[973]高性能水泥制备和应用的基础研究

项目名称： 高性能水泥制备和应用的基础研究 首席科学家： 陈益民 中国建筑材料科学院

许仲梓 南京工业大学

起止年限： 2004年6月 至 2006年8月 依托部门： 中国建筑材料科学研究院

一、研究内容和课题设置

1.项目计划任务书原定内容

高胶凝性水泥熟料体系： 高C3S含量的熟料相体系研究：将C3S含量由50—60%提高到70%以上，以适应制备高强度水泥和高的混合材料掺加量。研究重点在于C3S形成的动力学，包括矿化剂作用下的成核和晶体晶格畸变及其对晶体生长的影响，水泥熟料矿物体系在急速升温、降温条件下的固相、液相化学反应。 含高胶凝性矿相的水泥熟料体系（阿利特—硫铝酸盐体系）研究：在传统的硅酸盐水泥熟料相体系中引入C4A3S等具有早强高强性能的矿相，以C4A3S取代C3A，获得一个新的具有高胶凝性的水泥熟料矿相体系。研究重点在于加速C3S形成的动力学和延缓C4A3S分解的动力学、二者共存条件和机理、各熟料矿物之间的最优匹配。 阿利特和贝利特相晶体结构调整与激活机理，化学组成与结构介稳程度的关系。特别是在高C3S体系中掺杂和改变热历史促使C3S晶体由板状结构转向树枝状高活性C3S晶体的机理。 复合增强熟料体系及其性能互补理论： 在传统的硅酸盐水泥熟料基础上，复合其它相体系的水泥熟料，实现高强高耐久的原理研究。包括(1)与C4A3S—C2S—C4AF—CaSO4体系的硫铝酸盐熟料和铁铝酸盐熟料复合的原理，(2)与L相—CA—CXP体系的磷铝酸盐熟料复合的原理，(3)与硅酸盐体系的超高铁铝酸盐熟料及高贝利特熟料复合的原理。重点研究不同熟料复合的相容性条件和原理，克服性能劣化的方法和机理，实现各优势性能叠加。 性能调节型辅助性胶凝材料活化的化学与物理： 高性能水泥与水泥基材料中将含有性能调节型辅助胶凝组份作为其重要组份，研究重点是： 从粉煤灰、煤矸石、赤泥、钢渣、磷渣以及矿渣等辅助性胶凝材料的本质特性出发，研究它们与潜在胶凝性的相关性，探索具有潜在活性的CaO-MgO-Al2O3-SiO2系玻璃态材料、具有火山灰活性的硅铝酸盐玻璃体、非熟料介稳结晶态组分的充分激活的条件和激发机理、多种性能调节型组分在水泥中复合效应和功能叠加理论，诸组分颗粒微细化的力化学理论，辅助性胶凝材料与硅酸盐水泥、化学外加剂等的相互适应性，研究主要水化产物的化学组成和微观结构特征，在水泥基材料构形成和演变中的作用，以及改善水泥基材料的力学性能和耐久性的作用机理等。 高性能水泥水化机理和水泥石结构优化： 高胶凝性熟料、复合熟料以及含性能调节型辅助胶凝组份制成的水泥水化过程和机理，体系液相组成及其对性能调节型组份的激发机理，各个组份溶解、扩散过程动力学及性能调节型组份的表面反应动力学，特别是要对辅助性胶凝组份在水泥基材料中的作用机理进行系统的研究。 C-S-H凝胶的结构随体系原始组成的变化规律，包括C/S比例、S/H比例的变化规律及其对性能的影响; 尤其是性能调节性辅助性胶凝组份对其影响。 水泥水化产物的类型、分布与调整原理，特别是水化体中AFt、AFm、CH等晶体和CSH凝胶体的比例和时空分布随原始组成的变化规律；水化物与未水化粒子的最优匹配及界面结构演变过程。 高胶凝性熟料及复合化（包括熟料相的复合、性能调节材料的复合等）条件下产生的水泥石结构形成过程，性能调节型组份对该过程的优化机理。包括各相之间的连生、键合及结构形成与密实化过程；硬化体的孔结构演变与调整原理；水泥石多相、多孔、多尺度精细结构与宏观行为之间的关系。 研究辅助性胶凝材料、水胶比等因素对水泥石体积稳定性、尤其是早期的体积稳定性的影响，研究重点是从大掺量辅助性胶凝材料和较低水胶比体系的水泥基材料的组成、结构特征和力学性能等特性出发，研究水泥基材料在不同环境条件下的收缩机理，体积稳定性的影响，研究改善水泥基材料体积稳定性的有效措施及作用机理。 高性能水泥基材料的环境行为和失效机理： 主要研究高性能水泥在各个环境因素复合作用下的破坏机理。水泥基复合材料由大量不同形态、不同功能增强体（如砂石、钢筋、纤维等）组成。因此要研究高性能水泥水化物与增强体之间的界面反应与界面结构；研究高性能水泥石和水泥基材料在不同服役条件下的环境行为、结构演变和失效机理，如CO2、SO42-、Cl-和其它侵蚀性介质（海水或其它化学溶液）与水泥水化物的化学反应，冻融循环作用等，提出改善水泥环境行为和提高耐久性的措施和机理。

