碱激发粉煤灰/矿渣自收缩机理研究

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碱激发材料是近年出现的最具发展潜力的绿色胶凝材料,不仅具备强度高、耐高温等优异性能,而且主要原材料是工业废弃物,如粉煤灰、矿渣,具有优良的环境能耗效益。但碱激发粉煤灰矿渣胶凝材料具有较大的自收缩变形,收缩产生的裂缝极大限制了碱激发粉煤灰矿渣在实际工程中的应用。因此,正确认识碱激发材料的自收缩变形和自收缩机理是碱激发材料大规模生产应用的关键。本文采用粉煤灰、矿渣为原料,制备了碱激发粉煤灰/矿渣复合体系胶凝材料。首先采用3种方法(毛细管压力、凝结时间、内部相对湿度)探究了碱激发粉煤灰/矿渣复合体系自收缩起始时间。在此基础上,研究了激发剂模数、Na2O含量、水灰比、粉煤灰掺量和矿物掺合料(硅灰、偏高岭土)对碱激发粉煤灰/矿渣复合体系的自收缩、毛细管压力、内部相对湿度的变化规律。使用等温量热仪、氮气吸附仪和红外光谱仪等对碱激发粉煤灰/矿渣复合体系的反应进程、孔结构和反应产物分子结构进行了研究。研究结果表明:在反应初期,碱激发粉煤灰/矿渣内部毛细压力会出现急剧增加,对应于体系内部应力的积聚,且毛细压力变化与早期收缩斜率的变化相吻合,因此,可以将毛细压力急剧增加对应的时间点确定为碱激发粉煤灰/矿渣复合体系自收缩的起始时间。当激发剂模数增大时,孔结构类型改变,介孔数量增多,导致体系自收缩逐渐增大;当氧化钠含量由4%增加到5%时,反应程度增大,累积孔体积增大,导致体系自收缩增大;当水灰比增大时,体系内部湿度增大,反应速率及反应程度减小,孔径分布峰值减小,代表小孔径介孔数量减小,产生的毛细压力减小,从而导致自收缩减小;当粉煤灰掺量增加时,反应速率及反应程度减小,介孔孔径增大,产生的毛细压力减小,导致自收缩逐渐减小。外掺硅灰与偏高岭土均能降低碱激发粉煤灰/矿渣自收缩,其中,偏高岭土的减缩效果更好。硅灰的掺入使碱激发粉煤灰/矿渣复合体系反应速率减慢,反应程度降低,累积孔体积减小,从而减小了体系的自收缩;偏高岭土的掺入使碱激发粉煤灰/矿渣复合体系保持较高的湿度,产生的毛细压力减小,反应速率及反应程度减小,孔结构类型发生较大改变,孔径分布更广,孔径尺寸增大,从而大大减小了体系的自收缩。碱激发粉煤灰/矿渣复合体系的内部湿度和反应程度是影响自收缩的重要因素,一般而言,体系内部湿度越高,所产生的自收缩越小;但并不能完全反应出自收缩变化规律。通过孔结构和产物分子结构测试发现,碱激发材料的自收缩还与产物孔结构类型、介孔孔径大小、介孔数量和产物分子结构等密切相关。研究发现,决定自收缩大小的主要因素是孔结构类型和介孔数量,相对介孔数量,孔结构类型对自收缩影响更大。孔结构为“墨水瓶”类、介孔孔径越小、介孔数量越多所产生的自收缩越大,且掺入水玻璃后更容易生成“墨水瓶”类孔。
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