碱矿渣混凝土的CASH微纳观结构及自收缩机理.docx

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1、题目碱矿渣混凝土的CASH微纳观结构及自收缩机理Tit1eC-A-S-Hmicronano-structureandautogenousshrinkagemechanismofa1ka1i-activateds1agconcrete申请者邮箱单位申报项目摘要碱矿渣水泥收缩较大，比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，采用分子动力学计算C-A-S-H分子

2、结构的密度和力学性能。采用纳米压痕（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、砂浆和混凝土宏观徐变的关系，C-A-S-H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,whichiseasiertoc

3、ausethecrackingofconcrete.Thishasbecomeasabott1eneckofa1ka1i-activateds1agcementwide1yusedasastructura1materia1.Fromthemicronano-sca1e(C-A-S-Hmo1ecu1arstructureandge1),themu1ti-1eve1researchfrombottomtotopisexpectedtorevea1theautogenousshrinkagemechanismofa1ka1i-activateds1agcement.Basedontheinforma

4、tionaboutQn,Ca/SiandA1/Si,H2OS1obtainedfromMASNMR,SEM/EDXetc.,theinitia1structuresoftheC-A-S-Haredesigned,andthedensityandmechanica1propertiesofC-A-S-Hmo1ecu1arstructureareca1cu1atedbyamo1ecu1ardynamicsmethod.Theproportionof1DandHDC-A-S-Hge1andtheire1asticmodu1usandcreepcharacteristicsetc.aremeasure

5、dbyananoindentation(NI)techno1ogy.Ase1f-consistent(SC)mode1isusedtoca1cu1atethecompactnessoftheC-A-S-Hge1beforeandaftercreep.Usingchemica1thermodynamicsmethodandsuspensioncorrugatedpipemethod,etc,there1ationshipsbetweenthemicro-creepofC-A-S-Hge1andthemacro-creepofa1ka1i-activateds1agpaste,mortarandc

6、oncreteaswe11asthere1ationshipsbetweene1asticmodu1usandcreepofC-A-S-Hge1,porestructureandautogenousshrinkagearederived.Theautogenousshrinkagepredictionmode1ofa1ka1i-activateds1agconcreteconsideringthetypeanddosageofa1ka1i-activator,thetypesofs1agandcuringschemeisbui1t.关键词碱矿渣混凝土、C-A-S-H、微纳观结构、自收缩Keyw

7、ordsa1ka1i-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

8、放，加强高能耗行业能耗管控，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，混凝土的主要组成材料之一是硅酸盐水泥。据欧洲水泥协会的数据显示，2013年，全球硅酸盐水泥产量达到40亿吨，其中中国为24.2亿吨，占全球总产量的58.6%。生产1吨硅酸盐水泥大约排放约1吨的Co2,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。中国是发展中国家，大规模建设产生的固体废弃物堆积如山，堆放和填埋这些固体废弃物占用了大量的土地资源，并且会污染环境，对人民的身体健康和生活

9、质量造成了很大的影响。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%。如何在土木工程材料中充分消耗这些立磨矿渣粉，变废为宝，成为摆在我们面前急迫需要解决的问题。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82的排放,而且强度高、耐腐蚀，其抗冻性、抗渗性和耐火性等均优于硅酸盐水泥X,被誉为二十一世纪最具开发潜力的胶凝材料。然而，碱矿渣水泥收缩较大，比通硅酸盐水泥更容易造成浆体、砂浆或混凝土的开裂刀，这成为制约这一类胶凝材料作为结构材料被广泛应用的“瓶颈”叫材料的宏观性能源自于材

10、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的水化产物中，水化硅酸钙（CS-H）占6070%3。】。对于碱矿渣水泥基材料，其水化产物不含氢飙化钙矿渣是硅铝酸盐物质，含A1较多，因此文献12将碱矿渣水泥基材料的主要水化产物称为水化硅铝酸钙（C-A-S-H）（占水化产物总的80以上网）这使C-A-S-H成为碱矿渣水泥基材料的“基因”，对其宏观性能有重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（C-A-ST分子和凝

11、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影响机理，为碱矿渣混凝土的大规模推广（包括建筑工业化等）应用铺平道路，1.2 国内外研究现状及发展状态（1）碱矿渣混凝土自收缩研究进展1）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，配以一定的碱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用。自收缩是一种不考虑温度变化、外荷载与约束作用，在与外界没有水分交换情况

12、下的宏观体积收缩，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自干燥收缩引起“旬。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（1eChate1iercontracuon）【叽是自干燥收缩的根源同。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。由于碱矿渣凝胶体孔径细化，中孔（直径为2nm50nm）较多,脱水后产生的毛细孔张力大加，且碱矿渣水化产物硅凝胶的含较多，缺少结晶状物质对收缩的限制作用叫所以碱矿渣水泥的自收缩大于

13、硅酸盐水泥的，且是其总收缩的主要组成部分w。然而，“碱矿渣水泥的中孔比硅酸盐水泥的多”这个机理尚未有人揭示，这需要从微纳观层次开展研究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,国内外学者存在争议。SakU1iCh等1用、Cartwrigh1等岫及郑娟荣等囹等均认为碱矿渣水泥的化学收缩小于硅酸盐水泥的。廖佳庆W1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；当碱组分为水玻璃时，其收缩量比硅酸盐水泥的小。Chen等【采用建立的化学热力学计算理论，计算了碱矿渣水泥的化学收缩，认为其化学收缩大于硅酸盐水泥的。顾亚敏等冏认为该理论设定的水化产物值得商榷，

14、且需要测定水化产物的密度。ThOmaS等-22采用小角度中子散射仪（Sma1I-ang1eneutronscattering）测定的碱矿渣水泥最主要水化产物CA-S-H密度为2.730.02gcm3,并采用文献建立的化学热力学计算理论进行重新计算，发现碱矿大约是硅酸盐水泥（56cnIOOg）的2倍。图2C-S-H凝胶及凝胶孔渣水泥的化学收缩是（12.21.5）cm3/IOOg,I-玻璃瓶；2-中心穿孔胶塞；3量管；4-碱矿渣水泥浆体;5-溶液；6-502胶密封处；7-液体机油覆盖面;图1化学收缩实验装置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11,18-20均采用了美国ASTMCI

15、608-07的方法冈，而该方法是采纳了1982年Geiker等同针对硅酸盐水泥提出的化学收缩测试方法（图D，其基本原理是外界液体（水M24或机油20J）进入水泥浆由于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，中孔或凝胶孔比硅酸盐水泥胶凝体的多（文献口8和25分别认为凝胶孔为小于2nm和1.8nm的孔，文献26则认为C-S-H凝胶颗粒大小约为5ran,凝胶孔应是C-S-H凝胶颗粒包围的孔，应小于5nm（图2）；文献11认为在小于2.5nm的孔中不能形成毛细管寄液面

16、。所以可以认为部分凝胶孔和部分毛细孔形成中孔，对碱矿渣混凝土的自干燥收缩产生重要影响，而小于2.5nm的凝胶孔主要是通过徐变来影响自收缩。然而这些研究成果均是针对C-S-H凝胶的，对于C-A-STi凝胶，中孔和凝胶孔的界限需进一步通过研究确定），外界液体并不容易进入中孔或凝胶孔来消除自干燥收缩U2U。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8认为硅酸盐水泥密度通常在3.15gc?左右，而矿渣的密度通常在2.9gc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的；它认为这种推算结果之所以与采用美国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