碱矿渣混凝土的CASH微纳观结构及自收缩机理1.docx

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1、题目碱矿渣混凝土的CAS-H微纳观结构及自收缩机理C-A-S-Hmicronano-structureandautogenousshrinkagemechanismofa1ka1i-activateds1agconcrete摘要碱矿渣水泥收缩较大，比通硅酸盐水泥更容易造成混凝土的开裂，这已成为制约其作为结构材料被广泛应用的“瓶颈*从微纳观尺度（C-A-S-H分子结构和凝胶）自下而上多层次开展研究，有望揭示碱矿渣水泥自收缩机理。从MAS-NMR、SEMzEDX等获得Qn、Ca/Si、A1/Si.H2OSi等设计C-A-S-H初始结构，采用分子动力学计第GA-S-H分子结构的密度和力学性能。采用纳

2、米压痕（ND技术获得1D和HDC-A-S-H凝胶比例及其弹性模量和徐变特性等。采用自融洽（SC）模型计算徐变前后的C-A-S-H凝胶密实度。采用化学热力学、JCnningS模型及悬挂波纹管法等，建立C-A-S-H凝胶微观徐变与碱矿渣净浆、砂浆和混凝上宏观徐变的关系，CA-SH凝胶弹性模量、徐变及孔结构等与自收缩的关系，以及考虑激发剂类型和掺量、矿渣类型、养护制度等的碱矿渣混凝土自收缩预测模型。AbstractTheshrinkageofa1ka1i-activateds1agcementisbiggerthanthatofPort1andcement,whichiseasiertocauset

3、hecrackingofconcrete.Thishasbecomeasabott1eneckofa1ka1i-activateds1agcementwide1yusedasastructura1materia1.Fromthemicronano-sca1e(C-A-S-Hmo1ecu1arstructureandge1),theinu1ti-1eve1researchfrombottom(0topisexpectedtorevea1theautogenousshrinkagemechanismofa1ka1i-activateds1agcement.Basedontheinformation

4、aboutQn.Ca/SiandA1/Si.H2OSiobtainedfromMASNMR,SEM/EDXc1a1.,theinitia1Struc1uresofIhcC-A-S-Harcdesigned,andthedensityandmechanica1propertiesofC-A-S-Hmo1ecu1arstructurearcca1cu1atedbyamo1ecu1ardynamicsmethod.Theproportionof1DandHDC-A-S-Hge1andtheire1asticmodu1usandcreepcharacteristicseta1.aremeasuredb

5、yananoindentation(NI)techno1ogy.Ase1f-consistent(SC)mode1isusedtoca1cu1atethecompactnessoftheC-A-S-Hge1beforeandaftercreep.Usingchemica1thermodynamicsmethod.Jenningsmode1andsuspensioncorrugatedpipemethod,etc.there1ationshipbetweenthemicrocreepofC-A-S-Hge1andthemacrocreepofa1ka1i-activateds1agpaste,m

6、ortarandconcrete,andthere1ationshipbetweene1asticmodu1usandcreepofC-A-S-Hge1,porestructureandaU1ogcnousshrinkage,andtheautogenousshrinkagepredictionmode1ofa1ka1i-activateds1agconcreteconsideringthetypeanddosageofa1ka1i-activator,thetypesofs1agandcuringschemeeta1.arebui1t.关键词碱矿渣混凝土,C-A-S-H,微纳观结构，自收缩a

7、1ka1i-activateds1agconcrete,C-A-S-H,micronano-structure,autogenousshrinkage正文：参照以下提纲撰写，要求内容翔实、清晰，层次分明，标题突出。请勿删除或改动下述提纲标题及括号中的文字。（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）：1 .项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义：或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）；1.1 立项背景中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议指出：“主动控制碳排放，加强高

8、能耗行业能耗管控，有效控制电力、钢铁、建材、化工等重点行业碳排放，支持优化开发区域率先实现碳排放峰值目标，实施近零碳排放区示范工程。”混凝土是世界上用量最大的建材产品川，混凝土的主要组成材料之一是水泥。全球每年生产约33亿吨的硅酸盐水泥，生产I吨硅酸盐水泥大约排放约1吨的CO2（图Ia）,消耗45GJ的能源；水泥行业是第3大温室效应的影响者（占58%）,消耗5%全球能源以此外，截至2013年12月，国内立磨矿渣粉产能已达到1亿3400万吨；2015年以后，预计总产能将高达2.3亿吨，年均增长超过20%（图1b）.（a）水泥生产过程排放的CO?（b）堆积如山的矿渣（O建筑工业化图I碱矿渣混凝I:

9、的环保效益及应用前景碱矿渣水泥体系是乌克兰基辅建筑工程学院工学博士VDG1ukhovsky于1957年创立。碱矿渣水泥不仅能生利用工业废料（如矿渣）、降低能源消耗和遑室气体CoJ的排放,而且强度高、耐腐蚀，其抗冻性、抗渗性和耐火性警均优于硅盐水泥Sj,被誉为二十一世纪具开发漕力的胶茶材料.然而，球矿渣水泥收缰较大,Jii硅1水泥星度易造成桨体、上浆蝴凝土的开裂n,ji已成为制约这二类班材料作为廓内材IB横亡泛应用的“3T国材料的宏观性能源白了材料的微纳观性能。当研究进入微纳观尺度时，都可以归结为微观粒子（如分子、原子、电子、离子等）间通过共价健、离子键和氢键等的相互作用。在硅酸盐水泥基材料中的

