高贝利特硫铝酸盐水泥活化和水化机理研究

发布时间：2020-06-29 17:39

【摘要】：高贝利特硫铝酸盐水泥因其制备能耗少、CO_2排放量低、耐久性好等特性成为新型建筑材料研究热点。由于硅酸二钙早期水化速率较慢,高贝利特硫铝酸盐水泥的应用受到限制,因此高贝利特硫铝酸盐水泥的改性以及改性后水化过程的研究成为本文研究重点。其中水泥的改性可以通过引入异离子进入硅酸二钙相晶格,达到活化晶格、提高水化活性的目的;另一方面可以通过调整水泥熟料的矿物组成,即调整早强矿物硫铝酸钙和活化后贝利特相的配比,使其成为水化反应持续进行、强度持续发展的新型水泥体系。在传统固相反应热力学和动力学理论解释硅酸二钙活化原理的基础上,本文采用第一性原理与密度泛函理论研究了异离子固溶前后硅酸二钙晶体结构和晶格参数、键能和电子结构等方面的变化,研究结果表明掺杂Ba和Al原子能够提升晶胞形成能,缩小电子结构中价带顶和导带底形成的带隙宽度,在晶胞结构方面能够使原来共顶或共棱连接的[CaO_6]六配位体或[CaO_8]八配位体以共棱结构或者共面结构的形式存在,因此大大降低晶体结构的稳定性,从而达到活化晶胞的目的。同时比较两种原子对晶格活化效果可知,Ba原子对β-C_2S晶胞活化效果比Al原子更明显。通过第一性原理与密度泛函理论对贝利特相活化机理的研究,将密度泛函理论与贝利特相的活化反应和电子结构建立联系,为有目的性的设计材料物质结构奠定了基础。由于SO_4~(2-)离子也具有活化晶格结构的作用,因此在贝利特硫铝酸盐水泥体系制备过程中,硫铝酸钙相中的硫铝酸根离子也能在一定程度上活化贝利特相。针对活化后的贝利特硫铝酸盐水泥体系的水化过程及水化产物进行了研究。研究结果表明,贝利特硫铝酸盐水泥体系受两个主要阶段控制。第一阶段是硫铝酸盐相和石膏共同控制阶段,该反应阶段水化反应速率较快,提供早期强度发展。第二阶段为硅酸二钙相与第一阶段水化产物发生二次反应阶段。此阶段的水化反应速率主要受硅酸二钙相的水化反应速率控制。与传统C_2S相水化反应生成C-S-H凝胶体理论不同,在铝离子含量较多体系中,受到钙离子和硅酸根离子不饱和浓度的作用,C-S-H凝胶的水化成核过程受到抑制,在此阶段主要生成C-A-S-H凝胶;当铝离子消耗到临界浓度时,C-S-H凝胶才能反应成核。针对SO_4~(2-)含量对贝利特铝酸盐水泥体系的水化过程的影响,发现SO_4~(2-)浓度增加抑制了C_2S和C_4AF相水化反应。综上所述,贝利特硫铝酸盐水泥体系具有早期硫铝酸盐水化速率快且后期促进C_2S相的水化反应速率的性能特点。贝利特硫铝酸盐水泥水化产物以水化铝酸钙(AFt,AFm,C_4AH_(13),C_3AH_6等)和凝胶相(AH_3,C-A-S-H,C-S-H)两类物质为主,对于凝胶相水化产物含量较大的水泥基体系,传统水化动力学测试方法,水化热、化学收缩、化学结合水含量在测试水化过程上具有一定局限性。通过引入电化学交流阻抗谱法,能够克服传统水化测试方法的局限性。利用阻抗随水化龄期的变化曲线能够表征水泥水化过程五个阶段。阻抗曲线上的特征点TIII作为减速阶段的起始点将电化学交流阻抗谱法对水泥水化进程表征分为溶解控制阶段和扩散控制阶段,且两个阶段分别采用参数方程Z_(cp)=R_(s+l)(溶解控制阶段)和Z_(cp)=R_(s+l)+R_(int)(扩散控制阶段)进行表征。将电阻率测试和传统水化测试方法建立关系模型,可以拓展水化程度模型评价体系,同时建立电阻率法和传统水化测试方法间的关系方程,为评价胶凝材料水化过程、计算水化程度理论、和无损检测技术提供理论和实践支撑,为新型胶凝材料体系的应用体系的发展提供了有力保证。由于贝利特硫铝酸盐水泥体系水化产物AFm,AFm-CO_2,AH_3,C_4AH_(13)以及C_2ASH_8微观结构上具有层状结构,该层状结构符合层状双金属氢氧化物的特性,因此具有抗氯离子侵蚀和重金属离子固化的性能。贝利特硫铝酸盐水泥水化产物含有水化铝酸钙能够有效吸附混凝土基体中氯离子生成弗莱德盐,从而达到抗氯离子侵蚀的目的。同时层状双金属氢氧化物还能吸附多种重金属离子,特别是钴离子。通过人工方法合成水化铝酸钙类层状双金属氢氧化物,并对Co~(2+)离子溶液吸附过程进行研究,结果表明层状双金属结构能够有效吸附Co~(2+)离子,且最大吸附量为3.682mmol Co(II)/g,整个等温吸附过程符合pseudo-second准二级动力学模型和Langmuir等温吸附方程。综上所述,贝利特硫铝酸盐水泥的水化产物水化铝酸钙类层状双金属氢氧化物可以作为一种高效吸附剂对重金属离子进行吸附,进而贝利特硫铝酸盐水泥体系可以广泛应用于离子固化领域。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU528
【图文】：

同构体,多晶

层价电子作用形成模型势函数，通过将此势能函数投影以此分内层电子波函数。通过对价电子进一步计算，就可以计算出价电级变量[95]。赝势既包含了电子轨道间的吸引作用，同时包含了用[96-98]。验方法第一性原理计算以密度泛函理论和平面波赝势方法为理论基础力学模拟软件 Materials Studio（美国 Accelrys 公司）中 CAST利用 PBE 泛函在广义梯度近似下近似交换相关势[99]。采用动平面波基集对晶胞 4 4 4 k 点的布里渊区网格进行采样[100]，当到稳定状态时，可认为计算结果完全收敛，其中迭代误差[97]。采用共轭梯度法对所有结构进行松弛，同时使总能量和原量收敛为 10-5eV，每个原子允许的最大应力为 3 10-2eV/A，最01]。硅酸二钙化学式为 Ca2SiO4，简写为 C2S。不同温度下存在五体，具体晶胞参数参见表 2-1[4]，各晶型间的转化过程参见图 2

原子,晶胞结构,原子球,红色

2 α-C2S，αH'-C2S，αL'-C2S，β-C2S 和 γ-C2S 晶胞结构图（其中红色球代表 O 原子球代表 Ca 原子、黄色球代表 Si 原子）. 2-2 Crystalline structure of α-C2S, αH'-C2S, αL'-C2S, β-C2S and γ-C2S (Red balls repreatoms; green balls represent Ca atoms; yellow balls represent Si atoms.){010}晶面

【参考文献】