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混凝土中添加碱激发剂的效果研究及应用一、引言混凝土作为建筑材料的主要组成部分，其性能的稳定性和耐久性对于建筑物的安全性和寿命有着至关重要的作用。
然而，由于混凝土的主要成分水泥在制造过程中使用较多的热能、排放较多的CO2，同时也会因为硬化过程中的收缩而导致开裂问题。
因此，如何提高混凝土的性能，减少混凝土的开裂和延长混凝土的使用寿命，成为了混凝土研究领域的热门话题之一。
二、碱激发剂的作用原理碱激发剂是一种能够提高混凝土性能的添加剂，其主要作用是通过激发混凝土中的碱性物质，促进混凝土中的反应和结晶过程，增强混凝土的强度和耐久性。
具体来说，碱激发剂能够改变混凝土中的化学反应过程，使得混凝土中的氢氧化钙和氢氧化铝等成分与水发生反应，形成强度更高的水化产物，从而提高混凝土的强度和耐久性。
三、碱激发剂的种类及添加方法1.碳酸钠碱激发剂碳酸钠是一种常见的碱激发剂，其添加量一般为水泥质量的1%-3%。
碳酸钠碱激发剂的添加方法一般是将碳酸钠溶解在水中，然后将其与混凝土拌合均匀即可。
2.硅酸钠碱激发剂硅酸钠也是一种常用的碱激发剂，其添加量一般为水泥质量的1%-3%。
硅酸钠碱激发剂的添加方法与碳酸钠类似，需要将其溶解在水中，然后与混凝土拌合均匀。
3.氢氧化钠碱激发剂氢氧化钠是一种强碱性物质，其添加量一般较少，一般为水泥质量的0.1%-0.3%。
氢氧化钠碱激发剂的添加方法需要注意，一般需要先将氢氧化钠溶解在一定量的水中，然后将其与混凝土拌合均匀。
添加氢氧化钠碱激发剂时需要注意安全，避免皮肤接触和吸入。
四、混凝土中添加碱激发剂的效果研究1.强度性能研究表明，混凝土中添加碱激发剂能够显著提高混凝土的强度性能。
以硅酸钠为例，添加硅酸钠的混凝土28天龄期的抗压强度可提高20%-40%左右。
同时，碳酸钠和氢氧化钠的添加效果也相当不错。
2.耐久性能混凝土的耐久性是衡量其质量的一项重要指标，研究表明，混凝土中添加碱激发剂能够显著提高混凝土的耐久性能。
矿业工程黄 金ＧＯＬＤ２０２３年第１２期／第４４卷碱激发黄金尾矿制备胶凝材料的试验研究收稿日期：２０２３－０５－３０；修回日期：２０２３－０７－０２作者简介：李进鹏（１９８５—），男，工程师，从事矿山生产技术及采矿工程管理工作；Ｅ ｍａｉｌ：ｚｊｋｙｋｊｂ＠１２６．ｃｏｍ李进鹏，刘 辉，温骁东（招金矿业股份有限公司蚕庄金矿）摘要：基于黄金尾矿资源化利用这一目标，开展了以碱熔后的黄金尾矿和高炉矿渣为原材料制备胶凝材料的试验研究。
研究了高炉矿渣掺量对所制备胶凝材料凝固时间、抗压强度、物相组成及水化产物的影响。
结果表明：添加高炉矿渣可以显著缩短材料的凝固时间，增加其抗压强度，并且添加３０％高炉矿渣时效果最优，２８ｄ抗压强度可达到１４．０５ＭＰａ。
掺入高炉矿渣后，碱激发胶凝材料的水化产物以水化硅酸钙（ＣＳＨ）和水化硅铝酸钠（ＮＡＳＨ）为主。
关键词：黄金尾矿；胶凝材料；高炉矿渣；碱激发；抗压强度 中图分类号：ＴＤ８５３．３４ 文章编号：１００１－１２７７（２０２３）１２－００１８－０５文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．１１７９２／ｈｊ２０２３１２０５引 言近年来，中国经济呈现出迅猛的增长趋势，与此同时，为适应经济的发展，矿山的开采数量也随之增加，因此所产生的尾矿量也不断增加。
大量的尾矿给矿业、环境和经济造成不少难题，成为中国矿业和经济可持续发展的瓶颈问题。
总的来说，尾矿的危害主要体现在以下几个方面：①矿产资源浪费。
由于大多数矿石品位低［１］，且呈多组分共伴生矿，矿物嵌布粒度细，再加上以往较低的选矿技术水平、陈旧的设备及落后的管理水平等问题，造成资源的严重浪费。
尾矿占用大量土地，建设尾矿库投资巨大。
目前，大多数尾矿都堆存在尾矿库中，只有少数得到利用，因此占用大量的土地［２］，这其中包括大量的耕地和林用土地，对于中国这样一个人口众多、人均耕地面积较少的大国来说，显然是严重的威胁。
