基于无定形CaCO3热力学调控的碳酸盐激发胶凝材料设计与性能提升

Sodium carbonate activated materials have gradually becoming the hot topic in the field of alkali activated materials because of its superiorities in terms of cost and environmental impacts. Promoting the performance of sodium carbonate activated material to meet the requirement for practical application is the key technology for the development of the sustainable building material. This project aims at the fundamental theory on promoting the performance of sodium carbonate activated material by acquiring the extra binding ability from the structural rearrangement of amorphous calcium carbonate (ACC) that thermodynamically controls by the addition of magnesium salts. The study starts from the basis that Mg2+ ion improves the stability of ACC, uses advanced techniques including In-situ XRD, Raman, NMR, FE-SEM and XPS to analyze the phase transition and binding ability of Mg2+ stabilized ACC at the environment of high pH (11-14) and multi-ions solutions, to investigated the co-growth mechanism of ACC and C-A-S-H gel as well as their structures, and to establish the theoretical link between Mg2+ stabilized ACC and the binding performance of sodium carbonate activated material. The research is based on the latest fundamental research result on amorphous calcium carbonate, and develops a new theory on promoting the binding performance of alkali activated material that adds to the knowledge on the chemistry and design of alkali activated binder.

碳酸盐激发胶凝材料是新型胶凝材料领域的前沿研究热点，增强其胶凝性能以满足应用需求是发展建材行业循环经济和可持续发展的关键技术。项目针对调控无定形碳酸钙（ACC）结构重建过程形成胶结能力以提升碳酸盐激发胶凝材料胶凝性能这一基础理论问题，以镁离子掺杂改性ACC为理论指导，面向胶凝能力提升和纳微结构改性的目标，从高碱性、多离子溶液环境下镁离子掺杂改性ACC在热力学稳定性基础研究出发，运用In-situ XRD、Raman、NMR、FE-SEM、XPS等多种先进技术论证镁离子掺杂改性ACC在复杂溶液环境下的结构重建过程和胶结性能，论证镁离子掺杂稳定ACC与C-A-S-H凝胶协同生长的微观机制，发展基于碳酸钙热力学稳定性调控的新型胶凝材料性能提升的新理论。项目研究采用自然科学领域前沿研究成果为理论基础，提出一种全新的胶凝材料设计方法和性能提升理论，并成为胶凝材料新增研究方向。

碳酸盐激发胶凝材料是一类以碳酸盐为激发剂激发硅铝质玻璃体反应活性的碱激发胶凝材料，具有环境影响小、操作简便、材料性能优良等特点。针对制约碳酸盐激发胶凝材料工程应用的早期反应速率慢、凝结硬化时间长和早期强度低等问题，本项目通过揭示盐效应作用下碳酸盐激发胶凝材料孔溶液长期处于过饱和状态而导致的早期反应速率慢现象，提出基于含镁无机晶种调控孔溶液饱和状态以加速碳酸钙、水滑石、C-S-H凝胶等主要水化反应产物沉淀速率，进而提升碳酸盐激发胶凝材料早期性能的新方法。. 本项目主要创新性研究成果如下：. （1）本项目深入探究了碳酸盐激发胶凝材料的早期水化反应机制，研究发现，在盐效应作用下碳酸盐激发胶凝材料孔溶液水化反应2h内即达到过饱和状态，水化反应速率主要受成核速率控制，主要早期水化反应产物碳酸钙、水滑石、C-S-H凝胶沉淀速率慢，从而导致水化反应缓慢、凝结时间长和早期强度低等问题；. （2）研究Mg、pH等复杂离子环境下碳酸钙等热动力学转变特性，提出基于晶种控制孔溶液饱和状态加速早期反应速率的材料设计方法，通过引入晶种增加成核位点、降低非均相形核能垒，将碳酸盐激发胶凝材料反应休眠期由≥2d降低至忽略不计，凝结时间最短可低至1h以内，1d抗压强度高达22MPa，实现早期性能大幅度提升；. （3）研究了晶种对碳酸盐胶凝材料微观结构的影响机制，深入探究了晶种通过结构重建提高材料致密度、阻碍氯离子迁移提升碳酸盐激发胶凝材料抗碳化性能、抗氯离子渗透性能的作用原理，建立了晶种与碳酸盐激发胶凝材料耐久性之间的构效关系。. 本项目研究提出基于晶种效应的碳酸盐胶凝材料性能提升新方法，成功设计制备一种凝结时间短、早期强度高、耐久性好的早强型碳酸盐激发胶凝材料，进而将项目研究的理论成果应用于矿渣活性激发剂、高性能矿山充填胶凝材料等的制备，为我国工业废弃物处置及水泥低碳、环保、可持续性发展做出贡献。