（具体说明每个课题的主要研究内容、目标、承担单位、课题负责人及主要学术骨干、经费比例等） 第一课题：高胶凝性水泥熟料矿物体系的研究 （经费27.2%） 高胶凝性水泥熟料矿物体系是制备高性能水泥的关键组分，起到主要的胶结作用。它除了发挥早期强度之外，还对性能调节型辅助胶凝材料的活性激发起重要作用，将直接决定辅助胶凝材料的最高用量。本课题的主要研究内容：  高钙体系中C3S的形成动力学研究 传统的CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3体系中急速升温条件下C3S形成动力学和加速形成机理，微量组分对动力学过程和动力学参数的影响。  熟料矿物介稳态结构形成过程与形貌调整 研究熟料矿物形成与晶体生长控制原理，通过掺杂、优化组成、控制热历史等手段提高矿物介稳化程度，以提高熟料矿物的胶凝性。  建立新的高胶凝性矿相体系研究 在传统相体系中引入新的高胶凝性矿相（如C4A3S），研究水泥熟料各组分的相互作用与非平衡状态的相互匹配关系。  矿物在各种条件下的形成和分解动力学。 研究非传统体系中C3S的形成动力学和C4A3S的动力学分解，寻求加速C3S低温形成和延缓高温分解的原理与方法，以期获得二者共存的最佳条件，为制备新的高胶凝性熟料体系奠定基础。 研究目标： 在高胶凝性水泥熟料相组成和性能上有重大突破，获得胶凝性高于现有水泥熟料的相体系。在水泥熟料形成理论上取得重大进展，可以有效指导高胶凝性水泥熟料的制备过程。该高胶凝性的水泥熟料适合于制备高性能水泥：在相同熟料用量的条件下水泥强度能够较传统熟料水泥提高一个强度等级；在相同水泥产量条件下水泥熟料用量将减少30%。实现工业化生产和应用后，水泥生产综合能耗将降低20%、环境负荷降低30%。 主要承担单位：中国建筑材料科学研究院，南京工业大学，北京工业大学 课题负责人：陈益民，沈晓冬 主要骨干：陈益民，沈晓冬，郭随华，兰明章，林震，周勇敏 第二课题：高胶凝性和特性熟料复合体系的研究（经费8%） 不同体系的熟料分别制备，通过将其科学地复合可以实现性能的叠加和互补，提高熟料胶凝性能和硬化体致密性，使性能调节更加灵活。本课题的主要研究内容：  硅酸盐水泥熟料与硫铝酸盐熟料的复合 主要解决凝结时间过快和硬化体膨胀破坏问题，选择适宜的熟料矿物组成，研究改善二个体系主要矿物的水化速率协调性的基本原理，通过选择性吸附的化学外加剂延缓和加速不同矿物的水化。研究含铝矿物与硅酸盐矿物之间构成最优结构的组成匹配关系。得到明显优于单一熟料体系的物理力学性能，为加大性能调节型辅助胶凝组分掺量提供基础。  硅酸盐水泥熟料与磷铝酸盐熟料的复合。 研究二种熟料之间的最佳配合比例、强度增加机理。确定磷铝酸盐熟料中L相和其它相的组成与结构及其对复合水泥熟料性能的影响。  硅酸盐水泥熟料与超高铁熟料、高贝利特熟料的复合。 研究解决超高铁熟料、高贝利特熟料制备中存在的基础问题，研究不同熟料复合后水泥的水化热、强度、微膨胀等性能调控的机理和其它少量组分的种类与作用。 研究目标： 解决不同熟料矿相组成设计、水泥水化进程控制以及水化产物胶凝性和耐久性的优化匹配问题，实现水泥石结构的控制与优化以及水泥性能的互补与叠加。最终突破传统水泥熟料在组成和性能上的局限，建立高性能水泥熟料相体系设计理论，获得高性能水泥的高胶凝性和特性复合熟料矿物体系，从而为高性能水泥的制备及应用奠定基础。 主要承担单位：中国建筑材料科学研究院，北京工业大学 课题负责人：隋同波，崔素萍 主要骨干：隋同波，崔素萍，文寨军 第三课题 性能调节型辅助胶凝组分的研究（经费24%） 性能调节型辅助胶凝材料是高性能水泥的主要组分之一，它与水泥熟料组成复合胶凝体系，旨在克服传统水泥高能耗、高污染以及物理力学性能方面的不足之处，赋予高性能水泥高强度、高流动度和高耐久性特性。该课题主要针对钢渣、粉煤灰、煤矸石、赤泥和磷渣等工业废弃物进行研究,主要研究内容：  性能调节型辅助胶凝组分介稳体系组成特性与活性研究 主要包括性能调节型辅助胶凝组分的组成特性（如化学和相组成、非典型玻璃分相结构等）、热历史、颗粒群特征等与其胶凝活性的相关性；研究在碱度、微细化等因素作用下，性能调节型辅助胶凝组分颗粒表面结构、物理化学变化特征与活化效果，建立其活性评价体系。  性能调节型辅助胶凝组分活化技术与理论 开展性能调节型辅助胶凝组分活化技术与理论的研究，充分激活性能调节型辅助胶凝组分的活性，研究活化涉及热力学机制、动力学界面物理与化学等问题，建立具有指导意义的活化理论。获得各个体系化学激活、物理激活和热技术途径与机理。  性能调节型辅助胶凝组分复合胶凝效应及其优化配伍理论研究 主要包括性能调节型辅助胶凝组分的活性在水化过程中的诱导激活效果、硬化水泥石微结构特征以及复合增强效果、机理与规律研究。建立特定使用环境下，性能调节型辅助胶凝材料优化配伍理论。  性能调节型辅助胶凝组分—熟料介稳体系多元复合胶凝效应及其性能设计 主要从热力学、动力学、力学性能与耐久性等角度，综合研究不同性能调节型辅助胶凝组分与熟料的多元复合胶凝效应、复合体系的适宜配比，建立体系达到高的强度、良好的工作性与优异耐久性的理论。  性能调节型辅助胶凝组分—熟料体系颗粒群特征参数优化设计理论研究 主要研究不同应力场和物理场作用下，颗粒微细化机理、机械能和化学能转化机制、表面活化机理、对活性的影响；研究复合体系的粒度分布、形状因子、形状指数、比表面积等颗粒群特征参数与流变学、水化动力学、显微结构特征、强度等性能的相关性，揭示体系颗粒群特征参数的性能优化控制范围，获得不同介稳体系颗粒微细化过程颗粒表面物理化学变化特征以及力-化学方法的激活效果。建立体系颗粒群特征参数优化设计理论。 研究目标： 阐明低钙性能调节型材料的介稳结构与潜在活性的关系及其激发机理；指导利用或合成低成本、低能耗的低钙性能调节型辅助胶凝材料，使原有已经应用的工业废弃物提高利用效率，未被利用的能够有效利用。 确定煤矸石、粉煤灰、钢渣、赤泥和磷渣等几种具有广泛代表性的工业废弃物转化成性能调节型辅助胶凝组分的活化方法与理论。找出有针对性的、大规模生产可行的活化方法，为高性能水泥用性能调节型辅助胶凝组分的工业化生产提供理论依据。 从复合体系的热力学状态改变、过程理论、界面化学与物理、结构优化、颗粒群特征参数等角度，提出适合于高性能水泥体系复合胶凝效应与性能优化设计理论，取得具有原创性的研究成果和基础理论。 通过本课题的研究，把上述几种工业废弃物转化成性能调节型辅助胶凝组分。在这几种工业废弃物原有利用水平上，将达到：(1)掺量30%时，性能调节型辅助胶凝组分—硅酸盐熟料的强度等级达到52.5强度等级要求；(2)掺量40～50%时，性能调节型辅助胶凝组分—熟料的强度等级达到42.5强度等级要求。同时保证水泥的其它性能与参数，符合有关国家标准要求。 主要承担单位：中国建筑材料科学研究院，南京工业大学，同济大学 课题负责人：张文生，李东旭 主要骨干：张文生,李东旭,张雄，张洪滔，陈敏，潘志华，张少明，叶枝荣 第四课题：水泥水化机理及过程控制（经费14%） 高性能水泥各组分之间及其水化产物的合理匹配、有效调控水泥的水化过程是获得优良性能的水泥石结构的基础。研究内容：  水泥各组分的水化反应动力学 研究水泥各矿物的水化过程，不同相体系矿物共存时的水化过程，及各个矿物的相互作用，特别是性能调节型辅助胶凝材料与水泥的相互作用。  水化反应产物形成及演变过程 研究水化产物的形成机制，不同水化龄期下水化产物的类型及其演变，研究水化产物与潜在活性组分之间的相互作用，研究温度、水/胶比、颗粒细度对此的影响。  化学外加剂的作用机理 研究调凝剂、早强剂、减水剂、引气剂和增粘剂等各种化学外加剂在水化过程中的作用机理及相互影响，及对水泥水化时溶液离子浓度及水化产物形态的影响；  水泥水化过程的控制与优化 研究水泥水化过程的调控手段，以及利用这些手段达到的能够调节水化产物的种类、数量和分布及调节水化放热率的效果。 研究目标：阐明不同养护条件（高温、室温、低温和负温）下高性能水泥体系的水化过程、相互作用规律及及控制机理，建立不同温度环境下水泥水化的热力学模型。阐明化学成分、温度、水/胶比、颗粒细度、化学外加剂的作用机理，找出调节水化产物种类、数量和分布，调节水化放热率的规律，为水泥石结构优化和水化控制提供理论基础，指导高强度、优异耐久性和低环境负荷的高性能水泥的制备和应用提供理论基础。 主要承担单位：同济大学，武汉理工大学 课题负责人：王培铭，胡曙光 主要骨干：王培铭，胡曙光，马保国，姚武，计亦奇，陈更新，丁庆军 第五课题：高性能水泥浆体的结构形成与优化（经费12.8%） 水泥的力学性能和耐久性能均由其硬化浆体来体现，水泥浆体的结构取决于各组分的特性及各组分间的相互作用。水泥硬化浆体结构随时间和环境条件变化而演变，大掺量辅助性胶凝材料和较低水胶比体系的水泥基材料的水化硬化机理及结构形成和演变规律有其自身的特点。研究内容：  水泥浆体形成过程 新拌水泥浆体的流变学，水化产物之间的连生、键合、界面结构及演变过程，各水化产物和未水化组分在水泥浆体演变过程中的作用；  水泥浆体结构的表征 研究水泥浆体多相、多孔和多尺度结构特征的测试方法和表征方法，建立水泥浆体特征模型；  水泥浆体结构形成的影响因素 研究在不同养护条件下的水泥浆体结构的形成过程，不同环境条件下随时间的演变规律；研究内部条件（矿物组成、颗粒细度、分布和化学外加剂）和外部条件（温度、压力、水/胶比）和化学外加剂对水泥浆体结构形成的影响规律，早期结构对后期结构的影响规律；  水泥浆体显微结构和宏观性能的影响 研究水泥浆体的不同物相、不同孔结构和不同尺度结构对其宏观性能的影响，建立相应的模型。  水泥浆体结构的优化 水泥浆体结构特征与其强度协调发展及其它宏观性能优化之间的关系，寻找水泥浆体结构的优化途径；提出大掺量辅助性胶凝材料和较低水胶比体系水泥基材料的自收缩、温度收缩和干燥收缩机理和测定方法；建立大掺量辅助性胶凝材料和较低水胶比体系水泥基材料的体积稳定性的评价体系，并提出改善水泥基材料体积稳定性的有效措施及其作用机理。确定研究早、中、后期性能协调发展的机制及规律。 研究目标： 明确高性能水泥基材料的流变学特征，确定高性能水泥基材料在不同养护条件下和不同环境条件下的水泥浆体结构的形成过程以及随时间的演变规律；找出水泥浆体结构特征与其宏观性能之间的关系，不同物相、不同孔结构和不同尺度结构对宏观性能的影响；建立高性能水泥体系的水泥浆体结构模型和结构控制理论；明确不同物相、不同孔结构和不同尺度结构对宏观性能的影响，建立水泥浆体结构特征与其宏观性能之间的关系；提出高性能水泥体积收缩特性及机理，组建水泥基材料的收缩-膨胀结构模型，开发改善水泥基材料体积稳定性的材料并阐明其作用机理；阐明高性能水泥早、中、后期性能协调发展的机制及基本规律，提出改善水泥基材料体积稳定性的有效措施，提出水泥浆体结构优化及控制途径，为水泥浆体结构的优化和高性能水泥基材料的设计、制备和应用提供理论基础。 主要承担单位：南京工业大学，同济大学 课题负责人：邓敏，施惠生 主要骨干：邓敏，施惠生，杨全兵，徐玲玲，吕忆农，严生 第六课题： 高性能水泥和水泥基材料的环境行为与失效机理（经费14%） 环境行为是水泥基材料性能的综合体现，是高性能水泥应用中的主要问题，尤其是多因素协同作用下的水泥基材料的失效行为研究缺乏。研究内容：  高性能水泥基材料的抗钢筋锈蚀机理 研究H2O和O2，当CO2和Cl-离子存在时高性能水泥基材料的钢筋失效规律与锈蚀机理，高性能水泥的矿相组成和化学组成与Cl-离子物理吸附和化学结合的关系。建立材料孔结构与抗碳化性和抗氯离子渗透性的量化关系及高抗钢筋锈蚀的途径和设计方法。水泥基材料在不同介质中渗透系数和扩散系数的测定方法，渗水系数、渗气系数和Cl-扩散系数与钢筋锈蚀的关系，渗水系数和渗气系数与抗碳化性的关系。  高性能水泥基材料抗硫酸盐、抗冻融和抗盐腐蚀机理 研究高性能水泥基材料在冻融循环作用下的破坏行为与机理，硫酸盐、氯盐、碳酸盐等典型盐类对高性能水泥基材料的化学侵蚀机理和盐结晶压破坏机理，水泥矿相组成和化学组成与盐腐蚀破坏的关系。建立水泥基材料孔结构与抗冻性和抗盐冻性的关系，探索高抗冻和抗盐腐蚀的途径和设计方法。渗水系数与抗冻性、抗盐冻性和抗盐腐蚀性的关系。  高性能水泥基材料在多因素协同作用下的失效机理 研究多因素协同作用下材料失效的模拟试验方法，在应力作用下水泥基材料的钢筋锈蚀和冻融破坏机理，在冻融循环和盐共同作用下水泥基材料的盐冻剥蚀破坏和钢筋锈蚀机理，在压力作用下高性能水泥基材料在化学介质中的溶蚀机理。水泥矿相组成和化学组成与水泥基材料微观结构如孔结构及界面区水化产物的分布与取向等的关系，高性能水泥基材料孔结构与渗水、渗气机理的关系。 研究目标：阐明高性能水泥基材料在典型环境条件下的破坏规律与失效机理，水泥石耐久性与水泥基材料耐久性的关系，以及高性能水泥矿相组成和化学组成与失效行为的关系，为高性能水泥的制备和高耐久性水泥基材料的设计提供科学依据，也为水泥基材料的耐久性评估和使用寿命预测提供必要的理论基础。 阐明Ca(OH)2矿相作用与水泥石、水泥基材料耐久性失效的关系，明确高性能水泥基材料中Ca(OH)2矿相的最低临界数量。通过系统研究高性能水泥基材料中钢筋锈蚀行为与机理、高性能水泥基材料耐物理侵蚀和化学侵蚀行为与机理、高性能水泥基材料中碱集料反应行为与机理、多因素协同作用下高性能水泥基材料的失效机理，阐明高性能水泥基材料在典型环境条件下的破坏规律与失效机理，水泥石耐久性与水泥基材料耐久性的关系，以及高性能水泥矿相组成和化学组成与高性能水泥基材料失效行为的关系，为高性能水泥的制备和高耐久性水泥基材料的设计提供依据，也为水泥基材料的耐久性评估和使用寿命预测提供必要的理论基础。 主要承担单位：南京工业大学，中国建筑材料科学研究院 课题负责人：许仲梓，姚燕 主要骨干：许仲梓，姚燕，李建勇，王玲，沈洋, 王栋民 各个课题之间的联系以及与总体目标的关系： 本项目分六个课题，各个课题都紧密围绕总体目标和关键科学问题开展研究，是实现总体目标的相互联系的有机组成部分。第一、二、三课题研究高性能水泥的主要组分，涉及高性能水泥的制备理论，为提高性能和降低环境负荷奠定基础。通过熟料体系高胶凝化及介稳结构控制、相组成优化匹配、性能调节型组分制备原理等的研究获得高胶凝性和高活性的高性能水泥材料的优化组成。第四、五、六课题研究高性能水泥的水化、硬化和结构演变规律及其与强度和耐久性的关系，以获得致密的和体积稳定的水泥石结构，并研究水泥石和水泥基材料在典型环境条件下多因素作用的失效机理，属于高性能水泥应用的基础性问题，也为高强度和高耐久的水泥材料设计提供依据。综合这些研究成果，就可以设计出强度与耐久性兼优和早、中、后期强度协调发展的高性能低钙水泥新体系。

