γ型硅酸二钙碳化机理与调控及其应用基础研究

Generation of γ-C2S in Portland cement production is avoided because of its low hydration activity, and the related fundamental research draws almost no attention for ages. However, γ-C2S has relatively high carbonation activity, whose carbonation reaction principle and reaction product are different from other silicate minerals of high hydration activity, and the carbonation makes its volume 1.75 times bigger. Thus, a new method of improving concrete permeation and carbonation resistance will be developed when γ-C2S is incorporated in concrete and its carbonation advantage is made full use of. However, the mechanism and carbonation properties of γ-C2S are still not clear for now, and the carbonation property of γ-C2S is not well stimulated. Hence, this project will be focused on the mechanism and influence factors of γ-C2S carbonation. The relationship between the crystal structure and chemical activity will be established by material calculation and simulation. The mechanism to improve the durability of modified concrete by γ-C2S will be investigated by the microstructure analyzing. The reactivity of γ-C2S in concrete is to be improved by mechanical activation and ion doping which can modify γ-C2S. Exploring at the same time, the use of γ-C2S to increase the supersulphated cement’s early strength and carbonation resistance, as well as the hydrothermal synthesis and low temperature firing of γ-C2S, will be explored. Thus, the practical application of γ-C2S modified high durability concrete will be promoted to provide theoretical guidance and technical support for building materials.

γ型硅酸二钙（γ-C2S）的水化活性低，是水泥生产有意避免的熟料矿物。但γ-C2S具有较高的碳化活性，这一特性长期未受足够重视与研究，利用其碳化反应活性高、反应生成球霰石等晶型碳酸钙体积增加的特点，将其用于混凝土改性，有望开辟一条提高混凝土密实性和耐久性的新途径。项目针对γ-C2S碳化反应机理及混凝土改性作用机制等科学问题，研究反应条件、晶体结构等因素对γ-C2S碳化反应特性的影响，应用材料计算方法，建立γ-C2S晶体结构和化学活性的关系，揭示γ-C2S碳化反应热动力学；研究机械活化和离子掺杂改性γ-C2S的反应活性，探索γ-C2S低温烧成制备方法；研究γ-C2S颗粒特征、掺量及成型和养护参数对混凝土性能的影响规律，探索γ-C2S改性混凝土制备工艺；系统研究γ-C2S改性水泥与混凝土的微观结构，揭示γ-C2S提高混凝土耐久性的作用机制。项目为推动γ-C2S的应用提供理论依据与技术支撑。

现有混凝土材料以水泥与水的水化反应为强度形成机制，以C-S-H凝胶为胶结相，存在强度发展慢、体积与耐久性能稳定性差等缺点，极大限制了混凝土材料在深远海等严酷服役环境的应用。本项目提出以γ-C2S为胶凝组分，通过与CO2气体的碳化反应为驱动机制，快速形成以高稳定、高耐蚀碳酸钙晶体为主要胶结相的基体结构，并以此提出基于γ-C2S的ELS（Engineered LimeStone）新型人工岩石材料。项目的主要研究内容包括：硅酸钙的碳化反应热动力学及其胶结体微结构，基于γ-C2S的ELS材料的设计与制备，基于γ-C2S的ELS材料结构调控与性能提升机制以及ELS材料的结构-功能一体化设计与制备。项目经过四年研究，实现了项目计划任务书设定的研究目标，达到了预期目的。发表学术论文12篇，申请国家发明专利7项，授权2项，并基于ELS材料研究成果实现技术转化。项目取得的重要结果如下：（1）揭示了硅酸钙矿物碳酸化固化机理，探明了硅酸钙碳酸化胶结体的微结构形成机制，基于修正的缩核模型与经验模型建立了碳酸化反应动力学方程，形成ELS材料设计制备的理论基础；（2）提出ELS材料理想结构设计模型，探明水膜厚度和硅酸钙颗粒间距系数计算方法，通过优化成型与养护参数制备出高性能的ELS材料，揭示了其组成、结构与性能的关系；（3）提出基于离子掺杂活化、钙离子溶出速率与碳酸钙结晶度调控以及微生物原位碳化增强的ELS材料结构与性能提升机制，显著提升了ELS材料关键性能；（4）通过引入不同功能组分，并对复合结构进行优化设计，开发出压电、疏水等复合材料以及钢渣粉等工业固废安全处置技术，极大扩展了ELS材料的应用领域；基于上述研究，项目发表学术论文11篇，申请国家发明专利7项，授权2项，并基于ELS材料的研究成果，开发出绿色装饰板材、固废协同处置技术，并成功进行了技术转化。项目研究成果对混凝土材料在严酷环境的安全服役提供了重要技术途径。