低湿度条件下含有钙矾石的水化产物中 结晶水的稳定性研究开题报告

1. 研究目的与意义

1.1 研究背景及研究历程

水化硫铝酸钙，最初是莱曼（lehman）于1847年在西德莱茵兰州的ettringen发现的天然矿物，组成为ca₆al₂(so₄)₃(oh)₁₂·26h₂o,取名为“ettringit”即钙矾石。1890年法国的坎得洛特（candlot）在水泥水化后发现该矿物，并从饱和铝酸钙溶液和硫酸钙溶液混合而得。表示其组成为3 cao·al₂0₃·2.5caso₄·59h₂o, 称“坎得洛特盐”。1892年德国化学家米哈埃里斯（michaelis）用人工方法合成，人为在硫酸上面干燥后的化学式为3cao·al₂o₃·3caso₄·30h₂o。经后人继续研究，定其组成为3cao·al₂o₃·3caso₄·31～32h₂o，称为三硫酸盐型或高硫酸盐型的水化硫铝酸钙。

钙矾石是一种无色到黄色的钙铝硫酸盐矿物，其化学分子为3cao·al₂o₃·3caso₄·32h₂o，其中结晶水的数量与所处环境有关。钙矾石是绝大多数补偿收缩水泥、膨胀水泥和自应力水泥的主要水化相和膨胀源,是常用硅酸盐水泥和铝酸盐水泥的重要水化产物。它之所以会产生膨胀,是因为其在形成过程中,结合和吸附了 31～32个水分子,其中点阵牢固结合水 6个 , 配位水 26个 , 使钙矾石的固相体积增大 125%左右; 同时 ,又由于其在水化硬化过程的结晶压力和吸水肿胀变形 ,这些膨胀变形在约束条件下则转化为对水泥石的自压应力 ,使水泥石结构具有较好的抗拉变形能力。但同时，钙矾石内的结合水、吸附水量却会随着环境温度、 湿度的变化而变化 , 引起水泥石自应力值的损失或丧失。

2. 研究内容和预期目标

本课题主要研究Ⅱ型硅酸盐水泥与不同掺量的uea及硫铝酸盐水泥和不同掺量的石膏所生成的钙矾石，研究其在低温湿度条件下结晶水的失水情况。

水泥净浆标准稠度用水量，可用gb/t1346-2011（标准法）测定。称取500g水泥试样，按不变水量法拌和用水量为142.5ml,以此确定水灰比为0.28。

按照水泥净浆搅拌方法成型水泥净浆试件50组（每组6块），每种方案25组。试件尺寸为30×30×30mm,并将成型好的水泥净浆试件置于20±2℃的养护箱中进行标准养护14d。

3. 研究的方法与步骤

3.1 原材料及其性质的检测

原材料：P·Ⅱ52.5的硅酸盐水泥、膨胀剂（UEA型）、硫铝酸盐水泥及石膏

水泥细度：通过筛析法测得筛余量；

凝结时间及标准稠度用水量：根据GB/T1346《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》，用净浆搅拌仪拌制水泥净浆，并用维卡仪测定水泥的标准稠度用水量和凝结时间。所测P·Ⅱ52.5的硅酸盐水泥标准稠度用水量为162g,水灰比为0.27；硫铝酸盐水泥的标准稠度用水量为222g，水灰比为0.37。

3.2 具体方案配比

方案一： P·Ⅱ52.5的硅酸盐水泥 膨胀剂（UEA型）

方案二：硫铝酸盐水泥 石膏

方案一配合比：膨胀剂掺量分别为水泥质量的8%、10%、12%、14%。

表1 水泥净浆方案一配合比

方案二配合比：石膏掺量按水泥质量的1.8%、2%、2.2%、2.4%加入。

表2 水泥净浆方案二配合比

3.3 实验过程及描述

（1）测定Ⅱ型硅酸盐水泥及硫铝酸盐水泥的标准稠度用水量，确定水灰比。

（2）设定UEA掺量分别为水泥0、8%、10%、12%及14%，其中UEA掺量0为空白参照组。水泥及水用量一定。制备30×30×30mm的净浆试块25组，每组6块。拆模后在蒸养箱中标准养护14天，然后室温下自然养护14天。养护结束后将试块放置在烘箱内5--7天，通过设定温度及在烧杯内放适量水来控制低温低湿环境，用温湿度计来记录环境数据。在测试完相应龄期强度后取试块中心部分制备XRD衍射样，分析钙矾石失水规律。