2.后三年调整方案

1．研究内容 由于前两年的研究显示出良好的前景，同时也发现研究和应用高性能水泥还有更多的基础问题需要深入研究和证实，即使是原定计划在前两年的内容在后一阶段也仍然需要进一步根深入地研究，因此下一阶段在原定的计划上作少量调整，以高胶凝性水泥熟料体系、辅助胶凝组分的活化和高稳定高耐久性的低钙水泥石结构及其耐久性为重点。 高胶凝性水泥熟料体系： 该熟料体系以高硅酸三钙的熟料体系为主，以含有无水硫铝酸盐的硅酸盐熟料体系和复合的熟料体系为辅。 更深入开展阿利特晶体结构的研究，研究的层次比原定计划更深入。利用精细的常温和高温X射线衍射、高分辨电镜及其它微观测试方法研究C3S和阿利特晶体的精细结构及其在掺杂和热历史的影响规律。为了使高胶凝性熟料研究成果有广阔的推广应用范围，下一阶段将扩大研究面，开展更广泛的多元掺杂效应研究，确定阴离子和阳离子掺杂作用下晶体结构变化（如晶格畸变）及其对晶体生长的影响，为扩大有效掺杂工业废弃物的来源提供理论依据，使多元掺杂作用有效性的研究和作用机理研究更有针对性。由此解释和证实热历史和掺杂等因素对阿利特晶体结构的影响规律，解释阿利特晶体结构和晶格畸变化规律及其对熟料胶凝性的影响规律。热历史对C3S和阿利特晶格畸变和高度介稳化程度的影响规律，对热历史条件进行优化，以获得最大限度的介稳态结构和畸变化晶格，为热工制度的完善提供理论依据，为高胶凝性水泥熟料制备的生产装备提出发展和改进的目标。 研究、验证和确定C3S含量由50～60%提高到70%以上的水泥熟料体系形成动力学过程，在高C3S含量熟料加速形成动力学过程的原理方面取得重大进展。在解决科学问题基础上，进一步研究CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3体系高胶凝性水泥熟料矿相匹配和工艺条件的优化，在建立的科学理论指导下研究高C3S含量高胶凝性水泥材料的制备技术，最大限度地提高熟料的胶凝性能，以适应制备高强度水泥和高的混合材料掺加量。 高胶凝性水泥熟料制备条件与工艺适应性的研究。一方面是研究能够实现工业化规模的工艺参数；另一方面根据全国不同地区资源不同、原料品位有较大差别的实际情况，研究所提出的科学理论应用于不同阿利特含量的熟料的可行性。在确定高C3S系熟料的掺杂类型和相关工艺条件的基础上，进一步进行半工业化试验、并确定工业化制备工艺条件。同时增加工业化试验的研究内容。 研究并完成不同条件下C3S与非硅酸盐类高胶凝性矿物的形成及分解动力学过程及机理研究，确定加速C3S形成、减低或避免C4A3S等高活性矿物分解的可靠方法，比如借鉴高阿利特熟料体系的研究成果，采用掺加CuO、P2O5等多元杂质加速阿利特在低温的形成速度，获得C3S与C4A3S等矿物形成与分解动力学协调性的条件，确立含非硅酸盐高胶凝性矿物相高胶凝性熟料体系的亚平衡相匹配关系。在提高C3S含量条件下研究C3S与C4A3S介稳共存关系和协调技术，优化适应于工业化生产的介稳态共存条件，并确定含C4A3S等高胶凝性矿相的高胶凝性熟料制备工艺条件，开展含非硅酸盐高活性矿相高胶凝性熟料的半工业化试验。 复合熟料方面，研究在传统的硅酸盐水泥熟料基础上复合其它相体系的水泥熟料实现高强高耐久的原理。包括硅酸盐水泥熟料与C4A3S—C2S—C4AF—CaSO4体系的硫铝酸盐熟料和铁铝酸盐熟料复合，硅酸盐水泥熟料与硅酸盐体系的超高铁铝酸盐熟料及高贝利特熟料复合。重点研究不同熟料复合的相容性条件和原理，克服性能劣化的方法和机理，实现各优势性能叠加。 性能调节型辅助性胶凝材料活化的化学、物理与方法： 对煤矸石、粉煤灰做详细的调研分析工作，掌握煤矸石和粉煤灰的资源分布情况，掌握煤矸石的组成、矿物种类变化特点，掌握粉煤灰的成分、矿物组成、粒度分布特征等。从粉煤灰、煤矸石以及矿渣等辅助性胶凝材料的本质特性出发，研究和确立活化工业废渣制备辅助性胶凝组分的激活方法和理论，确定具有潜在活性的CaO-MgO-Al2O3-SiO2系玻璃态材料、具有火山灰活性的硅铝酸盐玻璃体、非熟料介稳结晶态组分的充分激活的方式、条件和激发机理，研究和证实它们的激发方式和介稳化状态与潜在胶凝性的相关性，多种性能调节型组分在水泥中复合效应和功能叠加理论，诸组分颗粒微细化的力化学理论，在水泥基材料构形成和演变中的作用，以及改善水泥基材料的力学性能和耐久性的作用机理。 研究分析验证前两年初步提出的理论框架的适用性问题：煤矸石的化学与热复合激发使其内部原子团或离子周边的化学环境发生改变，粉煤灰颗粒微细化过程中的力化学效应，致使煤矸石和粉煤灰的活性提高。并对这些理论框架进一步修正完善。更重要的是，要在目前形成理论框架的依据等方面进行深入研究，最终提出有共性的活化理论和活化方法，同时有充分的科学理论依据和试验验证数据来支持活化理论和方法。 在煤矸石与粉煤灰的活性大小及其发挥速率、颗粒分布与颗粒级配等方面，研究这些因素对煤矸石、粉煤灰或者它们和矿渣等组分复合制成的辅助胶凝组分与硅酸盐水泥复合样品强度和耐久性的影响，从中获得煤矸石、粉煤灰、矿渣与硅酸盐水泥复合的最佳参数，达到复合高性能水泥的工作性、强度和耐久性协调发展。 从性能调节型辅助胶凝材料对复合体系的水化、结构优化、力学性能和耐久性的作用机理出发，阐明适合于性能调节型辅助胶凝组分—熟料介稳体系多元复合胶凝效应及其性能设计理论。确定性能调节型辅助胶凝组分—熟料介稳体系的颗粒群特性（包括粒度及其分布、形状因子、形状指数、比表面积和表面分维特征）与体系物理性能、微结构、动力学、流变特性等的相关性，确定复合介稳体系颗粒群特征参数的优化控制范围和优化设计理论。 在辅助性胶凝组分的潜在胶凝性激发机理研究的基础上研究适合于工业化生产的煤矸石和粉煤灰的活性激发条件，找出有针对性的大规模生产可行的物理-化学方法，为辅助性胶凝材料的资源化和工业化提供理论依据。开展性能调节型辅助胶凝组分的活化方法的工业性试验，为确定工业条件提供指导性依据。 结合高胶凝性水泥熟料的研究成果，从辅助胶凝组分对水泥基材料的水化机理、结构优化、力学性能和耐久性的作用机理出发，建立性能但组分或多度份复合的调节型胶凝组份—熟料多元复合体系性能设计模型。将高胶凝性水泥熟料和活化的高活性性能调节型辅助胶凝组分相配合，通过调整水泥诸组分的比例、微细化程度和级配，获得密实的水泥浆体初始结构，并使其早、中、后期强度协调发展。实现在相同熟料用量下制备高性能水泥时，性能较传统熟料水泥能够提高一个强度等级；在相同水泥产量条件下熟料用量将减少30%。 高性能水泥水化机理和水泥石结构优化： 采用先进的研究测试手段，定量分析水泥熟料与活化煤矸石、粉煤灰等混合物水化产物及未水化产物，建立水化过程模型。研究高胶凝性水泥熟料和活化的辅助性胶凝组分（煤矸石、粉煤灰或者他们与矿渣等其他组分复合）构成的高性能水泥体系的水化过程和水化机理，水泥放热规律，水化产物与未水化相的类别和数量及其随时间的演变过程，主要水化产物的形态及聚合度，各水化产物和未水化组分在水泥浆体演变过程中的作用。 研究水胶比和颗粒细度的作用，研究高性能水泥中熟料和活化煤矸石、粉煤灰等颗粒反应程度及颗粒表面反应深度随时间的变化，初步建立颗粒反应模型。通过研究孔溶液浓度变化和水化产物形态探讨高C3S水泥熟料和辅助胶凝组分（活化煤矸石和粉煤灰等）相互促进机理，研究生成高稳定性的低钙硅比或高聚合度的水化硅酸钙的可能性。研究化学外加剂对水泥水化过程的影响、与高性能水泥的适应范围、对高C3S熟料水泥和活化煤矸石、粉煤灰等辅助胶凝组分复合体系的作用机理。 研究高C3S熟料-煤矸石等辅助性胶凝材料体系的高性能水泥水化硬化浆体结构形成与表征，特别是在低水胶比条件下的水化硬化过程、结构形成和演变规律，以及结构的表征方法。研究水化产物的形成、产物间的连生、键合过程及其随时间的演变规律，从微观、细观等不同结构层次上研究不同龄期各种水化产物之间和各水化产物和未水化组分之间的界面结构特征，水泥矿物组成、细度和颗粒分布、化学外加剂、水胶比、养护温度、环境条件等对水泥硬化浆体结构形成和其早期结构对后期结构形成的影响规律，硬化水泥浆体多相、多孔和多尺度结构特征的测试方法和表征方法，建立硬化水泥浆体结构模型，对硬化水泥浆体多相、多孔、多尺度的复杂体系进行系统的定性和定量分析，包括已经水化的产物与未水化颗粒间的界面结构测定、孔结构演变规律、水化产物和未水化颗粒的演变规律测定等，探索确定硬化水泥浆体结构特征的表征方法，建立硬化水泥浆体结构模型。 研究高胶凝性水泥熟料和活化的辅助胶凝组分构成的高性能水泥水化硬化体的结构与性能的关系。从孔结构、反应程度、水化产物与未反应颗粒界面等方面研究高C3S熟料-煤矸石等辅助性胶凝材料系统水泥硬化体的微观结构和力学性能，并与传统水泥进行比较；继而研究以煤矸石为主的辅助性胶凝材料的反应活性对浆体强度的影响，检验辅助性胶凝材料颗粒表面活化的思想，优化水泥浆体强度模型。研究高C3S熟料-煤矸石等辅助性胶凝材料系统水泥浆体水化产物组成和微观结构形态与在典型使用环境如淡水、海水等介质中化学稳定性之间的关系，建立浆体在典型使用环境介质中的破坏模型。 研究水泥浆体微观结构与抗裂性之间的关系，高C3S熟料-煤矸石等辅助性胶凝材料系统水泥浆体抗裂性的评价方法，以及浆体孔径大小和孔分布、水化产物组成与微观结构形态对浆体变形特性和抗裂性的影响。研究高胶凝性水泥熟料和活化的辅助胶凝组分构成的高性能水泥水化硬化浆体体积稳定性和优化方法。研究高性能水泥浆体的收缩测定方法的完善及收缩机理。针对高性能水泥熟料（主要是高胶凝性、高含量C3S熟料）-高性能辅助性胶凝材料（主要是煤矸石）体系的特点，对已建立的收缩测定方法进行改进和完善。研究体系的自收缩、干燥收缩、温度收缩过程、特征及机理，矿物组成、煤矸石、水胶比、养护条件等的影响，建立相关的模型和水泥基材料体积稳定性的评价体系。研究收缩的补偿技术及机理，提出收缩补偿必须是长龄期的，不仅要解决早期收缩，还要控制后期收缩的思想，研究膨胀材料和化学减缩材料的补偿技术。研制相应的膨胀材料并阐明其膨胀机理和对收缩的补偿作用。改进化学减缩材料的组成和制备技术，使之对水泥浆体的收缩进行有效的补偿。采用膨胀材料和化学减缩材料的复合补偿，强化其作用。 研究水泥浆体结构特征与其强度协调发展及其它宏观性能优化之间的关系，早、中、后期性能协调发展的机制及规律，提出水泥浆体结构优化的技术措施，实现高性能水泥基材料结构的优化。 