外来离子影响硅酸二钙水化及性能的研究

Dicalcium silicate is a low calcium cementititous mineral, which has lots of advantages such as more energy-saving, less resource-intensive as well as less CO2-emission than tricalcium silicate, which is the major phase of the traditional Portland cement. Therefore, low calcium cements (LCC), with dicalcium silicate as major constituent, is an important option of sustainable development for cement technology. But slow development of early performance is the main problem which handicaps the application of LCC. Great achievements have been made in modifying structure and reactivity by adding foreign ions. However, the influence of foreign ions on structure of C-S-H gel and microstructure of hardened paste are unknown. The relationship between foreign ions and the properties of harden paste is not clear, too. Aiming at the influence of foreign ions, which comes both from dicalcium silicate solid and hydrating medium, this project intends to investigate the influence of foreign ions on hydration and performance of dicalcium silicate. The interaction mechanism of foreign ions and dicalcium silicate hydration will be elucidated. The relationship between foreign ions and properties of hardened paste of dicalcium silicate will be understand. The results will not only help guide the manufacturing and application of LCC, but also enhance sustainable development of cement industry.

硅酸二钙是一种低消耗、低排放的低钙胶凝矿物，发展以其为主要矿物的低钙水泥是水泥工业降耗减排与可持续发展的重要方向之一。早期性能发展缓慢是这类低钙水泥所要解决的主要问题。采用外来离子活化硅酸二钙是提升该类水泥性能发展速度的最有效、最有前景的技术途径。然而，外来离子对硅酸二钙水化产物与浆体结构的影响尚不明确，外来离子与浆体性能之间缺乏科学的联系。针对结构固溶和水化介质等两种外来离子的引入方式，本项目拟采用原位分析技术、同步辐射结构测试技术等先进测试技术手段研究外来离子作用下硅酸二钙水化，阐明外来离子对硅酸二钙水化、产物结构与性能的影响规律及机理，建立外来离子与浆体性能之间的关系。项目研究成果将指导提高硅酸二钙的早期性能，促进以硅酸二钙为主要矿物的低钙水泥发展与规模化应用，为水泥工业降耗减排和可持续发展提供技术支撑。

项目选取含有水泥原材料中存在的典型离子的化合物作为离子掺杂源，主要为Na+、K+、Al3+、Fe3+、S6+，通过单独掺杂或复合掺杂合成纯度高于90%的β-C2S单矿，以制备的β-C2S为研究对象，将其分别在纯水溶液中和含有相同离子掺杂源的水化介质溶液中水化，研究外来离子对β-C2S的水化过程以及水化产物与浆体结构和性能的影响。通过外来离子内外活化相结合的方法，实现了硅酸二钙早期水化活性和力学性能的提升。研究发现Al3+掺杂β-C2S的早期水化活性最高，Na+和K+分别与S6+和Al3+复合掺杂β-C2S的水化活性较高，Na+、K+和Fe3+掺杂β-C2S的水化活性较低。各种掺杂的β-C2S在相应的水化介质中的水化放热速率加快，早期水化活性显著提高，浆体的水化程度增加。外来离子在高温结构固溶过程中进入到β-C2S的结构中，与制备的β-C2S在水溶液中浆体的水化产物相比，水化介质溶液中的水化浆体中更多的外来离子通过键合或吸附方式进入到C-S-H结构中，导致C-S-H的平均硅链长降低，聚合度降低，C-S-H的Ca/Si原子比改变，形貌发生显著变化。总体而言，通过内在活化-结构固溶和外在活化-水化介质两种方式引入外来离子相结合的方法，水化介质加速了β-C2S溶解和反应速率，促使β-C2S水化早期产物C-S-H和Ca(OH)2的结晶和沉淀速率，外来离子改变浆体结构，促使浆体结构更加密实，促进β-C2S力学性能的发展。通过研究证明偏铝酸盐溶液对硅酸二钙的早期水化活性提高具有显著的效果，该成果可用于指导选择合适的外来离子提高硅酸二钙及以其为主要组成的低钙水泥的性能，以及高贝利特含量的低钙水泥的应用具有重要意义。