碱激发材料的深层理解.docx

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1、碱激发材料的深层理解碱激发水泥是全球关于水泥研究的热点，发展十分迅速。本论文旨在进步深层次的从碱激发水泥的特征技术以及结构上的理解、粘结剂前体、反应过程、耐久性测试设计以及发展过程、可持续性等方面进行研究。志在使得碱激发水泥成为未来可持续建筑材料的先驱。以下将从上述的几个方面依次进行研究：一、特征尽管水泥基材料的表面特征已经为人们所熟知，但是由于主要贡献水泥基材料强度的物质的无序性、化学成分的熨杂性以及多样性导致了其至今没有被详细的理解，碱激发材料亦然如此。对碱激发材料的结构性分析成为了个尤为突出的问题。本文通过若干年的对AAMs的原位以及非原位特征技术的研究，在AAMS的纳米结构和显微结构方

2、面有了更加深入的理解。2.1 纳米结构特征AAMs的纳米结构很大程度上取决于其前体的钙含量。高钙含量和低钙含量的前体物质的凝胶是可以共存的，且在强硬性环境下的共存稳定性更受人关注。文献指出C-A-S-H凝胶（这个综述也是这么称呼）在pH值大于12的C-S-H和N-ASH凝胶混合物中有一定的趋势成为最稳定的成分。用于分析AAMS主要的光谱分析技术有傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振SEOO批注（L7J:图7在自然环境温度卜养护不同时间的含30%高炉矿液和70%燃烧水席淤泥粉末的碱激发混合物在不同水灰比和不同碱用量的影响。3.1 10天然矿物长石：Feng等人将钠长石、氮氧化钠、碳酸钠混合经

3、过热处理反应合成AAMs.将钠长石粉末分别配以不同比例的氢氧化钠或者碳酸钠在850-1150摄氏度的条件下加热，之后迅速冷却得到的粉末为非晶体态并具有很好的反应活性。当采取50%匆氧化钠1000摄氏度的方案，在25摄氏度下养护28天抗压强度为44.2兆帕。由于为了实现碱激发而使用了大量的碱导致了试块呈现粉化的趋势，但这足以证明长布是用来制作AAMs的。火山灰：有研究证明火山灰也可以搭配硅酸钠溶液作为碱激发粘合剂的前体物质。3.2 粘结剂系统最近有文章详细描述了低钙和高钙的AAMs.用AAMs替代部分波特兰水泥会导致凝结时间变长和早期强度减低。但额外添加碱来加速反应可以产生有用的混合水泥。粉煤灰

4、在混合碱水泥中的反应速度远比不添加碱快，且取决于反应条件、微粒形状、矿物组成和颗粒级配.粉煤灰反应速度随玻璃质成分的增加、微粒粒径的减小以及碱性增强而加快。研究表明由不同类型碱以及不同碱性激发生成的AAMS的主要凝胶物质的构成上没有什么影响。Aanchez证明了PH值（大于12-13）和水化反应中的离子类型决定了铝酸钙和硅酸钙的水化反应的不同机制。Fernandez等人演示了使用固体碳酸钠和碳酸钾作为激发剂来激发含20%炉渣+40%高炉矿渣+40%偏高岭上的混合物制备水泥。从商业角度固体碳酸盐激发剂根据吸引力,相比硅酸盐类碱和匆氧化碱，虫价格便宜，处理方便。使用5%碳酸钠作为激发剂时可获得最高

5、强度，主要产物为（N,C）-A-S-H和C-A-S-H凝胶。（我们以中性钠和碳酸钠为主开展研究的目的，便宜）4、耐久性方面的进展4.1耐久性测试：歧近的研究更加注重于研究碳激发水泥的反应过程和抗压强度，但却几乎忽略了其耐久性的研究，而这方面在波特兰水泥上已经被广泛应用。寂离子的侵蚀：氯离子的侵蚀对钢筋混凝耐久性膨响极大。DOoUglaS使用快速筑离子渗透测试（PCPT）来测试碱激发矿渣水泥混凝土的导电率，并与相应低水灰比的不同波特兰水泥混凝土的数值做对比。使用硅酸钠做激发剂制备的砂浆试块相比由碳酸钠或氢氧化钠作为激发剂制备的砂浆试块拥有更低的孔隙度和更好的孔隙结构,然而RCPT却表明硅酸钠激发