（3）设定石膏掺量分别为水泥的0、1.8%、2%、2.2%及2.4%，其中石膏掺量0为空白参照组。水泥及水用量一定，制备30×30×30mm的净浆试块25组，每组6块。拆模后标准养护7天，然后室温下自然养护7天。养护结束后将试块放置在烘箱内5--7天并控制相应的温湿度，测试完试块相应龄期强度后取其中心部分制备XRD衍射样，分析钙矾石失水规律；

（4）用XRD、DTA、TG等微观结构分析工具观察水化样的图谱，总结钙矾石在低温湿度下的失水规律，给实际工程提供可行性建议；

为研究Ⅱ型硅酸盐水泥净浆试块中钙矾石结晶水的变化情况及强度规律，测试掺UEA试块的1、3、7、14及28天的强度，所测强度取每组6个试块，用压力机测其强度数值后取每块的中心部分，用无水酒精终止水化，留用做各龄期的水化样分析。

将标准养护及自然养护的两种净浆试块分别置于0-20%、20%-40%的湿度环境及40℃、50℃、60℃、70℃的四种温度环境下5-7d。由于一般的烘箱不能控制湿度，只能先固定温度，然后再相应控制湿度。拟采用在烘箱内放一盛水的烧杯，反复几次测试看能否到达0-40%的湿度范围。这是利用杯子里的水在高温下蒸发来提高烘箱内空气湿度 的办法，而蒸发量与杯子里水的上表面积有关，可以改变烧杯规格来控制蒸发量。同时可以调节烘箱排气量的大小，直至找到平衡点。

用光学显微镜观察试块外貌，对外观有裂缝的试块，制备水化样，借助DSC/TG、XRD等仪器分析含AFT水化产物中结晶水的稳定性及水化产物的热分解过程、矿物组成、形貌特征。

3.4水化样的制备过程

测试块的1、3、7、14、28天强度，取所测6块净浆试块的中心部分，用无水酒精终止水化后待用。需做微观分析时，把水化样置于40℃的烘箱中烘干，并用电磁磨磨成粉末状做XRD、TG/DSC的微观分析。

3.5微观测试方法的测试过程和条件

对水化样进行的微观测试包括XRD、DTA/TG分析，具体过程如下：将水化样磨成粉末后置于试模中，设定xrd旋转角度为5°--80°，设定相应的扫描速度，约20min一个样，记录相应的图谱曲线；热分析为取微量试样，置于热分析仪中，在升温过程中记录钙矾石的脱水曲线。对各体系水泥水化样进行总结并对低温下钙矾石结晶水的失水情况、对用防膨胀开裂的外加剂与预期效果相反的现象作出合理解释。

4. 参考文献

[1]臧浩宇,刘庆,王俊祥,等.水泥水化产物中钙矾石定量表征方法研究概况[j].硅酸盐通报,2018,37(8):2478-2482.

[2]乔春雨，倪文，王长龙，水化硅酸钙的合成与水泥化学热力学计算[j].硅酸盐通报，2013,32（5）：903-907,912.

[3]孙鼎宜，孙伟，刘志勇.钙矾石晶体热分解的动力学[j].硅酸盐学报，2007,35（12）：1641-1645,1656.

5. 计划与进度安排

第一周：收集课题相关文献资料，撰写文献综述；

第二周：拟定研究方案，准备各种原材料和实验试剂；

第三周：论文开题，撰写开题报告；