高性能水泥基材料的环境行为和失效机理： 研究高性能水泥基材料特有组成的耐久性：Ca(OH)2对CSH稳定性影响，建立Ca(OH)2矿相含量与CSH凝胶中钙/硅比的相互变化关系；在高性能水泥辅助性胶凝材料中活性SiO2与Ca(OH)2相互作用的关系；水化中后期，高、低钙/硅比的CSH凝胶在纳米层次上的组成与结构特征，提出低钙/硅比的CSH凝胶稳定存在的科学证据。重点研究并建立高性能水泥基材料中Ca(OH)2矿相对体系碱度维持的影响，确定其动力学规律，与现有体系的对比，评估对耐久性的影响。 研究高性能水泥基材料组成内部反应的新破坏机理与控制：高性能水泥基材料水化浆体中碱环境特点及其变化规律，建立与新碱环境相适应的碳酸盐集料、硅质集料的使用方法。重点研究水化中、后期高、低钙/硅比的CSH凝胶组成和结构与持碱能力关系，从纳米层次上研究CSH凝胶持碱的机制。对比研究高温和常温条件下，水化浆体组成、结构与碱集料反应膨胀性能的关系，特别是从CSH凝胶的持碱能力随温度的变化规律，提出“混合材抑制碱硅酸反应评估方法”的理论依据，设计和证明具有高耐久性的高性能水泥基材料的组成和控制条件，指导高性能水泥制造。研究复杂条件下适合混凝土施工现场使用的抗碱集料反应破坏评估方法，解决国际上的理论和应用难题。 研究环境中化学介质在高性能水泥基材料中的渗透、扩散和腐蚀机理与控制：低钙/硅比CSH组成条件下的高性能水泥基材料孔结构、界面结构特征，环境介质与水化产物的结合能力、渗透规律与时效分布；研究腐蚀介质的渗透模型；环境介质与材料组成之间的相互作用及其产物的稳定性；对相关耐久性的影响程度评估。氯盐和硫酸盐等环境介质作用下高性能水泥基材料的破坏行为与机理，研究化学侵蚀机理和控制方法。 研究高性能水泥基材料与环境能量交换及其破坏机理与控制：高性能水泥基材料在不同能量交换条件下，材料本身的抗冻性能，失效动力学过程和特点；确定引气组分与材料组成和结构的互相作用与适应机制；建立相关的理论模型。在不同能量交换条件下，引气组分与材料组成和结构的互相作用与适应机制。在理论创新的基础上，研究出适合高性能水泥基材料特有的引气剂，并提出良好环境协调能力的新材料的设计理论和方法。 研究高性能水泥基材料在多因素协同作用下的失效机理与控制：继续研究低饱和Ca(OH)2材料中碱集料反应分别和冻融循环、钢筋锈蚀、环境应力作用、腐蚀破坏等协同破坏的动力学特征和规律，最终提出建立协同破坏机理与控制方法。研究高性能水泥基材料在多因素条件下，耐百年的材料组成设计理论和控制方法；快速检验的理论和方法，为高性能水泥基材料的耐百年寿命提供充分依据。 研究高性能水泥基材料配制混凝土的早期收缩开裂性能和控制措施：研究高性泥基材料的混凝土宏观结构稳定性，提出高性能水泥基材料配制混凝土的早期物理行为特征。研究高性能水泥基材料与混凝土外加剂的适应性，提出混凝土早期物理的控制措施。 2．课题设置 考虑到研究工作的延续性和各个课题在前一阶段均基本完成了计划任务，而且对项目的完成都有一些作用，因此下一阶段仍然设臵六个课题，但是各个课题的重要性有所不同。六个课题在项目中的作用在原定的计划任务书中就已经很好地体现了，下一阶段仍然保持它们的相对分量，其中第一、第三和第六课题将为项目的重点课题，是完成项目的关键所在。 第一课题：高胶凝性水泥熟料矿物体系的研究 （经费26.8%） 高胶凝性水泥熟料矿物体系是制备高性能水泥的关键组分，起到主要的胶结作用。它除了发挥早期强度之外，还对性能调节型辅助胶凝材料的活性激发起重要作用，将直接决定辅助胶凝材料的最高用量。前两年已经初步得到了硅酸三钙含量在70%左右、28天强度在70MPa以上的水泥熟料，并且初步获得硅酸三钙晶体结构变化及其与胶凝性的关系。下一阶段课题重点解决的科学问题是：充分应用各种物理化学手段实现熟料中C3S晶体的晶体结构变化甚至经各畸变化，以促进其在高胶凝性矿相体系中的低温快速形成、大幅度提高熟料C3S数量及其活性、大幅度提高熟料矿相体系的胶凝性，是本课题拟将重点解决的科学问题。另外，对于高C3S含量的传统CaO—SiO2—Al2O3—Fe2O3体系高胶凝性硅酸盐熟料矿相体系，C3S将由传统水泥熟料的50～60%提高至70%左右，如何通过掺杂、热历史和矿相体系形成动力学过程控制，促进C3S晶体结构变化而促使其以较快速度形成并且使其胶凝能有所提高。对于引入形成温度较低的非硅酸盐系高胶凝性矿物（如C4A3S等）高胶凝性熟料矿相体系，由于这些非传统硅酸盐类高胶凝性矿相在C3S形成温度条件下易分解，通过系统受热史、矿物形成和分解动力学过程调整，寻找加速C3S的低温形成和延缓C4A3S分解动力学过程的方法和机理，实现不同高胶凝矿物相间的共存及合理匹配。 下一阶段的主要研究内容将有所增加和扩展： （1）更深入开展阿利特晶体结构的研究，研究的层次比原定计划更深入，达到原子级或者原子团级。采用溶胶凝胶方法合成纯C3S和阿利特晶体（第四课题和本课题都已经用该方法合成了纯C3S 晶体，对合成条件有了一定的认识），利用精细的常温和高温X射线衍射、高分辨电镜及其它微观测试方法研究C3S和阿利特的精细结构及其演变规律，达到世界领先的水平。由此解释和证实热历史和掺杂等因素对阿利特晶体结构的影响规律，解释阿利特晶格畸变规律及其对熟料胶凝性的影响规律（第一阶段提出的理论属于初步的，还需要深化和证实）。 （2）开展更广泛的多元掺杂效应研究。现在的研究成果中，对高胶凝性熟料的制备有很好效果的工业废渣中的微量元素有限，在全国范围内的分布有一定的局限性。为了使高胶凝性熟料研究成果有广阔的推广应用范围，下一阶段将扩大研究面。首先要找出不同杂质离子或微量元素在熟料中的分布、在阿利特晶格中的存在状态或位臵，然后探索杂质元素性质对阿利特晶型或晶格的影响规律，为扩大有效掺杂工业废弃物的来源提供理论依据，使多元掺杂作用有效性的研究和作用机理研究更有针对性。 （3）热历史对C3S和阿利特晶格畸变和高度介稳化程度的影响规律。现在已有的工艺条件的升温和降温制度可以达到较好的介稳化程度，进一步的研究将根据高度介稳化的要求对热历史条件进行优化，以获得最大限度的介稳态结构和畸变化晶格，为热工制度的完善提供理论依据，为高胶凝性水泥熟料制备的生产装备提出发展和改进的目标。 （4）进一步研究高胶凝性熟料的形成动力学，阐明该熟料中阿利特的形成机理。通过掺杂技术或物料加热技术改进，在提高高胶凝性熟料中C3S含量、加速形成动力学过程的原理方面取得重大进展。在解决科学问题基础上，进一步研究CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3体系高胶凝性水泥熟料矿相匹配和工艺条件的优化，在建立的科学理论指导下研究高C3S含量高胶凝性水泥材料的制备技术。 （5）高胶凝性水泥熟料制备条件与工艺适应性的研究。一方面是研究能够实现工业化规模的工艺参数；另一方面根据全国不同地区资源不同、原料品位有较大差别的实际情况，研究所提出的科学理论应用于不同阿利特含量的熟料的可行性，比如对于较低品位石灰石制备普通阿利特含量的熟料也能够提高其胶凝性。在确定高C3S系熟料的掺杂类型和相关工艺条件的基础上，进一步进行半工业化试验、并确定工业化制备工艺条件。同时增加工业化试验的研究内容。 （6）结合第三课题的辅助胶凝组分的研究成果，将高胶凝性水泥熟料和活化的高活性性能调节型辅助胶凝组分相配合，研究二者适宜的匹配条件和方法，实现：在相同熟料用量下制备高性能水泥时，性能较传统熟料水泥能够提高一个强度等级；在相同水泥产量条件下熟料用量将减少30%。 （7）研究并完成不同条件下C3S与非硅酸盐类高胶凝性矿物的形成及分解动力学过程及机理研究，确定加速C3S形成、减低或避免C4A3S等高活性矿物分解的可靠方法，比如借鉴高阿利特熟料体系的研究成果，采用掺加CuO、P2O5等多元杂质加速阿利特在低温的形成速度，获得C3S与C4A3S等矿物形成与分解动力学协调性的条件，确立含非硅酸盐高胶凝性矿物相高胶凝性熟料体系的亚平衡相匹配关系。 （8）在提高C3S含量条件下研究C3S与C4A3S介稳共存关系和协调技术，优化适应于工业化生产的介稳态共存条件，并确定含C4A3S等高胶凝性矿相的高胶凝性熟料制备工艺条件，开展含非硅酸盐高活性矿相高胶凝性熟料的半工业化试验。 研究目标 课题的总体目标是在高胶凝性水泥熟料相组成和性能上有重大突破，突破传统水泥熟料的局限，获得胶凝性高于现有水泥熟料的相体系。在水泥熟料形成理论上取得重大进展，以C3S晶体结构形成及优化实现提高系统C3S含量及活性。在高胶凝性水泥熟料制备的理论和技术方面有较大创新，可以有效指导高胶凝性水泥熟料的制备过程。该高胶凝性的水泥熟料适合于制备高性能水泥，和第三课题的高度激发的性能调节型辅助胶组分制成高性能水泥，在相同熟料用量的条件下水泥强度能够较传统熟料水泥提高一个强度等级；在相同水泥产量条件下水泥熟料用量将减少30%。实现工业化生产和应用后，水泥生产综合能耗将降低20%、环境负荷降低30%。 在高硅酸三钙含量的硅酸盐水泥熟料体系中，C3S含量由55%提高到70%左右，确定高C3S含量高胶凝性硅酸盐系熟料的矿相匹配关系。通过掺杂或物料受热方式、改进受热史，促使晶体结构发生变化和晶格畸变，用先进的实验手段确定晶体结构变化现象。通过一系列技术措施，实现适当降低高硅酸三钙的烧成温度，使之能够在正常的窑温度烧成。阐明掺杂条件及急速升、降温条件下高钙硅酸盐水泥熟料的结晶过程、相晶体结构和晶型变化、微观结构变化（如晶格畸变化）等熟料烧成动力学过程，矿物相结构和胶凝性之间的相关性及相关机理。在高C3S含量硅酸盐熟料煅烧的工业化可能性方面取得重大进展，确定其烧成工艺中掺杂元素类型、相关方法和理论，扩大掺杂原料的种类和来源，使其具有尽可能广泛的适用性，并确定烧成工艺制度，完成工业化试验，适应一般水泥窑的工业化生产。 在含非硅酸盐高胶凝性矿物相的水泥熟料体系完成不同条件（包括掺杂、热制度、冷却条件等）下C3S与非硅酸盐类高胶凝性矿物的形成及分解动力学过程及机理。通过对含非硅酸盐高胶凝性矿物相的水泥熟料体系中矿物形成和分解动力学过程的研究，确定加速C3S和降低其大量形成的温度，确定减轻或避免C4A3S等高活性非硅酸盐类矿物高温分解的方法，确保各个矿物的介稳共存、获得含非硅酸盐高胶凝相的高胶凝性水泥熟料矿物体系。