地聚合物/水化硅酸钙体系的微结构形成机理与过程调控

Aluminum silicate materials have great potential value of application, the new type low-carbon green binder composed of aluminum silicate materials and a small amount of cement and as the main component of geopolymer and C-S-H, formed by performance optimization, is a viable alternative to Portland cement. This project based on the alkali activation of aluminum silicate materials in cement paste begin with formation mechanism of the micro-structure of the material and explore the optimization and control of the micro-structure of the materials. The quantitative description of relationship among compose, structure and mechanical property of composite binder will be established by combined the micro-structure analysis with the macro performance test. Controlling the effect of structure to mechanical property will be developed. The formation mechanism of the effect of structure to mechanical property will be revealed by the intensive study of influence rule of structure and mechanical property. It is not only important to optimize Portland cement, but also has significance to the research of low-carbon green binder.

铝硅酸盐矿物材料具有巨大的潜在应用价值，将其与少量水泥复合后，经性能优化而形成的以地聚合物及水化硅酸钙为主要成分的新型低碳环保胶凝材料，有望取代现有硅酸盐水泥。本项目基于铝硅酸盐矿物材料在水泥浆中的碱激活特性，从地聚合物与水化硅酸钙微结构的形成机理着手，探索该材料微结构的优化与过程调控。拟采用微观结构分析与宏观性能表征相结合的方法，建立复合胶凝材料体系组成、结构与力学性能之间关系的定量描述，发展与研究复合胶凝材料体系微结构对力学性能影响的调控方法，调控材料的组成和结构。通过深入探讨复合胶凝材料体系微结构形成对宏观力学性能的影响规律，揭示其形成微结构的内在机理和探索其对宏观力学性能的过程控制原理。这不仅对改造现有硅酸盐水泥体系至关重要，而且可为进一步深入研究低碳环保胶凝材料提供理论基础，对低碳环保复合胶凝材料体系的研究与发展具有重要的指导作用与理论意义。

地聚合物与水化硅酸钙经性能优化而形成的新型绿色胶凝材料（钙基地聚合物），具有较好的力学性能、耐久性及可持续发展性。本项目研究钙基地聚合物复合材料体系的性能与过程调控。系统研究了钙基地聚合物的活性影响因素，微观结构及其对宏观力学性能的影响规律。通过钙基地聚合物微观产物的分子模拟实验研究，从本质上揭示了钙基地聚合物的微观结构及其宏观性能的关系。重点研究了钙基地聚合物孔结构与力学性能的相关关系和影响规律。针对钙基地聚合物孔隙结构复杂、不规则的特点，提出采用分形维数对其定量描述，并研究了分形维数与孔结构参数及宏观力学性能之间的关系。利用灰色系统理论，分析钙基地聚合物孔结构参数、分形维数和孔径分布对钙基地聚合物力学性能的影响。偏高岭土烧制温度为800℃时，水玻璃模数为1.4时，蒸气养护温度为80℃时，制备得到的钙基地聚合物力学性能最好；通过优化分析，钙基地聚合物的最佳配合比为水泥含量18.305%、碱掺量16%、水玻璃模数1.382；钙基地聚合物的最高耐热温度为600℃左右；分子动力学模拟结果表明，C-A-S-H凝胶体系的力学性能要高于C-S-H凝胶体系的力学性能，掺杂钙的(N,C)-A-S-H凝胶体系的力学参数随着钙原子逐渐增多，呈现出先降低后升高的趋势，当钙原子全部替换掉钠原子时，其结构体系的力学性能值达到最大；钙基地聚合物孔隙直径分布范围在3～180 nm，孔径呈现多峰分布的特征，钙基地聚合物孔径位于3～100 nm 范围内，通过FHH 模型计算得到的分形维数在2～3 之间，由热力学模型计算得出的多个钙基地聚合物样品分形维数大于3，分形维数越大，孔隙结构复杂程度增加，钙基地聚合物力学性能提高；基于灰色系统理论，对钙基地聚合物孔结构特征参数与其力学性能的灰关联分析，得到了钙基地聚合物孔结构特征参数中影响钙基地聚合物28 d抗压强度的主要因素，选取影响程度较大的七种指标，建立了GM（1，8）强度预测模型。本项目研究成果对新型绿色环保高耐久性胶凝材料的深入研究奠定重要基础，对提高建筑结构材料性能具有重要工程意义。