另外，修建及维护尾矿库要耗费大量的费用。
碱激发钢渣-镁渣基胶凝材料的制备及其光催化性能研究碱激发钢渣-镁渣基胶凝材料的制备及其光催化性能研究摘要：钢渣和镁渣是工业生产中常见的废弃物，将其转化为可用的胶凝材料对于资源的循环利用具有重要意义。
本研究以氢氧化钠为碱激发剂，将钢渣和镁渣固体废弃物转化为胶凝材料，并对其光催化性能进行了研究。
通过适当的实验设计和材料制备过程，得到了具有优异光催化性能的碱激发钢渣-镁渣基胶凝材料。
其催化活性的提升主要是由于碱激发过程中氢氧化钠能够在钢渣和镁渣中形成氢氧根离子，并激活光催化反应。
1. 引言随着现代工业的发展，钢铁和镁合金等材料的生产不断增加，同时也带来了大量的钢渣和镁渣等废弃物。
传统处理方式通常是将这些废弃物直接填埋或堆放，这不仅浪费了有限的资源，还对环境造成了严重的污染。
因此，将废弃物转化为可循环利用的材料成为了一个重要的研究方向。
光催化技术是一种利用可见光或紫外光激发材料表面与光反应发生化学反应的方法，可以用来降解有机污染物或产生清洁能源。
本研究将钢渣和镁渣作为原料，采用碱激发方法制备一种新型胶凝材料，并研究其光催化性能，旨在实现废弃物的资源化利用和环境净化。
2. 实验方法2.1 原料的制备收集工业生产中的钢渣和镁渣，并经过研磨和筛分处理，得到粒径为0.1-0.2 mm的试样。
2.2 材料制备将钢渣和镁渣试样混合，并加入适量的氢氧化钠溶液，通过搅拌将其充分混合，并将混合物置于恒温水槽中固化。
3. 结果与讨论3.1 材料性能表征通过扫描电子显微镜观察和X射线衍射分析，对制备的钢渣-镁渣基胶凝材料进行表征。
结果显示，材料表面均匀致密，颗粒之间形成良好的结合。
X射线衍射分析结果表明，材料中存在各种晶相，其中主要包括硅酸盐、氢氧化物和氧化物。
3.2 光催化性能研究采用紫外-可见光光谱仪测量材料的吸收光谱，并通过降解亚甲基蓝溶液来评估材料的光催化性能。
结果显示，制备的钢渣-镁渣基胶凝材料对可见光具有较好的吸收，且在紫外-可见光照射下对亚甲基蓝具有良好的降解效果。
低燃料的消耗和生产成本，并能提高建筑的耐久性。
遵循源头减量、能源转型、资源循环、负碳技术等脱碳减排实施路径，低碳无须焙烧的耐高温混凝土材料成为水泥领域和耐高温材料领域的共同需求。
碱激发胶凝材料是一类利用碱激发剂，与具有火山灰性或潜在水硬性，或兼有火山灰性和潜在水硬性的硅铝质矿物（通常为高温下骤冷的硅铝质天然矿物或工业废渣，如粒化高炉矿渣、粉煤灰、硅灰等）通过催化原理制得的，具有三维复杂网状结构的胶凝材料。
碱激发胶凝材料凝结硬化快、强度高、抗腐蚀能力强，并且相较于传统的胶凝材料，具有制备工艺简单、生产能耗低、可有效利用工业固废物等优势，已成为未来建筑领域实现“绿色”目标的有效手段。
国内外学者对于碱激发胶凝材料的耐高温性能进行了大量的研究。
在这些研究中，矿物相的研究为宏观性能、微观性能间的调控奠定了基础，对碱激发胶凝材料耐高温性能的优化具有指导意义。
因此，文章综合国内外的研究进展，综述了碱激发胶凝材料耐高温性能、矿物相转变历程，以及其影响因素等方面的研究进展。
1碱激发胶凝材料的高温性能与传统硅酸盐水泥不同，碱激发胶凝材料以低钙/无钙活性硅铝质矿物为原材料，可有效弱化因Ca(OH)2及CaCO 3分解所带来的高温破坏，具有优异的耐高温性。
碱激发粉煤灰胶凝材料由于富含架状硅酸盐、赤铁矿及磁铁矿等天然储热矿物和低钙富硅铝酸盐，在碱性激发剂的作用下会形成性能优异的耐高温产物[1-3]：①低钙摘要 随着国家“碳达峰与碳中和”目标的提出，碱激发胶凝材料作为一种无须高温制备的建筑材料，受到了广泛的关注。
文章结合国内外的研究进展，综述了碱激发胶凝材料的耐高温性能、矿物相转变历程，以及其调控机制等几方面的研究进展。