确定熟料中硅酸三钙晶体结构变化规律及其与胶凝性的关系，确定该熟料体系对辅助胶凝组分的活性激发机理和相互促进机理。确立含非硅酸盐高胶凝性矿物相的高胶凝性熟料体系的相匹配关系，建立新型高胶凝性水泥熟料矿相体系的亚平衡关系。完成含非硅酸盐高胶凝性矿相高胶凝性熟料的半工业化试验，是之能够适应工业化生产。 主要承担单位：中国建筑材料科学研究院，南京工业大学，北京工业大学，济南大学，浙江大学 课题负责人：陈益民，沈晓冬 主要骨干：陈益民，沈晓冬，郭随华，兰明章，管宗甫，唐润荣，周勇敏，程 新，陈胡星 第二课题：高胶凝性和特性熟料复合体系的研究（经费8.4%） 在原有基础上做一些调整，进一步重点研究硅酸盐熟料-高贝利特熟料-硫铝酸盐熟料-磷铝酸盐熟料二元/三元复合体系的组成、制备、性能、结构优化及原理，研究硅酸盐水泥熟料—特性熟料—辅助性胶凝材料—石膏复合体系性能发展规律，重点研究特性熟料矿物改善和提高硅酸盐水泥性能的作用机理，预期目标是提高硅酸盐水泥的性能，制备高性能水泥材料。具体研究内容如下： （1）研究特性熟料或特性熟料矿物对硅酸盐水泥、辅助性胶凝材料的水化过程、水化速度及水化产物组成和结构的影响，提出调控水化速度、优化水化产物组成的方法。 （2）研究颗粒特性对高胶凝性和特性熟料复合体系高性能硅酸盐水泥性能的影响，提出适宜的颗粒分布范围和实现的途径。 （3研究高胶凝性和特性熟料复合体系高性能硅酸盐水泥的混凝土性能，包括工作性能、物理力学性能、耐久性。 不同体系的熟料分别制备，通过将其科学地复合可以实现性能的叠加和互补，提高熟料胶凝性能和硬化体致密性，使性能调节更加灵活。 研究目标： 解决不同熟料矿相组成设计、水泥水化进程控制以及水化产物胶凝性和耐久性的优化匹配问题，实现水泥石结构的控制与优化以及水泥性能的互补与叠加。最终突破传统水泥熟料在组成和性能上的局限，建立高性能水泥熟料相体系设计理论，获得高性能水泥的高胶凝性和特性复合熟料矿物体系，从而为高性能水泥的制备及应用奠定基础。 主要承担单位：中国建筑材料科学研究院，北京工业大学，济南大学 课题负责人：隋同波，崔素萍 主要骨干：隋同波，崔素萍，文寨军，李仕群 第三课题 性能调节型辅助胶凝组分的研究（经费23.7%） 性能调节型辅助胶凝材料是高性能水泥的主要组分之一，它与水泥熟料组成复合胶凝体系，旨在克服传统水泥高能耗、高污染以及物理力学性能方面的不足之处，赋予高性能水泥高强度、高流动度和高耐久性特性。该课题下一阶段主要针对煤矸石、粉煤灰这二类工业废弃物的活化和制备性能调节型辅助胶凝组分进行研究。主要研究内容： （1）对煤矸石、粉煤灰做详细的调研分析工作，掌握煤矸石和粉煤灰的资源分布情况，掌握煤矸石的组成、矿物种类变化特点，掌握粉煤灰的成分、矿物组成、粒度分布特征等。 （2）性能调节型辅助胶凝组分介稳体系组成、特性和活化技术研究，主要包括反复研究煤矸石和粉煤灰活化后作为性能调节型辅助胶凝组分的组成特性（如化学和相组成、非典型玻璃分相结构等）、热历史、颗粒群特征等与其胶凝活性的相关性；研究在碱度、微细化等因素作用下，性能调节型辅助胶凝组分颗粒表面结构、物理化学变化特征与活化效果，建立其活性评价体系。 （3）性能调节型辅助胶凝组分活化理论的研究，充分激活性能调节型辅助胶凝组分的活性，分析验证课题前两年提出理论框架的适用性问题，涉及热力学机制、动力学界面物理与化学等问题，并对理论框架进一步修正完善。更重要的是，要在目前形成理论框架的依据等方面进行深入研究，获得各个体系化学激活、物理激活和热技术途径与机理，最终提出有共性的活化理论和活化方法，建立具有指导意义的活化理论，同时有充分的科学理论依据和试验验证数据来支持活化理论和方法。 （4）在煤矸石与粉煤灰的活性大小及其发挥速率、颗粒分布与颗粒级配等方面，研究这些因素对煤矸石、粉煤灰与硅酸盐水泥复合样品强度和耐久性的影响，从中获得煤矸石、粉煤灰与硅酸盐水泥复合样的最佳参数，达到复合样品的工作性、强度和耐久性协调发展。性能调节型辅助胶凝组分—熟料体系颗粒群特征参数优化设计理论研究主要包括不同应力场和物理场作用下，颗粒微细化机理、机械能和化学能转化机制、表面活化机理、对活性的影响；研究复合体系的粒度分布、形状因子、形状指数、比表面积等颗粒群特征参数与流变学、水化动力学、显微结构特征、强度等性能的相关性，揭示体系颗粒群特征参数的性能优化控制范围，获得不同介稳体系颗粒微细化过程颗粒表面物理化学变化特征以及力-化学方法的激活效果。建立体系颗粒群特征参数优化设计理论。 （5）不同的辅助胶凝组分的复合构成性能调节型辅助胶凝组分的研究及其性能设计，将活化煤矸石、粉煤灰和矿渣等现有的性能良好的辅助胶凝组分进行优化匹配，性能优势互补，实现对水泥的性能调节。性能调节型辅助胶凝组分复合胶凝效应及其优化配伍理论研究，性能调节型辅助胶凝组分的活性在水化过程中的诱导激活效果、硬化水泥石微结构特征以及复合增强效果、机理与规律研究。建立特定使用环境下，性能调节型辅助胶凝材料优化配伍理论。从力学性能与耐久性等角度，综合研究不同性能调节型辅助胶凝组分与熟料的多元复合胶凝效应、复合体系的适宜配比，建立体系达到高的强度、良好的工作性与优异耐久性的理论。 研究目标 就的预期目标而言，在不改变原订预期目标的情况下，通过研究思路和内容调整，预期课题还要达到如下目标： 掌握煤矸石、粉煤灰的资源分布情况及其组成、结构等特性；在两者的活化理论和方法方面，提出有共性的活化理论和方法，同时提出特殊的活化方法和机理，来活化组成结构特殊的、数量偏多的煤矸石和粉煤灰，解决这些不具备共性的煤矸石和粉煤灰的活化问题。确定煤矸石、粉煤灰转化成性能调节型辅助胶凝组分的活化方法与理论。找出有针对性的、大规模生产可行的活化方法，为高性能水泥用性能调节型辅助胶凝组分的工业化生产提供理论依据。 阐明低活化的煤矸石和粉煤灰等钙性能调节型材料的介稳结构与潜在活性的关系及其激发机理；指导利用或合成低成本、低能耗的低钙性能调节型辅助胶凝材料，提高工业废弃物利用效率。 从复合体系的热力学状态改变、过程理论、界面化学与物理、结构优化、颗粒群特征参数等角度，提出适合于高性能水泥体系复合胶凝效应与性能优化设计理论，取得具有原创性的研究成果和基础理论。 通过本课题的研究，把上述几种工业废弃物转化成性能调节型辅助胶凝组分或者与现有的活性辅助胶凝组分复合成为性能调节型辅助胶凝组分。将达到：(1)掺量30%时，性能调节型辅助胶凝组分—硅酸盐熟料的强度等级达到52.5强度等级要求；(2)掺量40～50%时，性能调节型辅助胶凝组分—熟料的强度等级达到42.5强度等级要求。同时保证水泥的其它性能与参数，符合有关国家标准要求。 主要承担单位：中国建筑材料科学研究院，南京工业大学，同济大学 课题负责人：张文生，李东旭 主要骨干：张文生,李东旭,张洪滔，李永鑫，潘志华，张雄，张永娟 第四课题：水泥水化机理及过程控制（经费13.7%） 根据第一课题和第三课题的调整方案进行局部调整，集中精力，调整重点放在以下几个方面： （1）进一步完善和验证评价体系和测试方法，在水化产物定量上还要进行统计性研究和验证。加强背散射电子-图像分析表征水化程度和深度的研究。研究CSH凝胶结构以核磁共振为主，废弃凝胶色谱。用活性指数和水化影响因子分别表征辅助胶凝材料和水泥熟料对高性能水泥水化过程的作用，验证水化影响因子的可靠性和普适性。通过研究孔溶液浓度变化和水化产物形态探明高C3S水泥熟料和高活性辅助胶凝材料相互促进机理。探明生成高稳定性的低钙硅比或高聚合度的水化硅酸钙的可能性。系统研究而不是分割研究水泥水化过程硬化过程，通过研究水泥水化的化学反应进程与结构形成的物理状态，系统研究水泥初始水化历程及结构形成过程，进一步完善水泥水化热-电模型评价体系。 （2）采用先进的研究测试手段，定量分析水泥熟料与活化煤矸石、粉煤灰等混合物水化产物及未水化产物，水化反应产物形成及演变过程，研究水化产物与潜在活性组分之间的相互作用，研究温度、水/胶比、颗粒细度对此的影响，建立水化过程模型。研究高胶凝性水泥熟料和活化的辅助性胶凝组分（煤矸石、粉煤灰或者他们与矿渣等其他组分复合）构成的高性能水泥体系的水化过程和水化机理，水泥放热规律，水化产物与未水化相的类别和数量及其随时间的演变过程，主要水化产物的形态及聚合度，各水化产物和未水化组分在水泥浆体演变过程中的作用。 （3）研究水胶比和颗粒细度的作用，研究高性能水泥中熟料和活化煤矸石、粉煤灰等颗粒反应程度及颗粒表面反应深度随时间的变化，探明低水灰比时高性能水泥的水化过程和相应的水化产物或反应产物，同时探明颗粒细度的影响程度。初步建立颗粒反应模型。通过研究孔溶液浓度变化和水化产物形态探讨高C3S水泥熟料和辅助胶凝组分（活化煤矸石和粉煤灰等）相互促进机理，研究生成高稳定性的低钙硅比或高聚合度的水化硅酸钙的可能性。研究化学外加剂对水泥水化过程的影响、与高性能水泥的适应范围、对高C3S熟料水泥和活化煤矸石、粉煤灰等辅助胶凝组分复合体系的作用机理。 （4）研究高C3S熟料和以活化煤矸石和粉煤灰为主的性能调节型辅助胶凝材料构成的水泥体系的反应动力学、水泥浆体结构形成过程和水化过程的关系，不同相体系矿物共存时的水化过程，及各个矿物的相互作用，特别是性能调节型辅助胶凝材料与水泥的相互作用。水泥反应产物形成、界面区特征及演变过程，水灰比、环境温度、颗粒细度对高性能水泥系统的水化影响规律。同时研究水泥体系水化过程中几种常用化学外加剂（调凝剂、减水剂和减缩剂等）的作用及其对结构和性能的影响规律, 及对水泥水化时溶液离子浓度及水化产物形态的影响，水泥水化过程的控制与优化等。水化过程中的作用机理及相互影响，对水泥水化过程进行控制与优化。 研究目标： 阐明高性能水泥的水化过程及控制机理，阐明化学成分、水胶比、颗粒细度和化学外加剂的作用机理，发现其调节水化过程的规律，为优化水泥石结构提供理论基础。阐明不同养护条件（高温、室温、低温和负温）下高性能水泥体系的水化过程及调控机理，建立不同温度环境下水泥水化的热力学模型。为适应不同温度环境下水泥石结构优化和水化控制提供理论基础，指导高强度、优异耐久性和低环境负荷的高性能水泥的制备和应用。 