水化硅酸钙的合成及其组成、结构与形貌

论文摘要

水化硅酸钙（简称C-S-H）是波特兰水泥水化的最主要水化产物,也是水泥基复合材料最主要的强度来源。C-S-H组成与结构的研究对理解、调节与控制水泥基复合材料的力学性能与化学稳定性具有重要意义。本文围绕C-S-H的合成及其组成、结构与形貌开展了系统的研究,主要工作和取得的重要成果有：采用氧化钙与纳米氧化硅的水热反应,不同温度下的碱硅酸盐与钙盐的溶液反应、氧化钙与纳米氧化硅的溶液反应、硅酸三钙及硅酸二钙的水化反应等方法制备了C-S-H。采用X射线衍射（XRD）、红外光谱（IR）、核磁共振（NMR）、扫描电镜（SEM）与透射电镜（TEM）等现代测试技术研究了合成方法、钙硅比、温度、龄期、干燥方法等参数对C-S-H结构和形貌的影响。通过XRD技术对C-S-H的有序度、主要晶面间距等参数进行了研究,发现干燥方法对C-S-H结构具有一定的影响,采用硅胶作为干燥剂的室温真空干燥对C-S-H结构的影响较小,而60℃真空干燥与D干燥一定程度上增加了C-S-H结构的有序度；初始钙硅比过低（小于0.8）或过高（大于1.7）的C-S-H在XRD图中没有出现低角度d值；随着初始钙硅比从1.0增加到1.7,上述方法合成的C-S-H其晶胞参数a增加、b减小,而c变化规律与合成方法有关。综合应用IR、29Si DP MAS NMR （29Si直接极化魔角旋转固体核磁共振）技术定性定量地研究了C-S-H硅氧四面体结构的聚合度,平均链长,Q1、Q2含量等聚合状态参数。研究发现,初始钙硅比在0.8-2.0的C-S-H其硅氧四面体结构以Q1、Q2两种形式存在；随着钙硅比的增加,C-S-H中Q1的含量增加,Q2的含量减小,硅氧四面体的聚合度及其直链平均链长减小,而随着合成温度的增加其变化趋势刚好相反。综合应用SEM、TEM技术研究了C-S-H的微观形貌。SEM研究发现C-S-H的形貌与其组成、合成方法、合成温度、龄期密切相关,主要形貌有纤维状、网络状、不规则团簇颗粒、卷曲的薄片状、粗短的针棒状以及交错的细长针棒状；TEM测试结果表明,采用氧化钙与纳米氧化硅的常温溶液反应合成的钙硅比为1.5的C-S-H是由直径几nm到几十nm的类球状颗粒组成的长度为几十nm到几百nm的纤维状无定形物质,而钙硅比为1.0的C-S-H除了具有纤维状形貌外,还发现了层状结构和一些晶核。

论文目录

• 摘要
• Abstracts
• 第1章 绪论
• 1.1 水化硅酸钙的重要性
• 1.2 水化硅酸钙的国内外研究进展
• 1.2.1 水化硅酸钙的组成与分类
• 1.2.2 水化硅酸钙的结构与结构模型
• 1.2.3 水化硅酸钙的形貌
• 1.2.4 水化硅酸钙的制备方法及其研究进展
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 水化硅酸钙的合成及其XRD表征
• 2.1 水化硅酸钙的合成
• 2.1.1 碱硅酸盐与钙盐的溶液反应法
• 2.1.2 氧化钙与氧化硅的常压水热法
• 2.1.3 氧化钙与氧化硅的常温溶液反应法
• 2.1.4 氧化钙与氧化硅的60℃溶液反应法
• 2S水化反应法'>2.1.5 β-C₂S水化反应法
• 3S单矿水化反应法'>2.1.6 C₃S单矿水化反应法
• 2.2 水化硅酸钙的XRD表征
• 2.2.1 干燥方法对水化硅酸钙的影响
• 2.2.2 合成方法对水化硅酸钙的影响
• 2.2.3 钙硅比对水化硅酸钙的影响
• 2.2.4 反应时间对水化硅酸钙的影响
• 2.2.5 反应温度对水化硅酸钙的影响
• 2.3 小结
• 第3章 水化硅酸钙聚合状态的研究
• 3.1 水化硅酸钙中硅氧四面体的聚合状态
• 3.2 水化硅酸钙聚合状态的红外光谱表征
• 3.2.1 干燥方法对水化硅酸钙聚合状态的影响
• 3.2.2 合成方法对水化硅酸钙聚合状态的影响
• 3.2.3 钙硅比对水化硅酸钙聚合状态的影响
• 3.2.4 反应时间对水化硅酸钙聚合状态的影响
• 29SI固体核磁共振光谱表征'>3.3 水化硅酸钙聚合状态的²⁹SI固体核磁共振光谱表征
• 29Si NMR用于水化硅酸钙研究的进展'>3.3.1²⁹Si NMR用于水化硅酸钙研究的进展
• 29Si NMR研究'>3.3.2 水化硅酸钙的²⁹Si NMR研究
• 3.3.3 钙硅比对硅氧四面体聚合度的影响
• 3.3.4 钙硅比对水化硅酸钙平均链长的影响
• 3.4 小结
• 第4章 水化硅酸钙形貌的研究
• 4.1 水化硅酸钙形貌的扫描电镜研究
• 4.1.1 钙硅比对氧化钙与氧化硅常压水热合成水化硅酸钙形貌的影响
• 4.1.2 钙硅比对氧化钙与氧化硅常温溶液法合成水化硅酸钙形貌的影响
• 4.1.3 反应时间对水化硅酸钙形貌的影响
• 4.1.4 合成方法对水化硅酸钙形貌的影响
• 4.2 水化硅酸钙形貌的环境扫描电镜研究
• 4.3 水化硅酸钙形貌的透射电镜研究
• 4.4 小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 硕士期间发表论文
• 致谢