关键词 碱激发材料；矿物相；转变历程；高温中图分类号 TU521 文献标识码 ADOI 10.19892/ki.csjz.2023.20.45Abstract With the proposal of the national goal of “carbon peaking and carbon neutrality”, alkali-activated material, which is a kind of heat-resistant concrete without necessity to be fired, has attracted widespread attention. In this paper, the thermal properties, transformation process of mineral phase, and regulation mechanism of alkali-activated materials are discussed according to the research progress at home and abroad.Key words alkali-activated materials; mineral phase; transformation process; high temperature建筑业是国民经济的支柱产业之一，而建筑材料是其重要的物质基础。
碱激发剂掺量对充填复合胶凝材料强度影响的试验研究张丹;薛杉杉【摘要】本文针对性地探讨了碱激发剂掺量对尾矿-冶炼渣充填复合胶凝材料强度的影响.在强度试验的基础上,通过扫描电子显微镜、X射线衍射、红外光谱、X射线光电子能谱等一系列测试手段分析了在不同碱激发剂掺量下的材料结构和元素化学结合能变化,从微观上阐释了材料强度变化的原因.研究结果表明:添加碱激发剂有利于提高复合胶凝材料强度,碱激发剂的最佳掺量为3％.【期刊名称】《中国矿业》【年(卷),期】2015(024)0z2【总页数】6页(P221-226)【关键词】碱激发剂;胶凝材料;强度;水化反应【作者】张丹;薛杉杉【作者单位】北京矿冶研究总院,北京100160;北京矿冶研究总院,北京100160【正文语种】中文【中图分类】TU528有色冶炼废渣是指在有色金属冶炼的过程中产生的各种有色金属残渣，其中较为常见的有铜渣、锌渣、铝渣、镍渣等。
除此之外，还有从铝土矿提炼氧化铝时排出的赤泥、轧钢过程中产生的氧化铁渣等[1]。
铅锌渣是经高温熔融、然后水淬急冷而成，矿物组成中存在玻璃相，因而在硫酸盐或碱激发下会有一定的活性[2]。
利用铅锌渣能够制得复合胶凝材料[3]，将其应用于矿山充填可以在提高资源利用率的同时，有效地降低充填成本。
激发胶凝材料活性的途径，主要包括机械活化和化学活化[4]。
机械活化是一种物理激发方法，通过机械力的作用，将胶凝材料磨细，增加新的活性表面，加速水化反应过程。
磨细的水淬矿渣和水混合后，在其表面将发生轻微的水化反应，使其部分物质溶解和水化，形成C—S—H凝胶。
但进一步水化被矿渣玻璃体表面的低渗透保护膜所阻止，使水不能进入矿渣玻璃体内部，因而矿渣内部的离子也不能渗出。
采用化学活化的方法，使矿渣玻璃体结构被破坏，使矿渣在常温下能进行水化反应。
一般化学激发剂分为三种：碱激发，酸激发和水解呈碱性的盐类激发。
本文通过强度试验及一系列微观分析手段，研究了碱激发剂掺量对铅锌尾矿-冶炼废渣复合胶凝材料强度的影响，为充填胶凝材料制备及力学性能优化奠定理论基础。
第59卷第2期2021年3月上海涂料SHANGHAI COATINGSVol.59No.2Mar.2021碱激发胶凝材料的研究进展姜乐乐，姜福香（青岛理工大学土木工程学院，山东青岛266033）摘要：碱激发胶凝材料是一种绿色环保的新型建筑材料，对于构建资源节约型和环境保护型社会具有重要意义。
从碱激发胶凝材料的制备、反应机理、耐久性等方面对其国内外研究成果进行综述,并提出存在的问题和未来的发展方向，旨在为碱激发胶凝材料应用于工程实际提供数据和理论支持。
