摘 要

随着社会的发展和进步，水泥混凝土作为一种建筑结构材料在道路桥梁、房屋土建上得到了广泛应用，尽管混凝土的整体性能在逐步提高，混凝土开裂问题却一直存在，这极大地影响了建筑结构的稳定性和安全性。为此本文使用了分析纯化学试剂Ca(OH)₂和SiO₂，通过高温煅烧法合成了γ型硅酸二钙（γ-C₂S）。采用XRD、SEM、材料表面分析系统及自主设计的渗透性装置等测试方法，研究了γ-C₂S的制备方法，γ-C₂S试块的常压碳化速率和碳化机理，高压碳化下γ-C₂S的体积膨胀能力；不同γ-C₂S掺量对净浆试块自愈合性能的影响，以及不同的养护制度对净浆试块自愈合能力的影响。

本文按照Ca/Si=2配制原料，然后在1350℃保温3h制得了较纯的γ-C₂S。在随后的常压碳化试验中，与β-C₂S对比，发现γ-C₂S碳化活性更高，碳化产物中主要出现方解石型碳酸钙。在高压碳化试验中，根据回归方程可求出γ-C₂S完全碳化时体积膨胀为75.82%。

在自愈合试验中，自主设计了一种表征装置，采用渗流量减少率指标表征愈合效果。研究结果表明：γ-C₂S掺量对自愈合性能有一定影响，掺量过高会降低自愈合程度；在一定程度上，后期的碳化养护自愈合效果可能要优于标准养护。通过SEM和EDS分析，发现不同养护方式下不同掺量的净浆试块均发生了程度不等的愈合，修复产物中含有碳酸钙晶体。

关键词：γ型硅酸二钙；碳化；自愈合

Abstract

With the development and progress of society, cement concrete as a building structural materials in the road and bridge, housing construction has been widely used, although the overall performance of concrete gradually increased, the concrete cracking problem has been there, which greatly affected the building structural stability and safety. γ-C₂S was synthesized by high temperature calcination method using the analytical pure chemical reagent Ca(OH)₂ and SiO₂. The preparation method of γ-C₂S, the atmospheric carbonation rate and the carbonation mechanism of γ-C₂S test block were studied by XRD, SEM, surface analysis system and self-designed permeable device. The effects of γ-C₂S Volume expansion ability; the effect of different γ-C₂S content on the self-healing performance of the clean cake, and the effect of different curing systems on the self-healing ability of the slurry,were discussed and investigated.

In this paper, the pure γ-C₂S was synthesized by the preparation of raw materials according to Ca/Si=2 and then heat preservation at 1350 for 3h. In the subsequent atmospheric carbonation test, compared with β-C₂S, we found that γ-C₂S carbonation activity is higher, and that calcite occurs mainly in carbon products. In the high-pressure carbonation test, according to the regression equation, volume expansion of 75.82% can be obtained when γ-C₂S is fully carbonized.

In the self-healing test, a characterization device was designed. The rate of flow reduction was used to characterize the healing effect. The results show that the content of γ-C₂S has certain influence on self-healing properties, and the amount of admixture is too high to decrease the degree of self-healing. To some extent, the self-healing effect of later carbonation curing is probably better than that of standard curing. The analysis of SEM and EDS showed that under different curing ways, varying degrees of healing occurred in specimen of different content.

Key Words：γ-C₂S; Carbonation; Self-healing

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 混凝土材料的裂缝自愈合技术 1

1.2.1 混凝土材料的裂缝自愈合现象 2

1.2.2 混凝土裂缝的修复技术 3

1.2.3 自愈合技术对比分析 4

1.3 γ-C₂S概述 5

1.3.1 γ-C₂S的结构 5

1.3.2 γ-C₂S的碳化活性 6

1.4 研究目的与内容 6

1.4.1 研究目的 6

1.4.2 研究内容 7

第二章 实验原材料与实验方法 8

2.1 实验原材料及实验器材 8

2.1.1 实验原材料 8

2.1.2 实验器材 8

2.2 实验方法 8

2.2.1 游离氧化钙（f-CaO）定性检验及定量测定 8

2.2.2 X射线衍射分析（XRD） 8

2.2.3 材料表面分析系统 9

2.2.4 场发射环境扫描电镜（ESEM） 9

2.2.5 试块的成型与养护 9

2.2.6 渗水试验装置 9

第三章 γ-C₂S的碳化试验 11

3.1 γ-C₂S的制备 11

3.2 γ-C₂S的碳化试验 12

3.2.1 γ-C₂S的常压碳化试验 12

3.2.2 γ-C₂S常压碳化试验结果分析 12

3.2.3 γ-C₂S的高压碳化试验 14

第四章 γ-C₂S的自愈合试验 16

4.1 渗水装置的设计及搭建 16

4.2 净浆试块的制备及裂缝的制造 16

4.2.1 实验方案 16

4.2.2 净浆试块的制备 17

4.2.3 裂缝的制造与表征 17

4.3 渗水实验结果分析 18

4.3.1 养护条件对裂缝自愈合的影响 19

4.3.2 γ-C₂S掺量对裂缝自愈合的影响 20

4.4 SEM分析 21

第五章 结论与展望 27

5.1 结论 27

5.2 展望 27

参考文献 28

致 谢 30

第一章 绪论

1.1 引言

自1824年波特兰水泥（Portland cement）问世至今，水泥混凝土技术已有近两百年的发展历史。在20世纪和21世纪，水泥混凝土作为一种最主要的建筑结构材料和用量最多的人造材料在全世界范围内得到了广泛应用。在现代社会，混凝土构件构成了一条条高速公路、一座座跨河桥梁、一栋栋摩天大楼，给人类生活和交流带来了极大的便利。在水泥混凝土发展过程中，为适应建筑工程结构向大跨、重载、长寿命方向的发展需要^[1-2]，国内外专家长期致力于提高混凝土的强度。随着混凝土生产和施工技术的不断进步，以及外加剂（如高效减水剂）、矿物掺合料的应用，混凝土强度已经不是制约混凝土使用的瓶颈，相反混凝土结构的耐久性问题日趋严重^[3]。其中，混凝土中的裂缝对其耐久性危害很大。不论是将混凝土直接现浇做成混凝土构件,还是做成预制构件（如混凝土梁），混凝土一直存在一个致命的缺点：混凝土材料易产生裂缝^[4]。