复合水泥水化产物与未水化相对体积变形的影响机理及制备高体积稳定性复合水泥的研究

The content of supplementary cementitious materials (SCM) in blended cements is increasing gradually, leading to significant difference between the composition of blended cement paste and that of Portland cement paste, mainly in terms of the type, amount, and distribution of hydration products and unhydrated phases. Therefore, the volumetric stability of blended cements is been focused. In this project, the relationship between composition and structure of blended cement paste and its volumetric deformation will be investigated. The effects of hydration products and unhydrated phases on the volumetric stability of blended cement paste will be studied. Based on the results, the mixture proportion of blended cements will be designed according to the hydration characteristics and chemical compositions of cement clinker and SCM. The hydration products and unhydrated phases in blended cement paste will be optimized. Therefore, the chemical shrinkage will be reduced, and the contributions of filling effect and restriction of unhydrated phases on the volumetric stability of blended cement will be maximized. Finally, the volumetric stability of blended cement paste will be improved from physical and chemical aspects (particularly emphasized on physical aspect). And optimized matching principle of cement clinker and SCM will be established based on the volumetric stability of blended cement. The results will describe how to use cement clinker and SCM prepare high volumetric stability blended cements with larger amount of SCM scientifically and efficiently. This project is an important fundamental research for promoting energy saving, resources conservation and emissions reduction of cement and concrete industry and efficient utilization of cementitious materials, which has important scientific value and bright application prospects.

随辅助性胶凝材料掺量的增大，复合水泥浆体中水化产物和未水化相在组成、数量及分布方面与硅酸盐水泥的差别很大，其体积稳定性成为学者们关注的焦点。本项目拟研究复合水泥浆体组成、结构与体积变形的关系，揭示水化产物与未水化相对体积变形的影响机理。在此基础上，利用水泥熟料与辅助性胶凝材料在组成、水化特性等方面的差异，对复合水泥组成进行优化设计，调控浆体中水化产物和未水化相，减小水化产生的本征收缩，充分发挥未水化相"堆积"和"约束"作用，从物理、化学两方面（尤其偏重物理）改善复合水泥的体积稳定性，建立基于体积稳定性的水泥熟料与辅助性胶凝材料优化匹配原则。本研究将促进更科学、高效地利用水泥熟料和辅助性胶凝材料，制备大掺量辅助性胶凝材料、高体积稳定性复合水泥，是一项推动水泥混凝土工业节能减排和实现资源高效综合利用的重要基础性研究工作,具有重要的科学价值和广阔的应用前景。

随着对水泥基材料耐久性要求的不断提高，改善复合水泥浆体体积稳定性尤为重要。复合水泥浆体中水化产物和未水化相与硅酸盐水泥浆体的差别巨大，因此揭示复合水泥浆体体积稳定性影响因素与作用机理，将有利于降低水泥混凝土结构整个生命周期的环境负荷，实现水泥混凝土工业更高层次的节能减排，具有极其重要的理论价值和实际意义。本项目主要研究成果如下：.（1）建立了水化产物化学组成、微观结构与化学收缩的关系。与水泥熟料相比，矿渣的早期水化较慢，使水泥早期化学收缩有所降低。矿渣中的Al以取代Si的形式存在于水化产物结构中，导致水泥的后期化学收缩增加。.（2）揭示了未水化相数量及分布对水泥浆体体积变形的约束机制。未水化相对水泥浆体变形的约束作用主要取决于颗粒粒径（与约束力有关）和比表面积（与约束作用面积有关）。当未水化相粒径合适时，未水化颗粒具有较大的作用面积和约束应力，对浆体变形的约束作用最显著。.（3）阐明了水泥浆体结构形成过程与抗裂性能的关系。通过提高浆体初始堆积密度加速浆体骨架结构的形成以抵抗塑性阶段的变形，随辅助性胶凝材料大量水化使浆体逐渐密实、收缩应力均匀分布，从而提高复合水泥浆体的体积稳定性及抗裂性能。.（4）利用水泥熟料、辅助性胶凝材料在组成、水化特性等方面的差异，调控复合水泥浆体中水化产物和未水化相，从本质上改善复合水泥浆体的体积稳定性，仅采用25%水泥熟料制备了高体积稳定性复合水泥。.基于上述研究成果，课题组在Cement and Concrete Composites、Construction and Building Materials等本行业权威刊物上发表学术论文10篇（其中含SCI收录6篇），申请发明专利1项。研究成果获美国国家标准技术研究所（NIST）建筑材料首席科学家DP Bentz教授等国际知名专家的高度评价、认可和引用，并被国内外多家团队追踪。高体积稳定性复合水泥制备技术在山西省卓越水泥厂、西南水泥集团等推广应用，显著降低了水泥生产过程中资源和能源消耗，有力推动了水泥工业的可持续发展。