6、矿渣砂浆试块的导电率相比其他两个要高，特别是前期。另外两者的导电率在3-90天阶段几乎没有变化.这说明影响试块导电率是取决于孔隙液的化学成分而不是孔障结狡。当对不同碱激发类型水泥测试时这一问题显得更为突出。有实验表明向激发水化凝水的特性会严重影响到氯离了的传输,RCPT是基于测试导电率的方法，这就同时取决于孔隙结构和孔隙液化学成分，当孔隙液中化学成分对导电率影响极大比如其PH值极高时，测试结果就会有误导性。因此有时应果用例如NordteSt（NT）的加速氯离子迁移测试法或者例如ASTM的水浸测试法，该方法是将被氯离子侵蚀后的试块置于硝酸银溶液中来显示氯离子的侵蚀深度。碳化：空气中的二氧化碳的侵

7、入会使混凝土中的碱性减弱，增强其中钢筋的敏感性，碱激发混凝土中的钢筋的钝化也会因PH降低以及氯离子侵蚀的耦合作用受影响.AAMs中的碳化机制与普通波特兰水泥的碳化有明显不同，AAMS与波特兰水泥刚好相反，碱激发矿渣水泥由于慨乏氢氧钙石，其碳化主要集中在C-A-S-H上,产生含氧化铝的硅质残留和碳酸钙。碳化会导致碱激发混凝土的强度损失和孔隙体积增大，但其强度因此而损失的机制还需要进步研究。相对湿度：影响碳化的另一个关键因素是相对湿度，在包括AAMS在内的混凝土加速碳化测试中常用的相对湿度为50-70%,太高或者太低的相对湿度都会使得碳化速度降低。将为半硬化的式样置于低相对湿度的环境下加速碳化会导

8、致严重的干缩和微裂缝,而这些无疑有利于加快AAMs碳化速度。采用加速碳化测试所得到的结果跟在自然环境下的碳化过程的结果是不完全相匹配的，当二氧化碳浓度很大时会改变反应时碳酸类碱的平均相,这就导致了采用加速碳化的方法的结果存在对碳化程度的过高评估。碳化对粘结剂部分的力学特性的影响还需进一步测试。碳化会使水泥基材料强度损失，但其中的机理还需研究。天然碳化和实验空里加速碳化的矛盾和问题需要若审关注。硫酸盐侵蚀:硫酸盐对混凝土的破坏主要因为在硬化后富钙的水泥水化物与硫酸盐反应生成具有膨胀性的产物，将产生内压力和膨胀，使得混凝土更易受到破坏。由于AAMS的水化产物的化学相与波兰特水泥不同以及不含或者少量

9、的AFm相，因此AAMs受硫酸盐侵蚀的机理与波特兰水泥的截然不同。Shi对碱激发矿渣水泥的抗硫酸盐侵蚀性进行研究，结论是在大部分硫酸盐溶液中AAMS抗硫酸盐性能高于普通波特兰水泥，而在硫酸钠溶液中时其抗硫酸盐的能力甚至高于专门的抗硫酸盐波特;水泥。这是由于高钙AAMS可以利用流酸钠作为碱激发剂。但假如把高钙AAMS浸泡于磕酸镁溶液中的话，其强度就会因为C-A-S-H凝胶的脱钙作用和石膏以及钙矶石的生成而损失。实验发现一个趋势，作为高炉矿渣替代品的粉煤灰或者偏高岭土的钙含量较低，产生更多的碱激发粘合剂，试块中的膨胀反应物也更少了C碱激发粉煤灰或者偏高岭土，乃至碱反应的集料都表现出很小的或者没有膨

