纳米钙矾石对超硫酸盐水泥基泡沫混凝土性能的影响

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1128

摘要/Abstract

摘要：

超硫酸盐水泥基泡沫混凝土（SSC-FC）因碳排放量少和成本较低，在建筑节能领域具有广阔的应用前景。然而，SSC-FC早期水化缓慢，水化产物生成不足，导致孔壁致密性差，力学性能与抗碳化能力不足，这些问题严重限制了SSC-FC的工程化应用。本研究利用纳米钙矾石（nano AFt）的晶核诱导效应强化SSC-FC的孔壁结构，系统分析了nano AFt掺量对SSC-FC力学性能及抗碳化性能的影响规律，并采用水化热、XRD、SEM等方法揭示了nano AFt对SSC-FC水化历程、物相组成及孔隙结构演变的作用机制。结果表明：nano AFt的掺入加速了早期水化反应，促进了AFt在孔壁界面处生成，这一过程使孔壁结构更加致密。当nano AFt掺量为8%（质量分数）时，SSC-FC的7 d抗压强度由1.26 MPa提高至2.08 MPa，28 d抗压强度由2.37 MPa提高至3.61 MPa。此外，nano AFt能够细化孔径分布，降低孔隙配位数，减少连通孔的数量，从而有效限制了CO₂的传输。在1 d加速碳化条件下，掺加8% nano AFt的样品仍保留25 mm的未碳化区域，碳化系数由0.88提高至0.92。

关键词: 超硫酸盐水泥, 纳米钙矾石, 泡沫混凝土, 孔结构, 孔壁, 抗碳化性能

Abstract:

Supersulfated cement-based foamed concrete （SSC-FC） has broad application potential in the field of building energy conservation due to its lower carbon emissions and cost. However， its slow early hydration and insufficient formation of hydration products of SSC-FC result in poor pore-wall compactness， leading to inadequate mechanical properties and carbonation resistance， which significantly limit its engineering applications. In this study， nano ettringite （nano AFt） was incorporated to enhance the pore-wall structure of SSC-FC through its nucleation-induced effect. The influence of nano AFt content on the mechanical properties and carbonation resistance of SSC-FC was systematically investigated， and the mechanisms on hydration process， phase composition， and pore-structure evolution were analyzed using isothermal calorimetry， XRD， SEM. The results show that the incorporation of nano AFt accelerates early hydration and promotes the formation of AFt at the pore-wall interface， leading to a denser pore-wall structure. When the nano AFt content reaches 8%（mass fraction）， the 7 d compressive strength of SSC-FC increases from 1.26 MPa to 2.08 MPa， and the 28 d compressive strength increases from 2.37 MPa to 3.61 MPa. In addition， nano AFt refines the pore size distribution， reduces the pore coordination number， and decreases the number of connected pores， thereby restricting CO₂ transport. Under 1 d accelerated carbonation conditions， the sample with 8% nano AFt retains an uncarbonated region of 25 mm， and its carbonation coefficient increases from 0.88 to 0.92.

Key words: supersulfated cement, nano AFt, foam concrete, pore structure, pore wall, carbonation resistance

中图分类号:

TU528.2

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图/表 16

表1 原材料的主要化学组成

Table 1 Main chemical composition of raw materials

Material	Mass fraction/%
Material	CaO	SiO₂	Al₂O₃	MgO	SO₃	Fe₂O₃	TiO₂	P₂O₅	LOI
GGBS	42.45	32.66	13.69	6.39	2.62	0.32	0.69	—	1.11
SS	40.83	14.24	3.89	5.57	0.48	26.75	0.62	1.48	4.15
PG	34.17	5.54	0.68	0.09	48.49	0.25	0.11	0.85	8.49

图1 纳米钙矾石的物相组成与粒径分布

Fig.1 Phase composition and particle size distribution of nano AFt

表2 泡沫液配合比

Table 2 Mix ratio of foam liquid

Sample	Mass/g
Sample	PFA	AOS	XG	Nano AFt	Water
Blank	1.0	0.6	0.2	0	100
Nano AFt-2%	1.0	0.6	0.2	2.0	100
Nano AFt-4%	1.0	0.6	0.2	4.0	100
Nano AFt-6%	1.0	0.6	0.2	6.0	100
Nano AFt-8%	1.0	0.6	0.2	8.0	100

表3 SSC-FC配合比

Table 3 Mix ratio of SSC-FC

Sample	Target density/（kg·m^-3）	Mass/g
Sample	Target density/（kg·m^-3）	PG	GGBS	SS	Water	PCE	Foam
Blank	800	148	385	59	207.2	1.8	23.36
Nano AFt-2%	800	148	385	59	207.2	1.8	25.58
Nano AFt-4%	800	148	385	59	207.2	1.8	26.74
Nano AFt-6%	800	148	385	59	207.2	1.8	28.03
Nano AFt-8%	800	148	385	59	207.2	1.8	29.01

图2 纳米钙矾石对SSC-FC碳化深度的影响

Fig.2 Effect of nano AFt on carbonization depth of SSC-FC

图3 纳米钙矾石对SSC-FC碳化系数的影响

Fig.3 Effect of nano AFt on carbonization coefficient of SSC-FC

图4 纳米钙矾石对SSC-FC密度的影响

Fig.4 Effect of nano AFt on density of SSC-FC

图5 纳米钙矾石对SSC-FC抗压强度的影响

Fig.5 Effect of nano AFt on compressive strength of SSC-FC

图6 纳米钙矾石对SSC-FC水化热的影响

Fig.6 Effect of nano AFt on hydration heat of SSC-FC

图7 纳米钙矾石对SSC-FC物相组成的影响

Fig.7 Effect of nano AFt on phase composition of SSC-FC

图8 纳米钙矾石对SSC-FC微观结构的影响

Fig.8 Effect of nano AFt on microstructure of SSC-FC

图9 纳米钙矾石对SSC-FC孔壁结构的影响

Fig.9 Effect of nano AFt on pore wall structure of SSC-FC

图10 纳米钙矾石对SSC-FC孔隙分布（0~300 μm）的影响

Fig.10 Effect of nano AFt on pore distribution （0~300 μm） of SSC-FC

图11 纳米钙矾石对SSC-FC孔隙分布的影响

Fig.11 Effect of nano AFt on pore distribution of SSC-FC

图12 纳米钙矾石对SSC-FC孔隙连通性的影响

Fig.12 Effect of nano AFt on pore connectivity of SSC-FC

图13 纳米钙矾石对SSC-FC喉道配位数的影响

Fig.13 Effect of nano AFt on throat coordination number of SSC-FC

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