰出现的时间，缩短诱导期的效果明显。杨清等^[14]研究得出：复合胶凝体系的早期水化速率高于单一的OPC和CSA，两种水泥复合使水化反应相互作用、相互促进，初始水化热高于纯的组分。Le Saout G也报道了不同的结果^[15]，在环境温度下，10% CSA—90%PC加速了整个体系的水化，但在12 h龄期内抗压强度并没有明显的提高；然而，一天后，抗压强度的发展有很大的负面影响。可能的原因是CSA粒子周围的空隙可以通过快速形成钙矾石而产生。

1.3 存在的主要问题

通过查阅文献资料，国内外针对硫铝酸盐-硅酸盐水泥复合体系的研究所做的工作并不多，并且研究结果具有很大争议。主要是由于在设计硫铝酸盐-硅酸盐水泥复合体系的配比是比较随意，缺少科学理论的根据，其次是体系的凝结时间很难控制，对复合体系的设计的指导缺少科学性和理论性。

PC-CSA系统在复合混凝土中的应用研究还很少。在前人研究的基础上，应考虑PC中CSA的置换比和体系水灰比，因为合适的配比可导致早期强度较高，对后期强度的负面影响较小^[15-17]；低水灰比可以抑制钙矾石晶体的生长，改善孔隙结构，从而减轻其负面影响^[18]。

1.4 研究目标及拟解决的问题

本课题主要是探究硫铝酸盐水泥掺量对硅酸盐水泥的性能的影响。改变硫铝酸钙水泥掺量制得样品，并测试其性能。研究水灰比对复合体系性能的影响。分析复合体系微观形貌，对复合体系早期强度机理进行研究。研究PC-CSA复合体系的抗压强度、干燥收缩性和抗氯离子渗透性。并通过水化热、XRD、TG、MIP、SEM等方法表征体系的水化过程、水化产物及微观结构演变。本课题可为无蒸汽养护预制混凝土的设计提供参考。

1.5 研究内容及技术路线

1.5.1 研究内容

（1）研究硫铝酸盐水泥掺量对硅酸盐水泥性能的影响。

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