关键词：新型建筑材料；碱激发胶凝材料；反应机理；耐久性能中图分类号：TU366.3文献标志码：A文章编号：1009-1696（2021）-0042-06水泥作为传统的建筑材料推动了建筑行业的快速发展，但在水泥的生产过程中既消耗了大量的资源和能源，又排放出大量的温室气体，这对于建筑行业的可持续发展非常不利。
我国是世界上最大的水泥生产国，也是最大的水泥消耗国，因此，积极寻找一种环境友好、资源节约的新型建筑材料具有重要意义。
碱激发胶凝材料是利用具有火山灰活性或者潜在火山灰活性的硅铝质材料与碱性激发剂反应而生成的一种胶凝材料。
常用的硅铝质材料主要有矿渣、粉煤灰、偏高岭土、炉渣、石灰石等，碱性激发剂主要有KOH、NaOH、水玻璃、NazCOs等。
碱激发胶凝材料的制备工艺简单，早期强度和最终强度都比较高。
同时碱激发胶凝材料的制备增加了废物的利用,符合可持续发展的战略要求，因此受到各国学者的广泛关注。
总结了碱激发胶凝材料的制备、反应机理、耐久性能等方面的主要研究进展，并对其未来的发展方向进行了展望。
1碱激发胶凝材料的发展及其制备1940年，Pardon⑴将少量的氢氧化钠放入水泥浆中，发现水泥的水化反应明显加快，而氢氧化钠在其中扮演了催化剂的作用，使硅铝质材料快速溶解，就此提出了“碱激活”理论；1957~1959年，Glukhovsky教授将硅铝质材料炉渣或者高炉矿渣、碎石等磨细的混合物与碱性激发剂氢氧化钠和水玻璃复合溶液混合，得到了强度高、稳定性能良好的胶凝材料；法国的Davidovits⑵研究了这种胶凝材料的组成成分，发现其中含有大量水化硅酸钙和沸石相。
D0l:10.16767/ki.10-1213/tu.2019.11.010碱激发胶凝材料的研究现状综述孔令炜孙士成吉林建筑大学摘要：碱激发胶凝材料具有多种优良的使用性能，如强度高，能耗低，绿色环保等，符合社会可持续发展的要求，具有广阔的应用前景。
本文着重分析了碱激发胶凝材料的基本化学成分及其作用，并阐述了碱激发胶凝材料的激活方式及其应用现状。
关键词：减激发胶凝材料;化学组成；激发方式；应用1前言碱激发胶凝材料是使用自身具有火山灰活性或者水硬性材料与对应的碱性激活剂进行反应，从而得到的一种具有良好使用性能的胶结材料。
当前各种碱激发胶凝材料种类较多，按制备的原材料分有以下几类:一是铝硅酸盐玻璃体类，主要来源于工业废渣，同时其来源很多;二是碱烧黏土类材料，这种碱激发胶凝材料的原料主要是高岭土;三是碱矿石尾矿类材料,主要原料是钾长石尾矿、铝土矿选尾矿，其特点是含钙比较少,与碱烧黏土类似；四是碱碳酸钙类物质.其中含有大量钙、镁。
碱激发胶凝材料具有很多优点,首先碱激发胶凝材料是一种低成本、低能耗的绿色材料，其次碱激发胶凝材料是一种可以循环使用的材料，因此这种材料在实际应用过程中可以实现三废的零排放,减少对周边自然环境的污染.达到良好的生态效益叫碱激发胶凝材料的这些优点使得其成为建筑材料的主要发展方向.具有广阔的使用前景。
2化学组成对碱激发胶凝材料性能的影响矿渣和粉煤灰是最早用于碱激发胶凝材料制作的原料，此后,相关研究者将各种废渣用于碱激发胶凝材料的生产,并取得显著成果。
根据相关统计，碱激发胶凝材料的主要化学组成是二氧化硅、氧化铝和氧化钙，这三种物质占到总材料的80%以±o现对各氧化物的作用做简要回顾。
2.1氧化钙碱激发胶凝材料在反应过程中，钙对早期强度具有关键性作用。
相关研究人员对矿渣中钙组分的作用进行研究.发现钙组分能有效增加反应结构的无序性，并有效降低原料的聚合程度。
原料中含钙多少会直接影响到反应程度，还会影响到反应过程中的水化产物,在实际操作过程中可以利用梯度酸溶法来区分高钙粉煤灰中的水化产物,如果原料中含钙较多，可以有效促进普通水化产物的产生，这里所说的水化产物,包括聚合物凝胶、类沸石无定形物以及水化硅酸钙凝胶等。
