随着城市基础设施建设的发展,装配式住宅、城市轨交隧道等工程项目建设蓬勃发展,这类施工进度快的工程对混凝土预制构件强度有较高的要求。因此,如何提高混凝土预制构件的早期强度是技术关键。通常情况下,提高混凝土早期强度的途径主要有三种:一是使用特种水泥或增加水泥用量,但成本高、能耗大使得该途径受到限制;二是采用蒸汽养护来提高混凝土的早期强度,但混凝土的体积稳定性和耐久性难以保证,且能耗高,不利于环保;三是使用早强剂,但传统的早强剂只注重早期强度,而忽视对混凝土长期性能的影响,在工程使用上会造成不良影响。无机盐类,如氯盐、硫酸盐、碳酸盐等早强剂会严重降低混凝土的耐久性,含碱(钾钠离子)等早强剂存在盐析、激发碱骨料反应及水泥适应性差等缺陷;有机化合物类,如三乙醇胺、甲酸钙等早强剂与水泥适应性存在问题,且不宜采用蒸养制度。鉴于上述传统早强剂的缺陷,研发新型混凝土早强剂是非常有必要的。水化硅酸钙(C-S-H)作为水泥基材料最主要的水化产物,是水泥石强度的最主要来源,而C-S-H在水泥中的生长结构,组成及最终形貌对水泥早期强度有着极其重要的影响。通过对水泥水化机理进行详细分析可知水泥水化产物成核结晶是制约水泥水化反应的主要因素之一。因此,本文创造性地合成纳米C-S-H溶胶颗粒作为新型混凝土早强剂,在水泥水化体系中掺入C-S-H晶种以探究C-S-H对水泥水化过程的影响。首先利用结晶化学的基本理论设计了合成C-S-H晶种的技术路线。采用溶液沉淀法制备C-S-H,并通过改变分散剂、钙硅比、反应时间及掺杂离子来探究影响C-S-H微观结构的因素。利用纳米粒径分析仪、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)及高分辨率透射电子显微镜(TEM)等多种测试手段对制得的C-S-H进行粒径、结构和形貌等方面的微观分析,得出不同条件下制备的C-S-H存在的微观结构、形貌的差异为后续应用提供了理论支撑。将不同条件下制备的C-S-H掺入水泥水化浆体中,探究C-S-H晶种对水泥水化过程的影响。实验结果显示,掺有C-S-H的水泥浆体较空白水泥浆体而言,早期强度增强,凝结时间缩短,水化放热速度加快,这是由于C-S-H作为晶核掺入水泥浆体可降低水化过程中C-S-H的成核能垒,促进水化速度的加快并生成更多水化产物,最终使得混凝土凝结硬化加快,早期强度提高。对水泥浆体的水化产物进行DSC-TG分析发现,掺C-S-H的水泥浆体中水化产物C-S-H和AFt的脱水吸热谷强度及质量损失(TG曲线)增加,说明掺C-S-H使得水泥浆体中C-S-H凝胶等水化产物显著增多;通过观察掺C-S-H的水泥水化产物的微观形貌可以发现,空白水泥浆体中多为结晶程度不高的絮凝状物质,而掺有C-S-H的水泥浆体则多是构致密的网状或针状物质,由此佐证了 C-S-H掺入到水泥浆体中能促进水泥中C-S-H的生成,提高产物结晶度,最终提高水泥早期强度。此外,实验中还对掺有不同类型C-S-H的水泥水化浆体化学结合水及水化程度进行计算,模拟出水化反应速率曲线,进而判断水泥水化历程。不同类型的C-S-H样品对水泥水化反应控制机制有所不同。水泥水化反应过程比较符合NG-I-D机制,水化初期结晶与成核阶段(NG)是控制因素,随着水化程度的提高,逐渐转由I或D控制反应。但在掺有C-S-H的水泥水化反应中,掺入的C-S-H提供更多了晶核,成核势垒降低更为明显,因此水化反应速率较快,反应由结晶与成核(NG)阶段快速进入扩散(D)阶段。