摘要
随着新时期国家安全和“海洋强国”战略的提出，以及“一带一路”合作倡议的发起，中国正大力开展海洋工程建设和发展海洋经济。水泥混凝土制品以其生产周期短、运输方便、施工效率高和材料性能稳定等特点，正大规模广泛应用于海洋工程建设。但由于受到严苛海洋环境的影响，使得服役于海洋环境中的混凝土制品易于过早劣化破坏，极大威胁重大工程结构安全，严重制约了国家战略的实施。 本文针对硅酸盐水泥混凝土制品在海洋环境中受侵蚀破坏的耐久性问题，从制备混凝土制品的关键性胶凝材料硅酸盐水泥出发，提出了高铁低钙硅酸盐水泥熟料矿物体系，并结合混凝土制品的蒸养技术，系统研究了高温条件下硅酸盐水泥熟料四种组成矿物的水化反应机理及抗侵蚀行为特征，表征了高铁低钙硅酸盐海工水泥水化性能以及微结构演变过程，综合评价了高铁低钙硅酸盐海工水泥基材料与混凝土制品的力学性能及耐久性能，开发出了一种适应海洋环境特性的高耐久硅酸盐海工水泥及其混凝土制品材料。 本文进行的主要工作和取得创新成果如下： （1）提出了一种具有高抗海水侵蚀性能的硅酸盐海工水泥及其混凝土制品制备技术。突破了传统硅酸盐水泥熟料矿物组成范围，采用高铁低钙硅酸盐水泥熟料矿物组成（C4AF≥18%、C3S≤50%），充分发挥C4AF优异的抗海水侵蚀性能；以蒸养工艺促进和优化水泥水化历程和微结构，提高了混凝土材料与制品的力学性能和抗侵蚀性能。 （2）通过对C3A和C4AF水化产物抗侵蚀性能及热力学稳定性能的研究，揭示了高铁低钙硅酸盐海工水泥具有高抗蚀性能的本质原因。Fe在水榴石中的固溶不仅改变了晶体结构参数，还改变了其微观形貌，进而使其在硫酸盐侵蚀条件下呈现出逐层梯度侵蚀过程，表现出更加优异的抗硫酸盐侵蚀性能。Fe进入单碳型水化碳铝酸钙中增大了其对氯离子的吸附量，量子化学计算表明Fe对Al的取代降低了晶体结构中固定可交换碳酸根基团的氢键键级强度；在高温条件下，C4AF与石膏合成Fe固溶单硫型水化硫铝酸钙热力学稳定性更差，更易于向着Fe固溶钙矾石转化。 （3）通过蒸养条件下C3S和β-C2S水化反应进程的研究，探明了高温蒸养后高铁低钙硅酸盐海工水泥石微结构加速演变内在机理。高温蒸养促进了C3S浆体中硅氧基团的聚合，形成了长硅链和高聚合度的C-S-H凝胶，且具有更小的孔隙率和更少的层间吸附水，在未水化的C3S颗粒表面形成非常致密的内部水化产物包裹层，在一定程度上抑制了C3S在后续养护阶段的持续水化；对于β-C2S而言，由于其自身水化活性很低，高温蒸养对β-C2S水化反应的促进作用有限，但在β-C2S颗粒表面形成了更多的水化产物成核位点，在一定程度上降低了其后续水化反应势垒，导致了β-C2S后期水化反应的加速进行。 （4）通过高铁低钙硅酸盐海工水泥水化性能及微结构演变研究，解析了高铁低钙硅酸盐海工水泥在高温蒸养后续养护阶段持续快速水化反应进程，同时驱使水泥石微结构加速致密化演变过程。综合评价了蒸养高铁低钙硅酸盐海工水泥基材料与混凝土制品力学性能及耐久性能，为其在海洋环境下应用提供理论指导。结果显示，蒸养高铁低钙硅酸盐海工水泥基材料后期力学强度持续增长；同时微孔结构中毛细孔数量减少、连通性变差，抗氯离子渗透性能提高；在硫酸盐侵蚀下，试件力学强度衰减缓慢，抗硫酸侵蚀性能优异；在水流冲刷磨蚀作用下，试件质量损失小，具有高抗冲磨性能；高温蒸养后试件膨胀率较小，体积稳定性优异。 综上所述，在蒸养条件下高铁低钙硅酸盐海工水泥表现出持续水化、优异抗侵蚀能力的特质，具备在严苛海洋环境下长期服役的性能，能够满足大规模海洋工程建设对于高耐久长寿命混凝土制品的需求，具有十分广阔的应用前景。
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