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项目名称：高性能水泥制备和应用的基础研究首席科学家：陈益民中国建筑材料科学院许仲梓南京工业大学起止年限：2004年6月至2006年8月依托部门：中国建筑材料科学研究院一、研究内容和课题设置1.项目计划任务书原定内容高胶凝性水泥熟料体系：高C3S含量的熟料相体系研究：将C3S含量由50—60%提高到70%以上，以适应制备高强度水泥和高的混合材料掺加量。研究重点在于C3S形成的动力学，包括矿化剂作用下的成核和晶体晶格畸变及其对晶体生长的影响，水泥熟料矿物体系在急速升温、降温条件下的固相、液相化学反应。含高胶凝性矿相的水泥熟料体系（阿利特—硫铝酸盐体系）研究：在传统的硅酸盐水泥熟料相体系中引入SAC34等具有早强高强性能的矿相，以SAC34取代C3A，获得一个新的具有高胶凝性的水泥熟料矿相体系。研究重点在于加速C3S形成的动力学和延缓SAC34分解的动力学、二者共存条件和机理、各熟料矿物之间的最优匹配。阿利特和贝利特相晶体结构调整与激活机理，化学组成与结构介稳程度的关系。特别是在高C3S体系中掺杂和改变热历史促使C3S晶体由板状结构转向树枝状高活性C3S晶体的机理。复合增强熟料体系及其性能互补理论：在传统的硅酸盐水泥熟料基础上，复合其它相体系的水泥熟料，实现高强高耐久的原理研究。包括(1)与SAC34—C2S—C4AF—CaSO4体系的硫铝酸盐熟料和铁铝酸盐熟料复合的原理，(2)与L相—CA—CXP体系的磷铝酸盐熟料复合的原理，(3)与硅酸盐体系的超高铁铝酸盐熟料及高贝利特熟料复合的原理。重点研究不同熟料复合的相容性条件和原理，克服性能劣化的方法和机理，实现各优势性能叠加。性能调节型辅助性胶凝材料活化的化学与物理：高性能水泥与水泥基材料中将含有性能调节型辅助胶凝组份作为其重要组份，研究重点是：从粉煤灰、煤矸石、赤泥、钢渣、磷渣以及矿渣等辅助性胶凝材料的本质特性出发，研究它们与潜在胶凝性的相关性，探索具有潜在活性的CaO-MgO-Al2O3-SiO2系玻璃态材料、具有火山灰活性的硅铝酸盐玻璃体、非熟料介稳结晶态组分的充分激活的条件和激发机理、多种性能调节型组分在水泥中复合效应和功能叠加理论，诸组分颗粒微细化的力化学理论，辅助性胶凝材料与硅酸盐水泥、化学外加剂等的相互适应性，研究主要水化产物的化学组成和微观结构特征，在水泥基材料构形成和演变中的作用，以及改善水泥基材料的力学性能和耐久性的作用机理等。高性能水泥水化机理和水泥石结构优化：高胶凝性熟料、复合熟料以及含性能调节型辅助胶凝组份制成的水泥水化过程和机理，体系液相组成及其对性能调节型组份的激发机理，各个组份溶解、扩散过程动力学及性能调节型组份的表面反应动力学，特别是要对辅助性胶凝组份在水泥基材料中的作用机理进行系统的研究。C-S-H凝胶的结构随体系原始组成的变化规律，包括C/S比例、S/H比例的变化规律及其对性能的影响;尤其是性能调节性辅助性胶凝组份对其影响。水泥水化产物的类型、分布与调整原理，特别是水化体中AFt、AFm、CH等晶体和CSH凝胶体的比例和时空分布随原始组成的变化规律；水化物与未水化粒子的最优匹配及界面结构演变过程。高胶凝性熟料及复合化（包括熟料相的复合、性能调节材料的复合等）条件下产生的水泥石结构形成过程，性能调节型组份对该过程的优化机理。包括各相之间的连生、键合及结构形成与密实化过程；硬化体的孔结构演变与调整原理；水泥石多相、多孔、多尺度精细结构与宏观行为之间的关系。研究辅助性胶凝材料、水胶比等因素对水泥石体积稳定性、尤其是早期的体积稳定性的影响，研究重点是从大掺量辅助性胶凝材料和较低水胶比体系的水泥基材料的组成、结构特征和力学性能等特性出发，研究水泥基材料在不同环境条件下的收缩机理，体积稳定性的影响，研究改善水泥基材料体积稳定性的有效措施及作用机理。高性能水泥基材料的环境行为和失效机理：主要研究高性能水泥在各个环境因素复合作用下的破坏机理。