国内图书分类号： TQ172.78国际图书分类号： 666.946.4工学硕士学位论文碱激发胶凝材料的性能研究硕士研究生：王 聪导师：张玉珍副教授申 请 学位：工学硕士学科、专业：材料学所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2006年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index： TQ172.78U.D.C.: 666.946.4Dissertation for the Degree in EngineeringPERFORMANCE RESEARCH ONALKALI-ACTIV ATEDCOAGULATION MATERIALSCandidate：Wang CongSupervisor：Associate Prof. Zhang Yuzhen Academic Degree Applied for：Master of EngineeringSpecialty：Materials ScienceAffiliation:School of Materials Science andEngineeringDate of Defense：June, 2006Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要本文主要研究不同矿物粉料在碱的作用下强度发展规律。
并对这类碱激发材料的性能进行了试验分析。
通过扫描电镜观察水化产物的微观结构并分析激发机理。
通过变换碱种类、碱掺量、水玻璃模数、粉料细度、水胶比、养护温度、养护时间、活化方式、煅烧温度以及复合粉料和复合碱的比例等因素，来分析其强度变化规律。
研究结果表明：水玻璃对矿渣和增钙粉煤灰的激发效果要优于NaOH的激发效果，模数为1.2的水玻璃掺量达到8%时强度达到最大值。
矿渣比表面积控制在500m2/kg较好。
在用碱激发煤矸石活性时，随着养护温度的提高、养护龄期的延长，试样的强度不断增长；对于活化方式而言，单纯的热活化没有增钙热活化效果好，石灰最佳掺量为14%；煅烧煤矸石温度在700℃时活性最大。
2019,Vol.33,No.7 www.mater⁃rep.com ychh@DOI :10.11896/cldb.18110009请扫描二维码访问本文网络展示页面以获取补充信息(Supplementary Information) 基金项目:十三五国家重点研发计划(2017YFB0309905);国家自然科学基金(51778089;51708060) This work was financially supported by the National Key Research and Development Plan of the Thirteenth (2017YFB0309905),the National NaturalScience Foundation of China (51778089,51708060).复合激发剂对碱矿渣胶结材水化进程及早期性能的影响杨 凯1,张之璐1,杨 永1,韩 昊2,黄文聪1,朱效宏1,唐德莎1,李 爽1,杨长辉1,1 重庆大学材料科学与工程学院,重庆4000452 中交二航局第二工程有限公司,重庆401121通过混料设计研究了水玻璃㊁碳酸钠㊁氢氧化钠和氢氧化钙四种激发剂在复合条件下对矿渣的激发作用及对碱矿渣胶结材(AAS )早期性能的影响㊂使用水化微量热仪㊁X 射线衍射仪㊁综合热分析仪分析了AAS 的水化过程㊂结果显示:在碱当量和水胶比一定的条件下,复合激发剂仅能在100~130mm 范围内调节AAS 砂浆的初始流动度,但对AAS 砂浆抗压强度的影响显著㊂氢氧化钠的激发作用在3d 以内最显著,水玻璃对强度的贡献主要体现在3d 后;各激发剂间的交互作用主要体现在3d 以内的抗压强度上㊂与水玻璃激发AAS 相比,在激发剂中加入1.5%碳酸钠会减缓AAS 各龄期水化进程;加入3%氢氧化钙㊁1.5%和3%氢氧化钠能分别加快AAS 1d 和3d 内的水化进程,但均会降低28d 的水化进程㊂此外,根据ANOVA 方差分析得到的回归方程,提出了利用激发剂种类和比例来调节及控制AAS 水化进程的技术途径㊂关键词 