化学外加剂存在条件下水泥的溶解-沉淀水化理论研究

Modern concrete construction requires more and more precise control on setting and strength growth of concrete, which majorly originate from the continuous cement hydration. Cement hydration is composed of dissolution of clinker phases and precipitation of hydration products. It is well known that chemical admixtures have great impacts on cement hydration, whereas the fundamental mechanism behind is undisclosed. This project aims at understanding the interaction between selected chemicals admixtures (PCEs and alkanolamines) and C3S, which is the major component of Portland cement, from the aspects of solution thermodynamics, physicochemistry of dissolution and precipitation of crystalline phases. The impacts of chemical admixtures on dissolution of C3S phase are to be investigated by solution analysis of highly diluted C3S-water suspension and by observation of etch pit development on surface of C3S crystals. The effects of chemical admixtures on precipitation of CSH and CH during C3S hydration are studied by measurement of adsorption of chemicals on mineral surfaces and by following the nucleation and growth processes of hydration products using various techniques. The outcome of this project is to be used to establish working mechanisms of chemical admixtures for finely tuning cement hydration process and to guide the technology advancement and practical applications of chemical admixtures for concrete.

现代混凝土工程对混凝土的凝结、强度发展等性能的精确控制提出了越来越高的要求。水泥水化是水泥混凝土凝结和强度发展的根源。水泥水化机理可简单总结为矿物溶解和产物沉淀两个过程。化学外加剂对水泥水化有重要影响，然而其内在机理远未揭示。本项目以水泥中最重要的矿物组分硅酸三钙C3S单矿的水化为研究对象，选取几种不同结构的聚羧酸减水剂、醇胺分子作为化学外加剂，将C3S的水化拆分为矿物溶解和产物沉淀两个独立过程，分别研究外加剂对这两个过程的影响机理。从溶液热力学、结晶溶解、沉淀物理化学的角度，来揭示外加剂与水泥的相互作用。通过研究外加剂与浆体液相离子的络合作用、矿物结晶表面蚀坑发展来揭示外加剂对矿物溶解的影响机理。通过研究化学外加剂对矿物表面的吸附包覆作用、对水化产物成核-生长过程的影响来揭示其对水化产物沉淀过程的影响规律，以期建立外加剂调控水泥水化的科学原理，为混土外加剂技术提升和工程应用提供科学指导

11现代混凝土工程对混凝土的凝结、强度发展等性能的精确控制提出了越来越高的要求。水泥水化是水泥混凝土凝结和强度发展的根源。水泥水化机理可简单总结为矿物溶解和产物沉淀两个过程。化学外加剂对水泥水化有重要影响，然而其内在机理远未揭示。本项目以水泥中最重要的矿物组分硅酸三钙C3S单矿的水化为研究对象，选取聚羧酸减水剂（PCE）、醇胺分子作为化学外加剂，分别研究外加剂对C3S单矿溶解过程以及C3S单矿水化产物氢氧化钙、C-S-H沉淀过程的影响机理。从溶液热力学、结晶溶解、沉淀物理化学的角度，来揭示外加剂与水泥的相互作用。.研究发现PCE对C3S水化的延缓作用与其对C3S溶解的影响无关。三乙醇胺通过与钙离子的络合，强烈抑制了氢氧化钙沉淀的成核和生长过程，显著破坏了氢氧化钙沉淀的晶格结构，使其六方棱柱状结构转变为垂直堆积或随机团聚的Ca(OH)2片状晶体，结晶尺寸大大减小。相反，三乙醇胺对C-S-H沉淀的抑制作用并不显著。PCE则通过在氢氧化钙的晶胚表面和晶体表面的吸附来抑制氢氧化钙的成核过程，并影响氢氧化钙的晶体生长习性。PCE通过插层、表面吸附以及空位嫁接的方式与C-S-H相互作用，导致C-S-H的比表面积增大。化学外加剂延缓水泥水化和水泥浆强度发展，主要源于其对水化产物成核生长的抑制作用。本项目建立了外加剂调控水泥水化的科学原理，为外加剂技术提升和混凝土低碳化、高性能化提供科学指导。.研究成果迄今发表SCI论文21篇，其中在顶级期刊Cement and Concrete Research发表论文8篇，Cement Concrete Composites发表论文3篇，Journal of American Ceramic Society发表论文1篇。21篇SCI论文迄今引用达238次，产生了重要的国际影响。项目负责人连续两年入选爱思唯尔“中国高被引学者”名单（2019、2020）。