纳米贝利特水泥的设计与耐久性研究

In recent years, government and technitions have been paying intensive attention to the sevice life and reliability of concrete. To decrease the degradation of impermeability and shrinkage caused cracking by rapid heat evolution in early age, a noval nano belite cement material was developed. The nanocement consists of nanosized C2S particles to fill out the pores in concrete and form a dense structure, and thus to increase the sevice life of concrete. The nanocement is manufactured with a chemical combustion method. This project will systematicly adjust and optimize the fabrication parameters (content of reactants, temperature, cooling rate, etc) to achieve a controllable composition of the nanocement. The hydration mechanism of nanocement will be studied through mearsuring the reactivity and chemistry of hydrated products. High performance concrete will be prepared using the nanocement additive. The proportion of nanocement will be varied from 5% to 10% to assess its influence on the durability of concrete. The goal is to use the nanocement material to improve the impermeability of the concrete and therefore increase the service life.

混凝土结构的寿命和可靠性问题受到了世界各国政府、专业技术人员的高度重视。发展高性能混凝土、研究提高混凝土工程耐久性能的方法和途径，具有重大的现实意义。针对目前混凝土中高孔隙率引起的抗渗性劣化和早期高水化热引起的干缩、开裂等问题，制备了一种纳米贝利特（Belite）水泥材料，利用低水化热的纳米硅酸二钙颗粒填充高性能混凝土中的孔隙，从而实现提高钢筋混凝土耐久性的目的。纳米贝利特水泥利用化学燃烧技术制备，通过系统改变制备参数（各反应物含量、反应温度、冷却速度等），优化制备参数，实现纳米水泥成分的可控；探讨纳米贝利特水泥的水化机制，研究当传统水泥中硅酸二钙成分的尺度从亚毫米量级降低到纳米量级时，对水化速度和产物的影响；研究不同掺量的纳米贝利特水泥（5%~10%）对于高性能混凝土耐久性的影响，最终实现利用纳米水泥材料提高混凝土的抗渗性、延长使用寿命的目标。

本项目针对目前混凝土中高孔隙率引起的早期高水化热引起的干缩、开裂等问题，制备了一种纳米贝利特（Belite）水泥材料，系统研究了纳米贝利特水泥的制备、水化机理以及对高性能混凝土力学性能和耐久性的影响，完成并取得了以下研究成果。.（1）采用化学燃烧的方法，系统研究了反应物（石灰石、微硅粉）和燃料的配比对贝利特水泥组分的影响，并结合相图，利用XRD定量分析了反应物比例与生成物之间的对应关系。实验发现，反应物比例对生成物组分的影响与相图预测基本吻合。为了得到有效成分比较高的纳米贝利特材料，应该对初始配方中的原料比例进行调整，使得原料中的等效CaO的含量应该在60-70%。对于燃料来说，减少50%的燃料（硝酸，尿素，水），对超细贝利特水泥的最终组成无显著影响。通过减少约50%的燃料，在保证有效贝利特成分的前提下，大大节省了生产成本以及对环境的污染。.（2）通过激光粒度仪、SEM等方式确定了纳米贝利特颗粒的粒径为几百个nm两级；所生产的贝利特水泥主要为有水化活性的、α、以及α’型，符合水化活性要求。通过降低颗粒粒径，其水化速度比起传统的硅酸二钙大大提高，转化为高密度的水化产物的时间比普通硅酸盐略慢；水化产物以铝箔状的C-S-H为主，但CH成分大大减少，这对于提高此种水泥的耐久性有利。另外，钙硅比比起传统硅酸盐水泥有所降低。.（3）在高性能混凝土中掺入5%纳米贝利特水泥材料，其抗碳化性能提高。这可能与纳米贝利特水泥材料改善高性能混凝土的孔隙结构，使得其微结构更加致密有关。5%的掺量，使得高性能混凝土的干燥收缩率降低了7%，抗压强度提高约10%。 因此，此纳米贝利特水泥具有改善高性能混凝土性能的潜力。从SEM显微照片中可以发现，与OPC的水化过程相比，纳米贝利特的水化速度相对较慢，原因是其主要成分为可以延缓水化反应的C2S。此结果导致了初凝和终凝时间的延长，但其强度发展满足高性能混凝土最基本的强度要求。.（4）研究成果已经发表学术论文11篇，其中SCI收录9篇，EI收录1篇，中文核心期刊1篇；获得国内发明专利2项，国内专利已申请在实质审查阶段2项，国际专利取得PCT 1项。培养硕士生2名（在读）。