10、水化产物中，水化硅酸钙（C-S-H）占6070%以豆对于碱矿渣水泥事材料，由于矿渣是硅始峥物JR,其水化产物中不含氢氟化括由于铝的作用，C-ST转化为水化硅常峻钙（O-A-ST）,其占水化产物的80以上.这使C-A-ST成为哪矿渣水泥基材料的“基因”，对其宏观性能有值要影响采用核磁共振（NMR）和纳米压痕（NI）等测试技术，结合分子动力学（MD）和化学热力学等分析技术，从C-A-S-H微纳观（CA-S-H分子和凝胶）层次开展研究，有助于揭示激发剂类型和掺量、矿渣类型和养护制度等对碱矿渣水泥基材料自收缩的膨响机理，为碱矿渣混凝土的大规模推广（如建筑工业化（图1o）应用铺平道路12国内外研究现状及

11、发展状态（1）碱矿渣混凝土自收缩研究进展I）自收缩及其机理碱矿渣水泥是以磨细的水淬高炉矿渣和其它冶金渣为固态分散相，配以一定的减组分而组成的一类新型的胶凝材料。以碱矿渣水泥为基础的混凝土.称为碱矿渣混凝土U1碱矿渣混凝土的收缩主要来自碱矿渣浆体的收缩，根据产生收缩的不同机理可分为塑性收缩，化学收缩，自干燥收缩，干燥收缩，温度收缩和碳化收缩等B81。自收缩是种不考虑温度变化、外荷载与约束作用，在与外界没有水分交换情况下的宏观体枳收缩，在硬化前（塑性阶段）主要由化学收缩引起，在硬化过程中主要由白干燥收缩引起E1硬化前的化学收缩不会引起混凝土开裂，而硬化过程的化学收缩主要产生混凝土内部的孔隙（RCh

12、ate1iercontraction）,5,是自干燥收缩的根源网。自收缩还与硬化浆体组成、孔结构和刚度或变形性能有关。在相同的化学收缩的情况下，平均孔径越小，自干燥引起的毛细管压力越大，自收缩越大：硬化浆体的刚度大或变形性小，则自收缩小凶。由于碱矿渣浸胶体孔径细化，中孔（亶径为2nm50nm）较多,脱水后产生的毛细孔压力大侬，且哪矿渣水化产物硅发胶的含置较多，缺少结晶状物质对收缩的限制作用叫所以矿渣水泥的自收缩大于硅酸盐水泥，且是其总收缩的主要组成部分Im然而,球矿流水泥的中孔比硅限盐水泥的多，理尚未有人研究，需从彼纳观层次开展深入研究2）化学收缩关于碱矿渣水泥的化学收缩是否大于硅酸盐水泥，国

13、内外学者存在争议。SakUIiCh等I网、Cartwrighi等网及郑娟荣等同等均认为碱矿渣水泥的化学收缩小于硅酸盐水泥.廖佳庆W研究表明，当碱组分为NaOH时，碱矿渣水泥28d龄期的化学收缩与硅酸盐水泥的相当：当碳组分为水玻璃时，其收缩量比硅酸盐水泥的小，Chen等12采用建立的化学热力学计算理论，计算了碳矿渣水泥的化学收缩，认为其化学收缩大于硅酸盐水泥的。顾亚敏等网认为该理论设定的水化产物值得商榷，且需要测定水化产物的密度。ThOmaS等馍1采用小角度中子散射仪（SmaH-ang1eneutronSCaUering）测定了碱矿渣水泥最主要水化产物C-A-S-H的密度为2.73O.O2gcm

14、3,并采用文献12建立的化学热力学计算理论进行重新计算，发现碱矿渣水泥的化学收缩是（12.215）cm-,100g,大约是硅酸盐水泥（5-6cm3100g）的2倍。存在争议的原因可能是因为化学收缩测试方法的问题。文献111，18-20均采用了美国ASTMC1608-07的方法内，而该方法是采纳了1982年Geiker等固针对硅酸盐水泥提出的化学收缩测试方法（图2）,其基本原理是外界液体（水刈或机油同）进入水泥浆化学收缩产生的毛细孔，一方面消除自干燥收缩，另一方面填充该孔隙，使量管的液面下降,通过读取量管的液面高度差来获得化学收缩值。然而，碱矿渣胶凝体凝结硬化快，产生的孔结构比较致密，凝胶孔比硅

15、酸盐水泥胶凝体的多，文献18和25分别认为M孔为小1应是C-SH于2n和1.8m的孔.文*26则认为O-S发胶粒大小均为发胶*粒包围的孔，应小于5m（图3）；文11认为在小于2.5m的孔中不能形成毛姐弯液Bh所以可以认为部分规胶孔和毛细孔形成中孔，对碱矿渣潮土的自干餐收编产生重要影响，而小于2.5m主要是通过椽变来影嘀自收缩然而这按研究成果均是针对O-S-H盘腔，对于C-A-S-H脆,中孔:孔的界限需进一步确定），外界液体并不容易SnmCa1ciumevtswttOH-9KImefte1erSIMKgWePhniCaOyboundH3OAdMXtXUHWH2OgIaJnmpores图2化学收缩

16、实验装置图3CS-H凝胶及凝胶孔进入毛细孔来消除自干燥收缩口221这有可能是导致采用该方法测碱矿渣胶凝体化学收缩偏小的原因。文献的认为硅酸盐水泥空度通常在3.15gcn左右，而矿渣的密度通常在2.9gcn左右，小于硅酸盐水泥密度，如果完全水化时两个系统形成的水化产物密度接近，则碱矿渣胶凝材料的化学收缩应大于硅酸盐水泥;它认为这种推尊结果与采用美国ASTMC1608-07方法试验结果不吻合，有可能是因为两个系统水化产物的密度有较大差别。然而，文献22通过小角度中子散射仪测得的结果发现，碱矿渣胶凝体中C-A-S-H的密度与普通硅酸水泥胶凝体中的C-S-H密度接近：因此破矿渣胶茶材料的化学收缩可能的确大于硅