外加剂对硫铝酸盐水泥负温性能影响及作用机理研究

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随着绿色建材以及碳中和碳达峰等政策的不断推行,硫铝酸盐水泥作为一种低碳水泥受到国内外学者的广泛关注。与硅酸盐水泥相比,硫铝酸盐水泥具有较高的早期强度和较快的水化速率,并且可以在-5℃下持续水化。因此硫铝酸盐水泥是冬期施工、抢修补漏等工程中理想的胶凝材料。然而硫铝酸盐水泥开发的时间较短,关于其负温性能的研究较少,且外加剂对硫铝酸盐水泥的影响及作用机理尚不明晰。针对以上不足,本文研究了硫铝酸盐水泥在不同负温温度下的强度发展以及三种外加剂对硫铝酸盐水泥的作用效果,通过XRD-Rietveld与TG-DTG热分析等微观手段揭示了三种外加剂对硫铝酸盐水泥水化的作用机理,最终确定了硫铝酸盐水泥在不同的负温养护制度下外加剂的种类和掺量。在负温条件下(-5℃和-10℃),亚硝酸钠(NaNO2)对硫铝酸盐水泥浆体有着良好的早强作用和防冻效果,其最佳掺量为2%。添加2%NaNO2使硫铝酸盐水泥液相冰点降低到-4.9℃,并且减缓了负温下水泥的降温速率,延长了负温早期水化时间,增加水化产物中的AFt含量,提高了硫铝酸盐水泥石的负温抗压强度。作为常用的促凝剂,碳酸锂(Li2CO3)仅需0.16%的掺量即可使硫铝酸盐水泥达到最佳使用效果。0.16%Li2CO3的加入不仅使得硫铝酸盐水泥液相冰点降低到-4.3℃,结冰量显著减少,还缩短了诱导期,加速水泥水化进程。在水化过程中,Li2CO3提高了水泥浆体体系的碱度,促进Al3+溶解来加速钙矾石的形成,使得水化产物AFt和化学结合水的含量均增加。氧化钙(CaO)的加入显著提高了-5℃、-10℃以及-20℃下硫铝酸盐水泥石的强度,且在掺量为2%时显示出抗压强度的最佳提升效果。相较于NaNO2和Li2CO3两种外加剂,CaO所体现的优势主要为-20℃的负温环境下早期强度的大幅提升。在水化初期,掺有CaO的硫铝酸盐水泥浆体显示出较大放热峰,从而液相的冻结过程被延缓,硫铝酸盐水泥得以在-20℃的环境温度下持续水化。随着负温水化的进行,C4A3S不断消耗,水化产物AFt含量和化学结合水含量增加;2%的CaO使得硫铝酸盐水泥液相冰点降至-7.2℃,可冻水结冰量减少,降低了冻害风险。最后,本文对三种外加剂进行对比分析,以冰点,凝结时间,早期负温强度,强度保留率以及负温强度增长率为指标进行了不同温度下外加剂的优选。
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