现行水泥、胶凝材料体系以及混凝土生产存在诸多问题,水泥细度大、早期强度高后期强度增长幅度低、与外加剂相容性差、水化速率快、水化温升高以及收缩大;普通水泥中混合材存在黑障区导致胶凝材料体系存在“黑障区”、没有良好的级配、整体SO₃缺失等问题;所配制的混凝土匀质性差、坍损大以及长期耐久性能差等诸多问题。另一方面,水泥基材料的低碳发展是当今建筑材料发展的大势所趋,混凝土作为用量最大的土木工程材料,也应服从节能减排的发展趋势,但是其主要原材料水泥的生产过程却是一个碳排放量很大的环节。因此,为解决以上问题,低碳胶凝材料的开发与应用具有重要意义。本课题依据清华大学廉慧珍教授“低碳胶凝材料”的理念和低碳发展的要求,整体优化SO₃含量,试验研究表明:SO₃含量在3.5%⁴.5%之间,有利于提高胶凝材料体系的强度和抗裂性能,且流变性能也有一定的改善。研究发现,在低碳胶凝材料体系中,矿渣粉的品质极为重要,其优劣直接影响混凝土的强度和耐久性能,一般要求28天活性指数应在105%以上,且7d活性不能太低,比表面积宜在520⁵70m²/kg。当采用高活性矿渣粉时,熟料掺量在20%³2%之间,能够配制出满足强度要求的C30^C60混凝土,且和易性良好。低碳胶凝材料混凝土的水胶比应较搅拌站常用水胶比低,试验表明,使用低碳胶凝材料配制混凝土,C30混凝土的水胶比范围宜0.40⁰.46,C50宜在0.28⁰.32;7%的超细石灰石粉掺入能够提高混凝土的3d强度,改善混凝土的和易性,降低胶凝材料体系的水化热。将现行搅拌站胶凝材料体系与低碳胶凝材料体系对比研究,研究发现:低碳胶凝材料所配制的混凝土的强度及耐久性均满足规范要求,且性能普遍优于基准组。课题采用课题组自主研发的抗裂模“方圆抗裂模具”研究了胶凝材料体系的净浆、胶砂和混凝土的抗裂性能,研究表明,低碳胶凝材料的各项抗裂性能均优于现行常用胶凝材料体系,熟料掺量越多开裂越敏感,增加SO₃含量、掺加一定量的膨胀剂或者钢渣,能够在不影响强度的情况下提高胶凝材料体系的抗裂性。课题通过压汞试验研究发现,低碳胶凝材料混凝土的孔结构集中在20nm以下的无害孔,在200nm以上的有害孔大幅降低;扫描电镜和XRD试验研究表明,常用胶凝材料体系由于SO₃含量不足,水化产物中没有钙矾石出现,而低碳胶凝材料的水化产物中,从养护龄期为7天时开始,有一定量的钙矾石生成,生成钙矾石体积膨胀,能一定程度补偿混凝土收缩,提高抗裂性能。课题还研究了低碳胶凝材料混凝土的配合比设计方法,该设计方法强调混凝土用水量和骨料、掺合料质量及混凝土强度等级相关,设计的混凝土能够配制满足C30^C60强度等级的混凝土。根据研究内容,提出中试方案,用P.Ⅱ水泥取代熟料,能够配制满足生产应用的混凝土。