主要承担单位：同济大学，武汉理工大学 课题负责人：王培铭，胡曙光 主要骨干：王培铭，胡曙光，马保国，蒋正武，丁庆军，吕林女 第五课题：高性能水泥浆体的结构形成与优化（经费13.0%） 研究内容： （1）研究高C3S熟料-煤矸石等辅助性胶凝材料体系的高性能水泥水化硬化浆体结构形成与表征：从微观、细观等不同结构层次上研究不同龄期各种水化产物之间和各水化产物和未水化组分之间的界面结构特征；主要针对高C3S熟料-煤矸石等辅助性胶凝材料体系的高性能水泥，研究其在低水胶比条件下的水化硬化过程、结构形成和演变规律，以及结构的表征方法。研究水化产物的形成、产物间的连生、键合过程及其随时间的演变规律；研究浆体中界面特征、孔结构特征及其表征方法，改进和完善基于交流阻抗谱方法和MIP方法的孔结构模型。研究水泥矿物组成、细度和颗粒分布、化学外加剂、水胶比、养护温度、环境条件等对水泥硬化浆体结构形成和其早期结构对后期结构形成的影响规律；研究硬化水泥浆体多相、多孔和多尺度结构特征的测试方法和表征方法，建立硬化水泥浆体结构模型；采用多种现代测试与分析技术，结合传统研究方法，对硬化水泥浆体多相、多孔、多尺度的复杂体系进行系统的定性和定量分析，包括已经水化的产物与未水化颗粒间的界面结构测定、孔结构演变规律、水化产物和未水化颗粒的演变规律测定等；探索确定硬化水泥浆体结构特征的表征方法，建立硬化水泥浆体结构模型。 （2）研究高胶凝性水泥熟料和活化的辅助胶凝组分构成的高性能水泥水化硬化体的结构与性能的关系。从孔结构、反应程度、水化产物与未反应颗粒界面等方面研究高C3S熟料-煤矸石等辅助性胶凝材料系统水泥硬化体的微观结构和力学性能，并与传统水泥进行比较；继而研究以煤矸石为主的辅助性胶凝材料的反应活性对浆体强度的影响，检验辅助性胶凝材料颗粒表面活化的思想，优化水泥浆体强度模型。研究水泥浆体微观结构与化学稳定性之间的关系，高C3S熟料-煤矸石等辅助性胶凝材料系统水泥浆体水化产物组成和微观结构形态与在典型使用环境如淡水、海水等介质中化学稳定性之间的关系，建立浆体在典型使用环境介质中的破坏模型。 （3）研究水泥浆体体积稳定性和优化措施。研究水泥浆体微观结构与抗裂性之间的关系，高C3S熟料-煤矸石等辅助性胶凝材料系统水泥浆体抗裂性的评价方法，以及浆体孔径大小和孔分布、水化产物组成与微观结构形态对浆体变形特性和抗裂性的影响。研究高胶凝性水泥熟料和活化的辅助胶凝组分构成的高性能水泥水化硬化浆体体积稳定性和优化方法。研究高性能水泥浆体的收缩测定方法的完善及收缩机理。针对高性能水泥熟料（主要是高胶凝性、高含量C3S熟料）-高性能辅助性胶凝材料（主要是煤矸石）体系的特点，对已建立的收缩测定方法进行改进和完善。研究体系的自收缩、干燥收缩、温度收缩过程、特征及机理，矿物组成、煤矸石、水胶比、养护条件等的影响，建立相关的模型和水泥基材料体积稳定性的评价体系。研究收缩的补偿技术及机理，提出收缩补偿必须是长龄期的，不仅要解决早期收缩，还要控制后期收缩的思想，研究膨胀材料和化学减缩材料的补偿技术。研制相应的膨胀材料并阐明其膨胀机理和对收缩的补偿作用。改进化学减缩材料的组成和制备技术，使之对水泥浆体的收缩进行有效的补偿。采用膨胀材料和化学减缩材料的复合补偿，强化其作用。 （4）研究水泥浆体结构特征与其强度协调发展及其它宏观性能优化之间的关系，早、中、后期性能协调发展的机制及规律，提出水泥浆体结构优化的技术措施，实现高性能水泥基材料结构的优化。借鉴水泥水化、结构形成等方面的研究成果，提出水泥基材料结构优化的措施，提交给相关课题进行水泥的改性，获得最优化结构，使得高性能水泥基材料兼有优异的物理力学性能、耐久性能和低环境负荷等。 研究目标： 深入、系统研究硬化水泥浆体中各矿物的组成、结构、形态和空间分布情况，重点研究水泥基材料体系中各种水化产物之间、水化产物与未水化颗粒间的界面特征及其随时间的变化规律，阐明高性能水泥基材料在不同环境条件下的硬化水泥浆体结构的形成机理；研究硬化水泥浆体多相、多孔和多尺度结构特征的测试方法和表征方法，建立硬化水泥浆体结构模型。 通过测定高C3S熟料-煤矸石等辅助性胶凝材料体系水泥浆体的微观结构、水化产物及其与未反应颗粒界面的特性和辅助性胶凝材料的反应率，确定它们对宏观性能的影响及其与宏观性能之间的关系和完善浆体强度模型；研究水泥浆体的抗裂性和在典型环境介质中的化学稳定性；建立水泥浆体微观结构和水化产物与抗裂性和化学稳定性等之间的关系；基于理想的水泥浆体微观结构和性能，提出指导辅助性胶凝材料活化和高性能水泥配制的科学思想和技术对策。 完善和建立收缩的标准测试方法；建立水泥浆体体积变形模型，提出用“等强度收缩值”来评价辅助性胶凝材料等对水泥基材料收缩影响的理论，阐明高性能水泥浆体的收缩特性和机理；提出膨胀材料的制备技术和复合技术，建立材料制备参数-晶粒特性-膨胀性能之间的关系；开发出1～2种化学减缩材料，提出化学减缩材料的减缩作用和机理，提出化学减缩材料和膨胀材料的复合技术；建立高性能水泥浆体的收缩-膨胀模型，提出保证水泥浆体体积长期稳定性的技术和机理；提出新的水泥浆体抗裂性的评价方法。 以指导高性能水泥熟料和辅助性胶凝材料的设计与制备，指导高性能水泥基材料的组成与结构的优化，为建立高性能水泥的制备理论，指导高强、高耐久的水泥体系设计提供理论依据。 与其它课题组的研究相结合，对水泥基材料的组成和结构优化进行优化，指导高性能水泥基材料的设计和制备。 主要承担单位：南京工业大学，同济大学 课题负责人：邓敏，施惠生 主要骨干：邓敏，施惠生，杨全兵，徐玲玲，严生，张东 第六课题： 高性能水泥和水泥基材料的环境行为与失效机理（经费14.4%） 环境行为是水泥基材料性能的综合体现，是高性能水泥应用中的主要问题，尤其是多因素协同作用下的水泥基材料的失效行为研究缺乏。研究内容： （1）研究高性能水泥基材料特有组成的耐久性：Ca(OH)2对CSH稳定性影响，建立Ca(OH)2矿相含量与CSH凝胶中钙/硅比的相互变化关系；在高性能水泥辅助性胶凝材料中活性SiO2与Ca(OH)2相互作用的关系；水化中后期，高、低钙/硅比的CSH凝胶在纳米层次上的组成与结构特征，提出低钙/硅比的CSH凝胶稳定存在的科学证据。重点研究并建立高性能水泥基材料中Ca(OH)2矿相对体系碱度维持的影响，确定其动力学规律，与现有体系的对比，评估对耐久性的影响。 （2）研究高性能水泥基材料组成内部反应的新破坏机理与控制：高性能水泥基材料水化浆体中碱环境特点及其变化规律，建立与新碱环境相适应的碳酸盐集料、硅质集料的使用方法。重点研究水化中、后期高、低钙/硅比的CSH凝胶组成和结构与持碱能力关系，从纳米层次上研究CSH凝胶持碱的机制。对比研究高温和常温条件下，水化浆体组成、结构与碱集料反应膨胀性能的关系，特别是从CSH凝胶的持碱能力随温度的变化规律，提出“混合材抑制碱硅酸反应评估方法”的理论依据，设计和证明具有高耐久性的高性能水泥基材料的组成和控制条件，指导高性能水泥制造。研究复杂条件下适合混凝土施工现场使用的抗碱集料反应破坏评估方法，解决国际上的理论和应用难题。 （3）研究环境中化学介质在高性能水泥基材料中的渗透、扩散和腐蚀机理与控制：低钙/硅比CSH组成条件下的高性能水泥基材料孔结构、界面结构特征，环境介质与水化产物的结合能力、渗透规律与时效分布；研究腐蚀介质的渗透模型；环境介质与材料组成之间的相互作用及其产物的稳定性；对相关耐久性的影响程度评估。氯盐和硫酸盐等环境介质作用下高性能水泥基材料的破坏行为与机理，研究化学侵蚀机理和控制方法。 （4）研究高性能水泥基材料与环境能量交换及其破坏机理与控制：高性能水泥基材料在不同能量交换条件下，材料本身的抗冻性能，失效动力学过程和特点；确定引气组分与材料组成和结构的互相作用与适应机制；建立相关的理论模型。在不同能量交换条件下，引气组分与材料组成和结构的互相作用与适应机制。在理论创新的基础上，研究出适合高性能水泥基材料特有的引气剂，并提出良好环境协调能力的新材料的设计理论和方法。 （5）研究高性能水泥基材料在多因素协同作用下的失效机理与控制：继续研究低饱和Ca(OH)2材料中碱集料反应分别和冻融循环、钢筋锈蚀、环境应力作用、腐蚀破坏等协同破坏的动力学特征和规律，最终提出建立协同破坏机理与控制方法。研究高性能水泥基材料在多因素条件下，耐百年的材料组成设计理论和控制方法；快速检验的理论和方法，为高性能水泥基材料的耐百年寿命提供充分依据。 （6）研究高性能水泥基材料配制混凝土的早期收缩开裂性能和控制措施：研究高性能水泥基材料的混凝土宏观结构稳定性，提出高性能水泥基材料配制混凝土的早期物理力学行为特征。研究高性能水泥基材料与混凝土外加剂的适应性，提出混凝土早期物理行为的控制措施。 研究目标： 明确Ca(OH)2矿相作用与水泥石、水泥基材料耐久性失效的关系；阐明水泥浆体的不同物相、不同孔结构和不同尺度结构对其宏观耐久性能的影响；在完善混合材抑制碱硅酸反应新机理的基础上，提出高性能水泥基材料抑制碱硅酸反应的设计理论。高性能水泥的环境行为和耐久性研究有较大进展，确定高性能水泥基材料在不同介质中渗透系数和扩散系数的测定方法；确定各种参数与环境行为之间的关系；确定可允许的最大耐久性失效或破坏概率，获得水泥基材料与多因素协调条件下的相互作用过程和规律；确定含性能调节型辅助胶凝组份的高性能水泥基材料的失效机理，提出改善水泥基材料工作性、体积稳定性、耐久性的有效措施和机理，对高性能水泥制备和应用作指导。 主要承担单位：南京工业大学，中国建筑材料科学研究院，东南大学 课题负责人：许仲梓，姚燕 主要骨干：许仲梓，姚燕，吕忆农，王玲，兰祥辉，王武祥 各个课题之间的联系以及与总体目标的关系： 本项目的六个课题都紧密围绕总体目标和关键科学问题开展研究，是实现总体目标的相互联系的有机组成部分。第一、二、三课题研究高性能水泥的主要组分，涉及高性能水泥的制备理论，为提高性能和降低环境负荷奠定基础。通过熟料体系高胶凝化及介稳结构控制、相组成优化匹配、性能调节型组分制备原理等的研究获得高胶凝性和高活性的高性能水泥材料的优化组成。第四、五、六课题研究高性能水泥的水化、硬化和结构演变规律及其与强度和耐久性的关系，以获得致密的和体积稳定的水泥石结构，并研究水泥石和水泥基材料在典型环境条件下多因素作用的失效机理，属于高性能水泥应用的基础性问题，也为高强度和高耐久的水泥材料设计提供依据。综合这些研究成果，就可以设计出强度与耐久性兼优和早、中、后期强度协调发展的高性能低钙水泥新体系。