碱矿渣胶结材 复合激发剂 抗压强度 水化进程中图分类号:TU528.01 文献标识码:AImpact of Activator Mix Proportions on Hydration Process and Early⁃age Properties of Alkali⁃Activated Slag BinderYANG Kai 1,ZHANG Zhilu 1,YANG Yong 1,HAN Hao 2,HUANG Wencong 1,ZHU Xiaohong 1,TANG Desha 1,LI Shuang 1,YANG Changhui 1,1 College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 4000452 China Communications 2nd Navigational Bureau 2nd Engineering Co.,Ltd.,Chongqing 401121The effect of four different activators (water glass,sodium carbonate,sodium hydroxide,calcium hydroxide)on slag and early⁃age perfor⁃mance of alkali⁃activated slag binder were studied by mixture design.The hydration process of AAS was analysed by isothermal carlorimetry,X⁃ray diffraction and Thermogravimetry.The obtained results indicated that when alkali concentration and water to binder ratio kept constant,the initial fluidity of AAS mortar could be regulated only in the range of 100 130mm by activator mix proportions,while the compressive strength de⁃velopment of AAS mortar was strongly affected.The effect of sodium hydroxide on slag was significant before 3d,while water glass governed compressive strength development after 3d.The interactions between different activators were found mainly significant at early stage (before 3d).Compared with sample activated by water glass,when 1.5%sodium carbonate was used to replace the same Na 2O concentration of water glass,the hydration process was delayed.The addition of 3%calcium hydroxide,1.5%sodium hydroxide and 3%sodium hydroxide could ac⁃celerate the hydration process of AAS at 1d and 3d respectively,but both reduced the hydration process at 28d.Furthermore,equations de⁃rived from ANOVA regression