水泥基复合材料由大量不同形态、不同功能增强体（如砂石、钢筋、纤维等）组成。因此要研究高性能水泥水化物与增强体之间的界面反应与界面结构；研究高性能水泥石和水泥基材料在不同服役条件下的环境行为、结构演变和失效机理，如CO2、SO42-、Cl-和其它侵蚀性介质（海水或其它化学溶液）与水泥水化物的化学反应，冻融循环作用等，提出改善水泥环境行为和提高耐久性的措施和机理。（具体说明每个课题的主要研究内容、目标、承担单位、课题负责人及主要学术骨干、经费比例等）第一课题：高胶凝性水泥熟料矿物体系的研究（经费27.2%）高胶凝性水泥熟料矿物体系是制备高性能水泥的关键组分，起到主要的胶结作用。它除了发挥早期强度之外，还对性能调节型辅助胶凝材料的活性激发起重要作用，将直接决定辅助胶凝材料的最高用量。本课题的主要研究内容：高钙体系中C3S的形成动力学研究传统的CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3体系中急速升温条件下C3S形成动力学和加速形成机理，微量组分对动力学过程和动力学参数的影响。熟料矿物介稳态结构形成过程与形貌调整研究熟料矿物形成与晶体生长控制原理，通过掺杂、优化组成、控制热历史等手段提高矿物介稳化程度，以提高熟料矿物的胶凝性。建立新的高胶凝性矿相体系研究在传统相体系中引入新的高胶凝性矿相（如SAC34），研究水泥熟料各组分的相互作用与非平衡状态的相互匹配关系。矿物在各种条件下的形成和分解动力学。研究非传统体系中C3S的形成动力学和SAC34的动力学分解，寻求加速C3S低温形成和延缓高温分解的原理与方法，以期获得二者共存的最佳条件，为制备新的高胶凝性熟料体系奠定基础。研究目标：在高胶凝性水泥熟料相组成和性能上有重大突破，获得胶凝性高于现有水泥熟料的相体系。在水泥熟料形成理论上取得重大进展，可以有效指导高胶凝性水泥熟料的制备过程。该高胶凝性的水泥熟料适合于制备高性能水泥：在相同熟料用量的条件下水泥强度能够较传统熟料水泥提高一个强度等级；在相同水泥产量条件下水泥熟料用量将减少30%。实现工业化生产和应用后，水泥生产综合能耗将降低20%、环境负荷降低30%。主要承担单位：中国建筑材料科学研究院，南京工业大学，北京工业大学课题负责人：陈益民，沈晓冬主要骨干：陈益民，沈晓冬，郭随华，兰明章，林震，周勇敏第二课题：高胶凝性和特性熟料复合体系的研究（经费8%）不同体系的熟料分别制备，通过将其科学地复合可以实现性能的叠加和互补，提高熟料胶凝性能和硬化体致密性，使性能调节更加灵活。本课题的主要研究内容：硅酸盐水泥熟料与硫铝酸盐熟料的复合主要解决凝结时间过快和硬化体膨胀破坏问题，选择适宜的熟料矿物组成，研究改善二个体系主要矿物的水化速率协调性的基本原理，通过选择性吸附的化学外加剂延缓和加速不同矿物的水化。研究含铝矿物与硅酸盐矿物之间构成最优结构的组成匹配关系。得到明显优于单一熟料体系的物理力学性能，为加大性能调节型辅助胶凝组分掺量提供基础。硅酸盐水泥熟料与磷铝酸盐熟料的复合。研究二种熟料之间的最佳配合比例、强度增加机理。确定磷铝酸盐熟料中L相和其它相的组成与结构及其对复合水泥熟料性能的影响。硅酸盐水泥熟料与超高铁熟料、高贝利特熟料的复合。研究解决超高铁熟料、高贝利特熟料制备中存在的基础问题，研究不同熟料复合后水泥的水化热、强度、微膨胀等性能调控的机理和其它少量组分的种类与作用。研究目标：解决不同熟料矿相组成设计、水泥水化进程控制以及水化产物胶凝性和耐久性的优化匹配问题，实现水泥石结构的控制与优化以及水泥性能的互补与叠加。最终突破传统水泥熟料在组成和性能上的局限，建立高性能水泥熟料相体系设计理论，获得高性能水泥的高胶凝性和特性复合熟料矿物体系，从而为高性能水泥的制备及应用奠定基础。主要承担单位：中国建筑材料科学研究院，北京工业大学课题负责人：隋同波，崔素萍主要骨干：隋同波，崔素萍，文寨军第三课题性能调节型辅助胶凝组分的研究（经费24%）性能调节型辅助胶凝材料是高性能水泥的主要组分之一，它与水泥熟料组成复合胶凝体系，旨在克服传统水泥高能耗、高污染以及物理力学性能方面的不足之处，赋予高性能水泥高强度、高流动度和高耐久性特性。