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【文献解读】碱-激发矿渣砂浆在加速碳化作用下的微观孔隙结构演变

【文献解读】碱-激发矿渣砂浆在加速碳化作用下的微观孔隙结构演变

碱-激发矿渣水泥(Alkali-Activated Slag,AAS ) 是以干燥的粒化高炉矿渣(矿渣、粉煤灰等具有潜在活性)为主要原料加入适量的硅酸盐水泥熟料和少量的二水石膏及适量的碱性激发剂混合磨细制成的水硬性胶凝材料,其中矿渣占总量的80%~85%,碱激发剂占总量的5%~10%,其余为水泥熟料。碱激发胶凝材料不仅是一种节能、环保型建筑材料,且具有优越的力学性能和耐久性能,且价格相对低廉,是一种绿色环保水泥,是当今建筑材料领域研究的热点之一。

核心观点:
是以干燥的粒化高炉矿渣(矿渣、粉煤灰等具有潜在活性)为主要原料加入适量的硅酸盐水泥熟料和少量的二水石膏及适量的碱性激发剂混合磨细制成的水硬性胶凝材料,其中矿渣占总量的80%~85%,碱激发剂占总量的5%~10%,其余为水泥熟料。碱激发胶凝材料不仅是一种节能、环保型建筑材料,且具有优越的力学性能和耐久性能,且价格相对低廉,是一种绿色环保水泥,是当今建筑材料领域研究的热点之一。

试验方法

01.试验原材料
试验主要选用某钢铁公司所产的玻璃质磨粒高炉矿渣和P.I 42.5硅酸盐水泥。采用X-ray技术X射线荧光来测定矿渣和水泥的主要化学成分,具体可见下表。

矿渣和水泥的主要化学成分

采用激光粒度分析仪测定所选材料的粒度分布,详见下图。

图1 水泥与碱激发矿渣的粒度分布曲线

图1 水泥与碱激发矿渣的粒度分布曲线

此外,采用最大粒径2.36mm,细度模数2.75,表观密度为2530kg/m3的河砂用于制备砂浆试样,选用工业级颗粒状NaOH(纯度99±1%)和硅酸钠溶液为碱性活化剂(主要成分8.3% Na2O、26.5% SiO2和65.2% H2O)。正式开始试验24h前分别制备0、0.5、1.0、1.5摩尔模量(SiO2/Na2O摩尔比)的碱性活化剂溶液。

02.试验配合比与试样制备

图2 碱-激发矿渣试样与水泥砂浆试样配合比分组

图2 碱-激发矿渣试样与水泥砂浆试样配合比分组

图3 试样制备流程图

图3 试样制备流程图

03.微观孔隙结构检测
为阐述PC和AAS砂浆碳化前后的微观孔隙结构变化,采用纽迈分析的MacroMR12-150H-I低场核磁共振分析系统,对碳化前后的40×40×40mm砂浆样品进行了核磁共振测试。首先,将样品置于60°C的烘箱中24 h。然后冷却至室温(20°C),使用真空饱和装置使砂浆样品饱和。

试验结果

01.碳化前后对试样抗压强度的影响

图4 AAS与PC砂浆碳化前后的抗压强度

图4 AAS与PC砂浆碳化前后的抗压强度

从图中可以看出,碳化作用使PC混凝土的抗压强度有所提高,这主要是由于碳化作用于水泥水化的产物发生二次反应,所生成的微小的晶体,可以填充基体中的孔隙,减少孔隙,起到一定的密实作用,从而使得抗压强度有所提高。
相反地,对于碱激发矿渣水泥砂浆来说,碳化作用使得不同浓度下的样品的抗压强度有所降低。目前主要从以下两方面来解释:一是碳化过程中碳酸钙结晶速率较低有关,碳酸钙结晶速率较低,在硬化碱活性渣中,C-S-H的低Ca/Si能抑制CaCO3的形成;第二种说法认为:尽管具有高耐久性的C-SH凝胶的低Ca/Si,一旦发生脱钙,C-S-H凝胶损伤更快,凝胶的凝聚力降低。

02.碳化前后对试样孔隙率的影响

本试验以体积变化、干样信号和孔隙率为研究对象,利用低场核磁共振技术研究了碳化前后对AAS和PC样品孔隙率的影响。具体可如表3所示.

碳化前后对AAS和PC样品孔隙率的影响

可以看出,在碳化前后,PC和AAS的体积、干样品信号和孔隙率存在较大差异。结果表明,碳化过程对所有试样的收缩效应,但PC试样的收缩率较低。这主要与Ca(OH)2膨胀转化为CaCO3有关,有研究表明,碳酸钙的形成使体积增加了11.8%。另一方面,当采用0、0.5、1、1.5三种模量时,水玻璃模量的增加使收缩率分别提高了7.43%、7.67%、9.98%和11.53%。这可能是由于随着水玻璃模数的增加,C-S-H的形成阻碍了碳酸钙的结晶。此外,碳化过程中水滑石的形成也可能对碳酸钙结晶产生干扰作用。

03.碳化前后对试样孔隙结构的影响

图5  碳化作用前后各样品的核磁共振伪彩图像

图5 碳化作用前后各样品的核磁共振伪彩图像

MRI核磁共振成像灰度值分布图

图6-1. PC砂浆样品碳化前后的NMRI灰度图像。

MRI核磁共振成像灰度值分布图

图6-2. 各样品在碳化前后MRI图像的灰度值

04.碳化前后对试样NMR横向弛豫时间的影响

AAS各浓度下样品碳化前后T2图谱变化特征

图7 AAS各浓度下样品碳化前后T2图谱变化特征

从上图中可以看出,碳化前后碱激发矿渣水泥砂浆的孔隙的T2图谱曲线发生明显的改变,碳化后均使得样品内部的小孔隙数量减少,中孔和大孔有一定程度的增加。AAS和PC样品在较大尺度上的孔径分布基本相同。每种基质中孔隙分布的跨度是由于反应产物密度的差异造成的。

试验结论

(1)碳化作用对碱-激发矿渣水泥砂浆(混凝土)的抗压强度具有不利影响。
(2)与纯NaOH溶液相比,随着水玻璃模数的增加,C-S-H转变为Ca/Si较低的相,样品的抗压强度更高。在AAS样品中,尤其是在水玻璃存在下,C-S-H更容易析出钙。
(3)基于低场核磁共振技术可以直观、清楚地分析加速碳化作用前后PC和AAS样品微观孔隙结构的变化特征,为进一步探究加速碳化作用下样品内部孔隙结构演变规律提供一种新途径。

参考文献:
[1] Li, Ning,N. Farzadnia , and C. Shi . “Microstructural changes in alkali-activated slag mortars induced by accelerated carbonation.” Cement and Concrete Research 100(2017):214-226.
[2] 碱-激发水泥和混凝土[M]. 史才军等. 北京:化学工业出版社.2008.7

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