analysis offered approaches to optimize the AAS hydration process through varying activator types and their propor⁃tions.Key words alkali⁃activated slag binder,activator mix proportions,compressive strength,hydration process0 引言碱矿渣胶结材(AAS)是由碱激发剂与磨细水淬高炉矿渣组成的一种无熟料胶凝材料,因具备低碳㊁环保㊁耐化学腐蚀等特性,已成为当今水泥研究领域的热点与难点之一[1⁃2]㊂当前关于AAS 性能的研究主要集中在以下方面:如何调控其水化进程[3⁃6]㊁如何改善其塑性阶段的流变性[7⁃9]㊁如何降低其硬化体收缩性[10⁃13]以及如何控制其使用过程中的泛碱行为[14⁃15]㊂已有研究表明,激发剂种类和掺量是影响AAS 性能的主要因素之一[3,6,16⁃17]㊂制备AAS 常用的碱激发剂包括水玻璃㊁碳酸钠㊁氢氧化钠和氢氧化钙等㊂采用单组分的激发剂难以制备性能优异的AAS,如:单独采用水玻璃或氢氧化钠激发的AAS 浆体凝结速度过快[18⁃19];采用水玻璃激发的AAS 硬化体收缩大[18,20];采用氢氧化钠激发的AAS 硬化体后期强度不高[18⁃19];采用碳酸钠激发的AAS 浆体凝结时间长,早期强度发展缓慢[21⁃23];采用氢氧化钙激发的AAS 试件受氢氧化钙掺量和养护制度的影响,抗压强度波动较大[24⁃25]㊂因此,采用复合激发剂制备AAS 是克服上述缺点的有效手段之一㊂Fernández⁃Jiménez 等[26]研究了Na 2SiO 4⁃NaOH⁃Na 2CO 3两两复合激发矿渣,结果表明通过调整CO 32-㊁SiO 42-和OH -的比例能改变AAS 的水化进程,进而调节其强度发展速度㊂Bernal 等[4,18,21]的研究也得到了相似的结论㊂此外,Cheng [7]㊁Collins [27]和Qureshi [28]等的研究也指出使用复合激发剂可改善AAS 的凝结时间和工作性能㊂然而,现有关于复合激发剂的研究主要集中在通过改变激发剂种类来调节AAS 水化进程,缺少通过调整激发剂的比例来调控AAS 水化进程的系统研究,无法给出进一步控制AAS 水化进程的方法㊂本工作通过混料设计研究了水玻璃㊁碳酸钠㊁氢氧化钠及氢氧化钙四种常用激发剂的组合对AAS 水化进程和早期性能的影响,并使用ANOVA 分析得到的回归方程提供了利6232用激发剂种类和比例来调节及控制碱矿渣胶结材水化进程的技术途径㊂1 复合激发剂对碱矿渣砂浆初始流动度的影响图1给出了在复合激发剂条件下AAS砂浆初始流动度的实验结果㊂由图1可知,AAS砂浆的流动度随激发剂组合的改变在100~130mm范围内波动,略低于现有文献的研究结果[3,29]㊂除了受激发剂复合影响外,AAS砂浆的初始流动度主要与所用矿渣细度有关㊂从图1可以看出:当复合激发剂中含氢氧化钙(CH)时,AAS砂浆的初始流动度较低,最高值仅为110mm,且随CH掺量的增加,流动度迅速降低至100mm㊂这是因为CH具有较大的比表面积,在AAS砂浆体系中能够快速吸收水分,导致AAS砂浆的流动性降低[7,30];当复合激发剂中含水玻璃(WG)时,AAS砂浆的初始流动度较高,最大值可达130mm,这是由于WG自身携带了大量负电荷,对表面同样带负电荷的矿渣起分散作用[31]㊂与CH和WG 相比,碳酸钠(NC)和氢氧化钠(NH)对AAS砂浆初始流动度的影响较小㊂另外,由图1统计分析结果还可以看出,WG与CH㊁NC与NH之间存在一定程度的交互作用㊂从整体来看,在水胶比与碱当量一定的条件下,复合激发剂虽能调高或调低AAS砂浆的初始流动度,但仅限于100~130mm范围㊂图1 激发剂组合对碱矿渣砂浆初始流动度的影响Fig.1 Influence of activator mix