本项目集中全国在水泥化学领域最强的单位和最强的研究队伍。由于水泥本身只是一个中间产品，其性能要在应用过程中才能体现出来，本项目涉及到水泥的制备和应用，既要提高水泥的性能，又要研究其应用过程中的耐久性问题，研究的内容比较多，研究面也比较广。考虑到各个单位的优势，在原计划任务书中主要参加单位中国建筑材料科学研究院、南京工业大学、同济大学、北京工业大学和武汉理工大学的基础上，又吸收了济南大学、浙江大学和东南大学少量研究人员参加，以便更加完善地完成本项目。 这三个单位的研究人员在前两年实际上一直在参与项目的研究，有一些特点，对项目的完成有所帮助。比如济南大学在第一课题的阿利特——硫铝酸盐体系研究中提出掺加少量钡，可以使无水硫铝酸钙的分解温度由1350ºC提高到1400ºC，从而有可能促使该矿物与硅酸三钙在较宽的温度范围内共存；东南大学在第六课题的研究中提出了多因素协同作用下研究水泥基材料耐久性的实验方法和相应装臵，属于国内外首创。 在各个课题还增加了少量研究人员。研究队伍的总人数由原计划的70人增加到88人，所增加的人员事实上在前两年就已经参与了项目的研究，甚至对项目的进展作出了较大的贡献。调整后研究生人数增加较多，达到65人，预计在今后三年中还会有所增加。 承担单位数 队伍规模对比 总人数 正高 副高 中初级 博士后 研究生