该课题主要针对钢渣、粉煤灰、煤矸石、赤泥和磷渣等工业废弃物进行研究,主要研究内容：性能调节型辅助胶凝组分介稳体系组成特性与活性研究主要包括性能调节型辅助胶凝组分的组成特性（如化学和相组成、非典型玻璃分相结构等）、热历史、颗粒群特征等与其胶凝活性的相关性；研究在碱度、微细化等因素作用下，性能调节型辅助胶凝组分颗粒表面结构、物理化学变化特征与活化效果，建立其活性评价体系。性能调节型辅助胶凝组分活化技术与理论开展性能调节型辅助胶凝组分活化技术与理论的研究，充分激活性能调节型辅助胶凝组分的活性，研究活化涉及热力学机制、动力学界面物理与化学等问题，建立具有指导意义的活化理论。获得各个体系化学激活、物理激活和热技术途径与机理。性能调节型辅助胶凝组分复合胶凝效应及其优化配伍理论研究主要包括性能调节型辅助胶凝组分的活性在水化过程中的诱导激活效果、硬化水泥石微结构特征以及复合增强效果、机理与规律研究。建立特定使用环境下，性能调节型辅助胶凝材料优化配伍理论。性能调节型辅助胶凝组分—熟料介稳体系多元复合胶凝效应及其性能设计主要从热力学、动力学、力学性能与耐久性等角度，综合研究不同性能调节型辅助胶凝组分与熟料的多元复合胶凝效应、复合体系的适宜配比，建立体系达到高的强度、良好的工作性与优异耐久性的理论。性能调节型辅助胶凝组分—熟料体系颗粒群特征参数优化设计理论研究主要研究不同应力场和物理场作用下，颗粒微细化机理、机械能和化学能转化机制、表面活化机理、对活性的影响；研究复合体系的粒度分布、形状因子、形状指数、比表面积等颗粒群特征参数与流变学、水化动力学、显微结构特征、强度等性能的相关性，揭示体系颗粒群特征参数的性能优化控制范围，获得不同介稳体系颗粒微细化过程颗粒表面物理化学变化特征以及力-化学方法的激活效果。建立体系颗粒群特征参数优化设计理论。研究目标：阐明低钙性能调节型材料的介稳结构与潜在活性的关系及其激发机理；指导利用或合成低成本、低能耗的低钙性能调节型辅助胶凝材料，使原有已经应用的工业废弃物提高利用效率，未被利用的能够有效利用。确定煤矸石、粉煤灰、钢渣、赤泥和磷渣等几种具有广泛代表性的工业废弃物转化成性能调节型辅助胶凝组分的活化方法与理论。找出有针对性的、大规模生产可行的活化方法，为高性能水泥用性能调节型辅助胶凝组分的工业化生产提供理论依据。从复合体系的热力学状态改变、过程理论、界面化学与物理、结构优化、颗粒群特征参数等角度，提出适合于高性能水泥体系复合胶凝效应与性能优化设计理论，取得具有原创性的研究成果和基础理论。通过本课题的研究，把上述几种工业废弃物转化成性能调节型辅助胶凝组分。在这几种工业废弃物原有利用水平上，将达到：(1)掺量30%时，性能调节型辅助胶凝组分—硅酸盐熟料的强度等级达到52.5强度等级要求；(2)掺量40～50%时，性能调节型辅助胶凝组分—熟料的强度等级达到42.5强度等级要求。同时保证水泥的其它性能与参数，符合有关国家标准要求。主要承担单位：中国建筑材料科学研究院，南京工业大学，同济大学课题负责人：张文生，李东旭主要骨干：张文生,李东旭,张雄，张洪滔，陈敏，潘志华，张少明，叶枝荣第四课题：水泥水化机理及过程控制（经费14%）高性能水泥各组分之间及其水化产物的合理匹配、有效调控水泥的水化过程是获得优良性能的水泥石结构的基础。研究内容：水泥各组分的水化反应动力学研究水泥各矿物的水化过程，不同相体系矿物共存时的水化过程，及各个矿物的相互作用，特别是性能调节型辅助胶凝材料与水泥的相互作用。水化反应产物形成及演变过程研究水化产物的形成机制，不同水化龄期下水化产物的类型及其演变，研究水化产物与潜在活性组分之间的相互作用，研究温度、水/胶比、颗粒细度对此的影响。化学外加剂的作用机理研究调凝剂、早强剂、减水剂、引气剂和增粘剂等各种化学外加剂在水化过程中的作用机理及相互影响，及对水泥水化时溶液离子浓度及水化产物形态