10、胀物.碳激发粘合剂孔隙液中低钙含量也可能是抵制膨胀物产生过程的原因。酸的破坏：水化水泥是碱性物质，因此容易被酸性溶液破坏，钙的流失会导致结构破坏和性能损失，在多研究去明AAMS由于其水化产物的特性，抗酸能力要比波特兰水泥要强。波特兰水泥中的氢氧化钙、磺基铝酸钙的溶解，高钙硅比的C-S-H凝胶的脱钙作用，多孔腐蚀层和式样表面的剥离都会导致其抗酸性差。然而碱激发矿渣试块的初始导电率低、C-A-S-H较低的CaOSiO2比、脱钙后致密的硫酸铝层，这些都可以抵御进一步的酸侵蚀。因此AAMS的抗酸性比较高。研究中常用腐蚀深度和质量损失来评价水泥或者混凝土被酸降解的程度。但LIOyd等人发现相比于质量损失

11、率，腐蚀深度更加敏感。碱-集料反应：由于AAMS含有大量的碱，故碱集料反应发生的潜在可能性很大。基于碱二氧化硅反应膨胀物和矿渣波特兰水泥中矿渣的关系，所以当矿渣含量高于80%以及的含系）于4%时有宙的膨胀反应发生的可能性不大。这是由于更换波特兰水泥为大量的高炉矿渣或者粉煤灰会导致C-S-H凝胶的钙硅比降低和高含量的AI。这就可以使得不同于高钙硅比，此时Al可粘结更多的碱离子，这就可以阻止碱集料反应了。6、可持续性的量化波特兰水泥都是以石灰石、黏土等不可再生能源为原料，没生产该水泥需要耗费3-6GJ的能量以及释放近0.85吨的二氧化碳。然而AAMS的前体材料主要是废料，部分可以直接使用，有些这只

12、需要研磨或者燃烧加热到700900摄氏度而已，即使加上生成所需激发剂的排放.AAMS的可持续性优势也是很明显的。决定制备碱激发混凝土的环境排放的最主要因素就是其激发剂,特别是使用硅酸盐碱或氢氧化碱作为激发剂时，这也同时是制作AAMS耗费最多的部分。所以有着双重激励因素促使生厂商设计出一个混合比使得效果最好旦激发剂用量最小的方案,Habert等人利用生命周期评价法从由基于粉煤灰、高炉矿渣、偏高岭土制成的AAM的环境影响作出分析，基于已发表的49中配比方案中平均的计算，得出结果表明：粉煤灰AAM比波特兰水泥的二氧化碳排放量少45%,高炉矿渣的排放就更小了，而偏高岭土则由于各个实验室里碱激发剂的用量

13、太大导致其排量比波特看水泥要大。实际上偏高岭土在800摄氏度下生产AAM其能量消耗只占生产波特兰水泥的50%,而二氧化碳排放量也只有其33%。图8展示了几种制备粉煤灰基AAM不同配比时的排放量。假如配比和生料的选取可以达到对环境影响的最优化，那么支出将会大大缩减。批注L8J:图8四种不同混合比的粉煤灰基的就激发材料的计克二氧 化碳等效排放尿，设计强度都为40MPa。并与典型的 波特兰水泥作对比.PC production Slllca furne 口 Na silicate o Glbbsite)口 NaOH / Fly ash /7.结论和远景展望AAM相对于波特兰水泥有着太多的优势，应该在

14、今后的H子里在全世界大力推广。目前碱激发材料的主要关注研究范围是其回收废弃前体物质。除此之外还力AAM配比最优化的问题、耐久性和环境可持续性的测试和描述，以及新型激发剂。研制新型激发剂来减少排量和减少激发剂的用量。以下对未来在研究AAM审要的方面做出详细说明：1、 明确复杂的前体以及选用的激发剂之间的物理化学性能之间的联系，以及所得粘合剂的性能。2、 通过使用已经在使用或者还未使用过的分析仪器来探测AAM的新信息3、 从化学试剂合成纯产品，模拟真实的碱激发粘合剂凝胶来评估纯产品和实际AAM前体以理解影响到结构和化学成分的歧小因素。4、 研究新型的激发剂来建立一个廉价的粘合剂制品系统、可持续过程和无害处理体系。5、 对AAM在高离子强度、强化学侵蚀条件下微粒表面化学成分的特性描述的方法6、对N-A-S-H凝胶合并为地球化学态模型的热力学描述7、碱激发混凝土的识别和流变特性的模型，包括新型减水剂、塑化剂。引气剂在内的外加剂对其流变特性的影响8、碱激发材料中集料-浆体以及钢筋-浆体过渡区的特性描述