納-微米粒子改性快速反應(yīng)膠凝材料的研究.pdf

1、在現(xiàn)代高技術(shù)條件下的防空襲作戰(zhàn)中，國防工程的快速構(gòu)筑與軍用機(jī)場跑道等設(shè)施的搶修恢復(fù)是保證戰(zhàn)爭勝利的關(guān)鍵；在頻繁發(fā)生的地震洪澇等自然災(zāi)害中，災(zāi)區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的快速搭建關(guān)乎社會的穩(wěn)定。因此，必須高度重視以上國家重大特殊工程搶修搶建材料與技術(shù)的相關(guān)研究。在該類工程的搶修搶建過程中，通常要求在5~30min快速完成工程施工，在2小時~8小時即可快速服役，恢復(fù)工程使用功能，而傳統(tǒng)的搶修搶建材料很難滿足以上要求?；诖?，目前亟需研發(fā)一種集工作性能好、早

2、期強(qiáng)度高、環(huán)境適應(yīng)性廣等性能于一體的快速反應(yīng)膠凝材料。本文依托國家“973計劃”子課題（2009CB623201-1）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目（2013-YB-25），提出了開發(fā)納/微米顆粒改性硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥快速反應(yīng)膠凝材料（Fast Reaction Cementitious Materials with Portland Cement，簡稱PFCM；Fast Reaction Cementitious Ma

3、terials with Sulphoaluminate Cement，簡稱SFCM）的研究思路。系統(tǒng)研究流變組分、緩釋組分、納微米增強(qiáng)組分及其他功能組分對PFCM與SFCM流變特性、力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)和耐久性能的影響，探討了納/微米顆粒改性快速反應(yīng)膠凝材料的作用機(jī)理，為PFCM與SFCM的研究和應(yīng)用提供了理論支撐與應(yīng)用參考。
　　本文的主要工作及所取得的重要成果如下：
　　1、PFCM高流態(tài)、塑性階段精細(xì)可調(diào)及快速服役性能

4、的設(shè)計與實現(xiàn)
　　①研究了超塑化劑種類及摻量對 PFCM流變特性的影響，確立了聚羧酸系減水劑（PC）與PFCM相容性較好，且飽和點摻量為0.7％；研究了粉煤灰（FA）與納米TiO2（NT）摻量對PFCM初始流動度和30min流動度的影響，單摻1%、2%和3%NT可使PFCM初始流動度分別降低17.7%、24.6%和28.4%，降低幅度隨FA取代率的增大逐漸減小。NT與FA對新拌漿體30min流動度的影響規(guī)律與初始流動度相似。

5、>　?、贜T可顯著縮短PFCM的初凝和終凝時間，縮短幅度隨FA取代率的增大逐漸減小。復(fù)摻適量的FA與NT可有效調(diào)控初凝和終凝的時間間隔，當(dāng)FA摻量為20%時，摻入3%NT可使PFCM初凝和終凝時間間隔控制在45min以內(nèi)。
　?、厶剿髁薔T對PFCM力學(xué)性能與干縮性能的影響。復(fù)摻NT與粉煤灰可實現(xiàn)性能互補(bǔ)及優(yōu)勢疊加。當(dāng)NT摻量不小于2%時，所有試樣8h抗壓強(qiáng)度均達(dá)到10MPa以上。單摻NT使PFCM干燥收縮率增大，尤其在水化早期較

6、為明顯；FA可使PFCM干燥收縮率減小，當(dāng)NT摻量為0%、1%、2%和3%時，復(fù)摻20%FA可使PFCM水化90d的干燥收縮率分別減小7.7%、32.5%、36.2%和39.1%。
　?、芰繜嵩囼灲Y(jié)果表明，NT的摻入可使C3S的水化放熱速率峰值增大以及總放熱量增多。摻1%NT使C3S漿體的水化歷程出現(xiàn)初始遲滯現(xiàn)象，而摻入2%和3%NT時C3S漿體表現(xiàn)出凈加速效應(yīng)。
　?、莶捎肵RD、DSC-TG、NMR、SEM等微觀測試手段

7、揭示了NT影響PFCM水化的機(jī)制。即NT的摻入可促進(jìn)水化早期水化產(chǎn)物的結(jié)晶與析出；促使復(fù)合體系中粉煤灰的火山灰反應(yīng)加速并提前；復(fù)摻NT與粉煤灰可使硬化漿體微觀結(jié)構(gòu)變得致密、均勻，并顯著改善水泥砂漿的界面過渡區(qū)。
　　2、SFCM高流態(tài)、塑性階段精細(xì)可調(diào)、快速服役與高耐久性能的設(shè)計與實現(xiàn)
　?、俪芑瘎㏄C+C和緩釋組分BM的飽和點摻量分別為0.8%和0.3%，二者復(fù)摻可顯著改善硫鋁酸鹽水泥的流動性及有效控制硬化漿體的凝結(jié)時間

8、。摻入0.8%PC+C與0.3%BM可使SFCM初始與30min流動度均達(dá)到280mm以上，使SFCM初凝時間控制在45min以上。
　?、谝郧?yīng)力、塑性粘度和流動度作為評價指標(biāo)，研究了硅灰（SF）、納米SiO2（NS）和NT摻量對SFCM流變行為的影響。SF、NS與NT的摻入使得SFCM流變性變差，流動度經(jīng)時損失增大、凝結(jié)時間以及初凝和終凝時間間隔縮短。當(dāng)NS與NT摻量分別為2%和3%時，SFCM的初凝和終凝時間間隔均可控制在

9、20min以內(nèi)。
　?、凼状窝芯苛瞬煌B(yǎng)護(hù)溫度下NS與NT摻量對SFCM力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，NS與NT的摻入均可顯著改善SFCM的力學(xué)性能，尤其在水化早期。養(yǎng)護(hù)溫度為20℃時，摻入納米材料可使SFCM水化2h的抗壓強(qiáng)度均達(dá)到20MPa以上，較大摻量納米材料不利于水泥砂漿后期強(qiáng)度的發(fā)展，NS與NT的最佳摻量分別2%和3%；養(yǎng)護(hù)溫度低于20℃時，水泥砂漿28d抗壓強(qiáng)度隨NS/NT摻量增大呈增大趨勢，該趨勢隨養(yǎng)護(hù)溫度升高逐漸變的平

10、緩；揭示出控制 SFCM抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素在于NS與NT對AFt晶體析出速率的調(diào)控。
　?、茉?XRD、DSC-TG、NMR試驗基礎(chǔ)上協(xié)同 SEM分析，確定了材料體系中水化產(chǎn)物 AFt的相對含量、形貌及生長特點，并建立相關(guān)水化幾何模型，形象揭示了納微米改性硫鋁酸鹽水泥時漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程。
　?、菰赟FCM實現(xiàn)高流態(tài)和超早強(qiáng)的基礎(chǔ)上，引入抗裂劑AA與復(fù)合改性劑CM，優(yōu)化了SFCM的配合比設(shè)計，隨后探討了SFCM體積穩(wěn)定性