非晶态水化硅酸钙接触硬化胶凝性能的机理研究

项目以非晶态分散物质接触-缩聚-硬化的机理为研究目标，以水热合成制备的非晶态水化硅酸钙粉体为研究对象，拟在成型-磨细-再成型的循环压制块体材料的过程中，通过测定每次压制时非晶态水化硅酸钙粉体的放热量、与成型后块体材料的微观形貌及其物理力学性能建立联系,探讨非晶态水化硅酸钙粉体接触硬化胶凝性能的机理。拟解决的关键问题是：①设计测量非晶态水化硅酸钙粉体接触-缩聚过程中放热量的装置；②找到区分成型过程中非晶态水化硅酸钙粉体摩擦放热量与接触-缩聚放热量的方法，量化非晶态分散物质所具有的接触-缩聚能力。项目研究成果将加深对非晶态分散物质接触-缩聚-硬化现象和机理的认识，并为接触硬化人造石工艺方法提供理论基础。

针对非晶态分散物质的接触-缩聚-硬化性能，以动态水热合成的非晶态水化硅酸钙(C-S-H)纳米粉体为研究对象，对其在不同的成型压力下进行压制成型，且通过成型-磨细-再成型的循环压制，测定每一个循环周期成型试块的物理力学性能并分析其微观结构的变化，同时与结晶良好的物质（如石灰石粉、石英粉及滑石粉等）的压制成型性能进行对比。微观测试表明所合成的粉体是结晶度为9~99%的非晶态或者纳米晶体结构的水化硅酸钙，具有巨大的比表面积。为探讨水化硅酸钙接触硬化胶凝性能机理，设计了一套由模具和多通道无线测温系统组成的装置,通过测量粉体在压制成型过程中放热温升，考察粉体在压制成型过程中的能量变化、缩聚结构键的形成。实验结果表明：非晶态水化硅酸钙粉体具有良好的接触硬化性能，其成型试块具有较高的强度和良好的耐水性，初步建立了成型压力、粉体结晶度与抗压强度之间的定量关系；在成型过程中粉体发生接触-缩聚-硬化并释放大量的热，40MPa成型压力下热力学焓变为860.72J/mol；建立了 C-S-H接触-缩聚-硬化的结构模型，从能量转换和接触类型角度阐述了非晶态水化硅酸钙接触硬化胶凝性能的机理：粉体颗粒由层状结构的C-S-H基本单元和凝胶孔组成，在外力作用下，颗粒互相靠近产生凝聚接触，形成结构键，并释放出热量，成型试块立即具有较高的强度和良好的抗水性。随着循环成型次数的增加，放热量逐渐减少，凝聚接触逐渐转换为结晶连生接触，抗压强度降低，结构有序度提高。. 在上述研究基础上，针对以工业生产的水化硅酸钙、钢渣及废弃混凝土砂浆组分为主要原料制备的非晶态水化硅酸钙的接触硬化胶凝性能进行了验证及拓展研究。实验结果表明，所制备的粉体均符合上述接触-缩聚-硬化规律，可制备出轻质、高强具有良好抗水性的人造石材。此外，通过动态水热合成制备的纳米水化硅酸钙可取代33%的白炭黑作为硅橡胶的增强填料，达到了通用型硅橡胶的使用要求。. 本项目的研究成果量化了非晶态分散物质接触-缩聚的能力，加深了对其接触-缩聚-硬化机理的认识，为这一全新的轻质、高强人造石材制备方法提供了理论基础，并为拓宽固体废弃物的综合利用提供了一个新的途径。. 目前已发表EI收录论文4篇，CSCD收录论文1篇，已录用待发表论文1篇（SCIE期刊），申请并授权发明专利两项，培养各层次学生9人。