调整前 5 70 19 35 16 0 25 调整后 8 88 29 33 23 3 65

二、研究目标

1.项目计划任务书原定内容

总体目标 (1) 在水泥相组成和性能上有所突破， C3S含量从55%提高到70%，阐明相结构变化和形成动力学；确立新的相匹配关系，获得高胶凝性的水泥熟料。并通过与其他水泥矿物或辅助性胶凝材料的复合，获得具有高胶凝性的水泥体系，作为确保高性能水泥在相同熟料用量前提下水泥强度提高一个等级的基础。 (2) 提出工业废渣转化成为能够改善水泥性能的辅助性胶凝材料的理论与方法,提高使用效能，开辟至少二种作为辅助胶凝材料的新资源，将其与硅酸盐水泥熟料复合，满足水泥工业的需求。通过激活研究，使之具有调节和改善水泥性能的功能。为彻底改变传统的经验式工业废渣利用的理论、提高工业废弃物在水泥中使用效能打下理论基础。 (3) 提出由高胶凝性水泥熟料和性能调节型辅助胶凝组分复合构成高性能水泥的设计理论，阐明高性能水泥的水化机理，揭示具有高耐久性的水泥石结构的形成、演变规律及环境行为，提出其结构优化与控制机制，指导高强度、优异耐久性和低环境负荷的高性能水泥的制备和应用。 这一成果工业化应用后，使同样水泥产量时水泥熟料用量减少30%，在同等熟料用量条件下水泥强度提高一个等级；水泥基材料耐久性提高一倍；综合能耗降低20%，环境负荷降低30%。同时，本项目将建设高水平的水泥材料科学研究基地，造就若干名国内外有影响的中青年水泥材料科学家，建立一支高水平的水泥材料科学研究队伍，使我国水泥材料的科学研究达到国际先进水平，在某些领域处于国际领先水平。 五年目标： 第一阶段（一、二年度）： (1) 初步探索高C3S系统掺杂类型和形成的动力学，初步确定高胶凝性熟料矿物的匹配关系和畸化的晶体亚微结构形成条件，并在促使复合熟料性能互补和优化的理论方面取得进展，获得硅酸盐熟料与其它熟料复合的水泥物理力学性能。 (2) 初步探明各类工业废渣（粉煤灰、煤矸石、赤泥、钢渣、磷渣等）的化学组成、相组成和热历史等与其潜在胶凝性的相关性，在一至二种工业废弃物制备辅助性胶凝组分的激活途径与机理方面取得重大突破。初步构成由性能调节型组份和硅酸盐水泥熟料复合成低钙的具有较高强度和耐久性的水泥体系。 (3) 在水泥水化动力学、水化过程中性能调节型辅助胶凝组份与水泥熟料的相互促进或抑制机理研究取得进展，初步探明熟料水化产物与辅助性胶凝组份之间的相互作用、水化产物的类型、形成机制及其演变；初步建立水泥浆体多相、多孔和多尺度结构特征（如孔结构及界面区水化产物的分布与取向等）与水泥矿相组成、化学组成的关系以及硬化水泥浆体收缩机制。 (4) 初步确定高性能水泥的矿相组成和化学组成与Cl-离子物理吸附和化学结合的关系、典型盐类（如硫酸盐、氯盐、碳酸盐等）对高性能水泥基材料的化学侵蚀机理和盐结晶压破坏机理。初步建立高性能水泥基材料孔结构与抗碳化性和抗氯离子渗透性的量化关系；明确钢筋失效规律与锈蚀机理，探索高抗钢筋锈蚀的途径和设计方法；研究高性能水泥基材料在冻融循环和盐共同作用下作用下的破坏行为与机理，初步建立水泥基材料孔结构与抗冻性和抗盐冻性的关系，由此探索高抗冻和抗盐腐蚀的途径和设计方法。 第二阶段（三、四、五年度）： (1) 在提高熟料C3S含量、降低能耗的原理方面取得重大进展，确定高C3S系统水泥熟料的掺杂类型，确立相关的方法和理论，努力实现该系统的工业化试验。确定高胶凝性熟料矿物的匹配关系，建立新的高胶凝性的水泥熟料相亚平衡关系，完成C3S与C4A3S等矿物形成与分解动力学协调性的研究，使之能够在适当的条件下共存，作为制备高胶凝性熟料的基础。建立复合熟料理论，可用于指导生产。最终获得可用于高性能水泥制备的高胶凝性熟料。 (2) 确立工业废渣制备辅助性胶凝组分的激活方法和理论，确定性能调节型辅助胶凝组份—熟料介稳体系颗粒群特性的特征参数与其水化动力学、流变学、显微结构特征、水泥石强度等性能的相关性，性能调节型辅助胶凝材料—熟料的多元复合体系的适宜配伍及复合胶凝效应。从辅助性胶凝材料对水泥基材料的水化机理、结构优化、力学性能和耐久性的作用机理出发，建立性能调节型胶凝组份—熟料多元复合体系性能设计模型，在辅助性胶凝材料的潜在胶凝性激发机理研究的基础上找出有针对性的大规模生产可行的物理-化学方法，为辅助性胶凝材料的资源化和工业化提供理论依据。 (3) 确定硅酸盐水泥熟料—辅助性胶凝材料体系的水化机理，探明水化产物与未水化相之间的键合、界面结构及演变过程，各水化产物和未水化组分在水泥浆体演变过程中的作用，确立硅酸盐水泥熟料-辅助性胶凝材料体系的水化机理和水泥石结构控制理论；探明内部条件和外部条件对水泥浆体结构形成的影响规律及早期结构对后期结构的影响规律，找出水泥浆体结构的优化及控制途径，阐明高性能水泥早、中、后期性能协调发展的机制及基本规律，确立硬化水泥浆体收缩和补偿机制。确定由性能调节型组份和高胶凝性熟料复合构成的高性能水泥的制备理论，指导高强、高耐久的水泥体系设计。 (4) 阐明水泥浆体的不同物相、不同孔结构和不同尺度结构对其宏观性能的影响，高性能水泥的环境行为和耐久性研究有较大进展，确定水泥基材料在不同介质中渗透系数和扩散系数的测定方法、渗水系数、渗气系数和Cl-扩散系数与钢筋锈蚀的关系、渗水系数和渗气系数与抗碳化性的关系、渗水系数与抗冻性、抗盐冻性和抗盐腐蚀性的关系等，确定可允许的最大耐久性失效或破坏概率，获得水泥基材料与环境的相互作用过程和规律，确定含性能调节型辅助胶凝组份的高性能水泥基材料的失效机理，提出水泥浆体改善水泥浆体体积稳定性、耐久性的有效措施和机理，对高性能水泥制备和应用作指导。

2.后三年调整方案

本项目的总体目标： (1) 在水泥相组成和性能上有所突破， C3S含量从55%提高到70%左右，阐明相结构变化和形成动力学；确立新的相匹配关系，获得高胶凝性的水泥熟料。并通过与其他水泥矿物或辅助性胶凝材料的复合，获得具有高胶凝性的水泥体系，作为确保高性能水泥在相同熟料用量前提下水泥强度提高一个等级的基础。 (2) 提出工业废渣转化成为能够改善水泥性能的辅助性胶凝材料的理论与方法,提高使用效能，开辟至少二种作为辅助胶凝材料的新资源，将其与硅酸盐水泥熟料复合，满足水泥工业的需求。通过激活研究，使之具有调节和改善水泥性能的功能。为彻底改变传统的经验式工业废渣利用的理论、提高工业废弃物在水泥中使用效能打下理论基础。 (3) 提出由高胶凝性水泥熟料和性能调节型辅助胶凝组分复合构成高性能水泥的设计理论，阐明高性能水泥的水化机理，揭示具有高耐久性的水泥石结构的形成、演变规律及环境行为，提出其结构优化与控制机制，指导高强度、优异耐久性和低环境负荷的高性能水泥的制备和应用。 这一成果工业化应用后，使同样水泥产量时水泥熟料用量减少30%，在同等熟料用量条件下水泥强度提高一个等级；水泥基材料耐久性提高一倍；综合能耗降低20%，环境负荷降低30%。同时，本项目将建设高水平的水泥材料科学研究基地，造就若干名国内外有影响的中青年水泥材料科学家，建立一支高水平的水泥材料科学研究队伍，使我国水泥材料的科学研究达到国际先进水平，在某些领域处于国际领先水平。 前两年的研究围绕原定的这一总体目标展开，取得了一些进展，表明原定的这一目标是有可能实现的，也是切合实际的，因此这一目标基本上不作修改。 根据原定计划，第一阶段已经达到了以下的目标： (1) 初步探索和确定了高C3S系统掺杂类型和形成的动力学，初步确定高胶凝性熟料矿物的匹配关系和畸化的晶体亚微结构形成条件，并在促使复合熟料性能互补和优化的理论方面取得进展，获得硅酸盐熟料与其它熟料复合的水泥物理力学性能。 (2) 初步探明了煤矸石、粉煤灰、钢渣的化学组成、相组成和热历史等与其潜在胶凝性的相关性，在这三种工业废弃物制备辅助性胶凝组分的激活途径与机理方面取得了进展。初步构成由性能调节型组份和硅酸盐水泥熟料复合成低钙的具有较高强度和耐久性的水泥体系。 (3) 在水泥水化动力学、水化过程中性能调节型辅助胶凝组份与水泥熟料的相互促进或抑制机理研究取得进展，初步探明熟料水化产物与辅助性胶凝组份之间的相互作用、水化产物的类型、形成机制及其演变；初步建立水泥浆体多相、多孔和多尺度结构特征（如孔结构及界面区水化产物的分布与取向等）与水泥矿相组成、化学组成的关系以及硬化水泥浆体收缩机制。 (4) 初步确定了高性能水泥基材料的耐久性机理，为制备高性能水泥提供了理论依据。 从前两年的进展来看，对下一阶段的研究目标作少量调整，一方面对前两年获得的进展还要加强研究，进一步深化和证实已有的结果；另一方面加强工业性试验，以便得到具有普遍的适用性和广泛性的成果。同时，对于原计划中的内容作适当的缩减。由此提出下一阶段的具体研究目标为： (1) 在提高熟料C3S含量、适当降低烧成温度使之能够在正常温度烧成的原理方面取得重大进展，确定高C3S系统水泥熟料的掺杂类型，确立相关的方法和理论，使之具有较宽广的普适性，实现该系统的工业化试验。确定高胶凝性熟料矿物的匹配关系，建立新的高胶凝性的水泥熟料相亚平衡关系，完成C3S与C4A3S等矿物形成与分解动力学协调性的研究，使之能够在适当的条件下共存，作为制备高胶凝性熟料的基础。建立复合熟料理论，可用于指导生产。最终获得可用于高性能水泥制备的高胶凝性熟料。 (2)以煤矸石和粉煤灰为代表，确立活化工业废渣制备辅助性胶凝组分的激活方法和理论，在辅助性胶凝组分的潜在胶凝性激发机理研究的基础上找出有针对性的大规模生产可行的物理-化学方法，为辅助性胶凝材料的资源化和工业化提供理论依据。从辅助胶凝组分对水泥基材料的水化机理、结构优化、力学性能和耐久性的作用机理出发，建立性能但组分或多度份复合的调节型胶凝组份—熟料多元复合体系性能设计模型。确定性能调节型辅助胶凝组份—熟料介稳体系颗粒群特性的特征参数与其水化动力学、流变学、显微结构特征、水泥石强度等性能的相关性，性能调节型辅助胶凝材料—熟料的多元复合体系的适宜配伍及复合胶凝效应。 (3) 确定高胶凝性水泥熟料和以煤矸石、粉煤灰为代表的辅助性胶凝组分（并复合其他辅助胶凝组分）构成的低钙高性能水泥体系的水化机理，探明水化产物与未水化相之间的界面结构及演变过程，各水化产物和未水化组分在水泥浆体演变过程中的作用，各种因素：水胶比、细度与级配、化学外加剂（如减水剂、减缩剂和抗冻剂）外界温度、等对水泥水化过程、水化特性及水泥石早期结构形成及强度发展的影响及其作用机理；确定高活性水泥熟料-活性粉煤灰和煤矸石等辅助胶凝材料体系的水化过程的相互作用机理，各组分活性大小对水化过程的影响规律，建立高性能水泥水化过程及其控制模型。 （4）阐明由高胶凝性熟料和性能调节型辅助胶凝组份复合构成的高性能水泥在不同环境条件下的水泥浆体结构的形成过程及其随时间的演变规律，建立高性能水泥体系的水泥浆体结构模型和结构控制与优化理论；明确不同物相、不同孔结构和不同尺度结构对宏观性能的影响，建立水泥浆体结构特征与其宏观性能之间的关系；提出高性能水泥体积收缩特性及机理，组建水泥基材料的收缩-膨胀结构模型，开发改善水泥基材料体积稳定性的材料并阐明其作用机理；阐明高性能水泥早、中、后期性能协调发展的机制及基本规律，提出水泥浆体结构优化及控制途径，指导高强、高耐久的高性能水泥基材料的设计、制备和应用。和水泥结构形成模型指导水泥体系设计。 （5）阐明由高胶凝性熟料和性能调节型辅助胶凝组份复合构成高性能水泥浆体的不同物相、不同孔结构和不同尺度结构对其宏观性能的影响，高性能水泥基材料的环境行为和耐久性研究有较大进展，在混凝土碱集料反应抑制新机理、高性能水泥基材料耐久性破坏新机理方面取得突破，得出水泥基材料耐久性失效的新机理。确定高性能水泥材料在多因素作用下可允许的最大耐久性失效或破坏概率，获得水泥基材料与环境的相互作用过程和规律，提出水泥浆体改善水泥浆体体积稳定性、耐久性的有效措施和机理，在此基础上提出材料高耐久性的设计理论和方法，对高性能水泥制备和应用作指导。