硅酸二钙的结构参数与水化活性的关系

The increase of dicalcium silicate content in cement clinker not only leads to less natural resource and energy consuming, but also leads to carbon dioxide emission decreasing during the manufacturing process of cement clinker, as well as brings with more durable concrete which profits from low heat releasing and less portlandite formation. Therefore, low carbon cements with high content of dicalcium silicate are becoming a future option of international cement industry. However, Application of such cements is limited by the low early strength, which mainly because of the lower hydraulic reactivity of dicalcium silicate, and this situation needs to be overcome urgently. Relationship of structure and hydraulic reactivity of dicalcium silicate involved little in former investigation since there weren't enough advanced equipments and softwares. As a result, the influence of structural parameters on the hydraulic reactivity of dicalcium silicate with or without doped ions is still undiscovered and theory guide lacks in the activation of dicalcium silicate. This project aims to obtain structural parameters and reactivity data of dicalcium silicate with different foreign ions preparation process, using modern testing tools, such as high temperature XRD with good accuracy, high-resolution solid state NMR, and scientific programs that achieves Rietveld structure refinement analysis, computational methods of quantum chemistry. Relationship of structural parameters and hydraulic reactivity will be acquired with linking the data with scientific method, and activation method of dicalcium silicate will be proposed under the guiding of the relationship.

提高水泥熟料中的硅酸二钙含量，不仅可以减少水泥熟料生产过程中石灰石消耗和二氧化碳排放，而且可降低熟料烧成热耗，对混凝土耐久性提高也有有利作用。以硅酸二钙为主要矿物组成的低碳水泥成为近年来国际水泥发展的重要方向之一。然而，硅酸二钙水化活性较低制约着以硅酸二钙为主要矿物组成的低碳水泥的应用和发展，提高硅酸二钙的水化活性是该类水泥发展应用急需解决的问题。受研究条件和分析方法的制约，前人对于硅酸二钙的研究很少涉及结构与水化活性关系，以致于硅酸二钙晶体结构参数及其变化如何影响水化活性尚不明确，在硅酸二钙的活化研究缺乏系统的理论指导。本项目拟利用高精度粉末衍射、高分辨固体核磁共振等材料测试手段以及Rietveld结构精修等解析方法，获得离子固溶和工艺参数对硅酸二钙结构参数的影响规律，并与通过理论计算和实验测定得到硅酸二钙的水化活性相关联，建立硅酸二钙结构参数与活性的关系，并以此指导硅酸二钙的活化调控。

硅酸二钙是一种具有低消耗、低排放的水泥熟料矿物，发展以硅酸二钙为主要矿物的低钙水泥是水泥工业可持续发展的重要方向。本项目针对硅酸二钙早期水化活性较低的问题，通过对不同晶型硅酸二钙的晶体结构及水化活性、离子掺杂和重要工艺参数对硅酸二钙晶体结构以及水化活性的影响规律及机理开展研究，找出了影响硅酸二钙水化活性的关键结构参数，建立关键结构参数与水化活性的关系，指导以硅酸二钙为主要组成矿物的低钙水泥的制备。.研究发现，不同晶型的硅酸二钙在结构上的主要差别在于阳离子配位数和Ca-O键键长不同，从低温晶型γ型到高温αH’型，Ca离子配位数及Ca-O键键长是逐渐增加的，由此导致了Ca-O键结合力逐渐减弱，在受到质子攻击的时候更加容易断裂而发生水化反应，因而水化活性提高。掺杂适当的金属阳离子和非金属离子团可以提高硅酸二钙的活性，但二者对活性影响的机理是不同的。金属阳离子如Ba2+等掺杂进入硅酸二钙结构后，取代Ca2+的位置，同时使得阳离子配位数增加的M-O键键能降低，水化活性增加。与阳离子不同，非金属阳离子掺杂进入硅酸二钙结构后取代[SiO4]中的Si，如S6+占据Si4+的位置后发生不等价取代，使得结构中形成了四面体以外的O即自由O，自由O具有较高的与水发生反应的能力因而导致活性提高。工艺参数如煅烧温度及冷却速度在单独作用时对硅酸二钙结构影响较小，但是与外来离子共同作用时对结构有更加显著的影响。离子掺杂的硅酸二钙制备过程中，1400℃以上的煅烧温度和快速冷却能使硅酸二钙更多的保留高温下的结构，从而对其水化有利。.在上述理论的指导下，通过掺杂制备得到的硅酸二钙含量约为45%的低钙硅酸盐水泥熟料的3天强度达20MPa，28天强度高达70MPa，早期接近普通水泥，后期大大超过普通水泥，具有在土木建筑工程领域广泛的应用前景。.项目发表了学术论文4篇，申请国家发明专利2项。