基于硫酸铝的无碱促凝剂如何影响加速水泥浆中硅酸钙水合物（C-S-H）的形成？

《CEMENT AND CONCRETE RESEARCH》：How does aluminum sulfate-based alkali-free accelerator affect calcium silicate hydrate (C-S-H) formation in accelerated cement pastes?

利用低品质高岭土（含量20%以下）制备LC3-50水泥基材料，通过热活化（860℃）和纳米级研磨（D50=11μm）改善性能。研究显示，添加C-S-H凝胶成核剂（STE53）可使1天抗压强度提升45%-110%，混凝土早期强度提高37%。热分析表明，波特兰石消耗和铝酸四钙反应显著增强，且碳化铝酸盐生成量提高。X射线荧光和粉末衍射证实，尽管低品质高岭土活性较低（R3测试230-330J/g），但通过STE53促进铝和铁的早期水化反应，形成更致密的C-S-H凝胶结构。流变测试显示添加超塑化剂后自密实性保持良好。环境性能评估表明，LC3-50基材料碳排放强度（gCO2eq/MPa）优于普通硅酸盐水泥（PC-525），且低品级高岭土本地化应用可降低整体碳足迹。

　　在当今全球范围内，建筑行业对减少碳排放的需求日益增加，这促使科学家和工程师探索更环保的替代材料和工艺。LC3-50水泥作为一种低排放的新型复合水泥，已经引起广泛关注。LC3-50的配方通常包括50%的波特兰水泥（PC）、30%的煅烧黏土（CC）、15%的石灰石（LS）和5%的石膏（Gy），这种组合能够将二氧化碳排放量减少约40%。然而，传统的LC3-50水泥通常使用高纯度的高岭石黏土，这些黏土具有较高的活性，但在实际应用中可能受到原材料供应和成本的限制。因此，本研究旨在探讨使用低品位高岭石黏土（即高岭石含量低于30%）和C-S-H凝胶成核种子剂（STE53）来制备LC3-50水泥的可行性，从而进一步推动其性能极限。

研究首先对四种市售的低品位高岭石黏土进行了分析，这些黏土的高岭石含量约为20%。通过X射线荧光（XRF）、X射线粉末衍射（XRPD）和热分析等方法，研究人员评估了这些黏土的化学成分、矿物组成和热活性。结果表明，这些低品位黏土的活性较低，其热释放量在200–230 J/g之间，而结合水含量在4.3–5.7%之间。尽管这些黏土的活性不如高品位黏土，但它们的使用可能带来成本效益和更广泛的可用性。

接下来，研究人员将这些低品位黏土与STE53结合，制备了LC3-50砂浆和混凝土，并对其性能进行了评估。结果表明，使用STE53后，LC3-50砂浆在1天内的抗压强度平均提高了64%，其中三种砂浆的抗压强度从11 MPa增加到18–20 MPa，而第四种砂浆的抗压强度从16 MPa增加到23 MPa。同样，混凝土在1天内的抗压强度也提高了37%，达到19 MPa。这些结果表明，STE53的加入显著提升了LC3-50的早期强度，同时也对后期强度有所改善，但幅度相对较小。

在进一步分析中，研究人员通过热分析和XRPD定量相分析（RQPA）揭示了黏土活性和STE53作用的机制。例如，通过观察波特兰石灰（Ca(OH)?）的消耗，可以间接评估黏土的活性。此外，STE53的加入促进了碳酸铝酸盐的形成，这可能有助于提高水泥的强度。同时，C-S-H凝胶的成核作用不仅提供了更多的成核位点，还优化了C-S-H的分布，从而降低了孔隙率，提高了水泥的机械性能和耐久性。

研究还讨论了低品位黏土在LC3-50中的应用。尽管这些黏土的活性较低，但通过STE53的添加，它们仍然能够达到与高品位黏土相当的性能。此外，低品位黏土的使用可以降低运输和原材料获取的成本，使其成为一种更具经济性和可持续性的选择。研究还指出，黏土中的杂质，如铁氧化物（Fe?O?）和钠氧化物（Na?O），可能对活性产生影响，但具体的影响机制仍需进一步研究。

通过热重分析（TGA）和XRPD，研究人员还评估了黏土在煅烧后的结构变化。煅烧过程导致高岭石的脱水反应，形成了非晶态的活性黏土（MK），但同时也可能引入其他矿物，如白云母（muscovite）和叶蜡石（pyrophyllite），这些矿物可能影响水泥的性能。此外，研究发现，黏土中的铁氧化物含量在一定程度上影响了其活性，但过高的铁氧化物含量可能反而抑制活性。

在水泥的制备过程中，研究人员还探讨了超塑化剂（SP）的需求。对于低品位黏土，由于其活性较低，可能需要更多的SP来达到所需的流变性能。然而，通过STE53的加入，可以部分抵消这种需求，从而提高水泥的流动性和稳定性。研究还发现，黏土的粒径分布和比表面积对水泥的性能有显著影响，但这些参数并非唯一决定因素。

在实际应用中，研究人员还评估了LC3-50砂浆和混凝土的环境性能。通过计算单位强度下的二氧化碳排放量，他们发现使用低品位黏土和STE53的LC3-50在早期阶段的环境影响较大，但在后期阶段逐渐改善。这表明，尽管低品位黏土的活性较低，但通过STE53的添加，可以实现更可持续的水泥产品。

此外，研究还涉及了LC3-50的早期反应机制。例如，通过热分析和XRPD，研究人员发现，在没有STE53的情况下，LC3-50的早期反应主要依赖于波特兰石灰的消耗和C-S-H凝胶的形成。而STE53的加入则通过提供更多的成核位点，加速了这些反应，从而提高了早期强度。同时，STE53还可能促进了铁氧化物和铝氧化物的反应，进一步增强了水泥的性能。

研究还讨论了LC3-50在不同水灰比（w/b）下的表现。例如，在w/b=0.40的条件下，LC3-50砂浆的早期强度显著提高，而在w/b=0.50的条件下，混凝土的早期强度也有所提升。这些结果表明，STE53的加入对不同类型的LC3-50都有积极影响，但其效果可能因黏土的类型和比例而异。

最后，研究指出，虽然低品位黏土的使用可能带来一定的挑战，如如何准确评估其高岭石含量，以及如何处理其可能存在的其他活性矿物，但通过STE53的添加，这些挑战可以得到有效缓解。STE53的使用不仅提高了水泥的早期强度，还优化了其长期性能，使其成为一种具有潜力的环保建筑材料。未来的研究可以进一步探索STE53在不同黏土和水灰比下的最佳使用条件，以及其对水泥耐久性的影响。