proportions on initial fluidity of AAS mortar 2 复合激发剂对碱矿渣砂浆抗压强度的影响图2总结了在19种激发剂组合条件下AAS砂浆各龄期的抗压强度㊂结果表明,AAS砂浆的抗压强度随养护龄期延长呈上升趋势,但波动较大,其中AAS砂浆的1d强度分布在0~30MPa,3d强度分布在15~50MPa,7d强度分布在15~65MPa,28d强度分布在20~80MPa㊂这说明复合激发剂各组分比例对AAS砂浆抗压强度的影响显著㊂为定量描述不同龄期AAS砂浆抗压强度随激发剂种类和比例的改变而呈现出的变化规律,本实验对19种激发剂组合㊁AAS砂浆抗压强度㊁龄期等进行了ANOVA方差和多元非线性回归分析,结果如下:σ1d=10.24αNH+3.30αCH+19.16αWGαCH+21.12αNCαCH(1)σ3d=16.48αWG+9.75αNC+15.76αNH+5.24αCH+14.14αWGαNC+7.60αNCαCH(2)σ7d=21.52αWG+16.23αNC+15.84αNH+4.01αCH(3)σ28d=26.35αWG+19.79αNG+18.69αNH+5.23αCH(4)式中:σ1d㊁σ3d㊁σ7d㊁σ28d为AAS砂浆试件各龄期的抗压强度(MPa);αWG㊁αNC㊁αNH㊁αCH为各激发剂组分掺量(详见表S3)㊂利用ANOVA统计分析计算回归拟合方程(1) (4)的相关系数(R2),结果依次为0.902㊁0.972㊁0.930和0.935㊂图2 不同激发剂组合条件下AAS砂浆各龄期抗压强度Fig.2 Effect of activator mix proportions on compressive strength develop⁃ment of AAS mortar图3给出了不同激发剂对矿渣的激发作用和激发剂间的交互作用随龄期的变化规律㊂从图3可以看出,在复合激发剂体系下,水玻璃(WG)㊁碳酸钠(NC)㊁氢氧化钠(NH)对矿渣的激发作用均随龄期延长而增强,其中WG的激发作用在1d时并不明显,3d后迅速增强;NH的激发作用主要集中在前3d;NC的激发作用在7d内较弱,但后期增强,其效果与NH相似;氢氧化钙(CH)的激发作用在28d内变化不大㊂此外,AAS砂浆在7d龄期后的强度发展主要取决于各激发剂的组分比例,其中WG作用最强,CH作用最弱,而NC与NH的作用相近㊂这与单激发剂体系下AAS砂浆的抗压强度发展变化规律相似[32],不同的是,NC在此过程中所起的激发作用略大于NH㊂这可能是由于在复合激发剂的体系中,矿渣对激发剂种类存在一定的选择性[33]㊂图3 激发剂种类(主因素)及其交互作用随龄期变化规律Fig.3 Illustration of activators(main effect)and interaction at different ages如图3所示,激发剂间的交互作用对AAS砂浆抗压强度的影响主要集中在前3d,尤其是在1d时,WG与CH㊁NC与CH的交互作用效果已明显大于NH㊁CH的单独作用效果㊂7232复合激发剂对碱矿渣胶结材水化进程及早期性能的影响/杨 凯等这可能是由于CH溶解所释放出的Ca2+有效补充了矿渣在初期水化时所消耗的Ca2+[7,30,34],且尚未溶解的CH能作为非均匀成核体,进一步促进C⁃S⁃H凝胶体系的生成[30]㊂此外, 3d时WG与NC间的交互作用也较为明显,这可能是由于CO32-的引入能更好地分散团聚的SiO42-,改善了AAS水化产物的分布和孔结构㊂图4显示了在保持水胶比㊁碱当量不变的条件下,采用复合激发剂的AAS砂浆在1d㊁28d时的抗压强度变化规律㊂结果表明:AAS砂浆的1d㊁28d抗压强度能分别在5~20MPa㊁30~70MPa间进行任意调节㊂这也表明:综合利用上述回归方程(1) (4)和图4所得数据,能够得到改善㊁优化AAS砂浆抗压强度的具体技术途径㊂这说明在保证AAS抗压强度的前提下,能够通过调节激发剂比例来优化AAS的其他性能(如:收缩性㊁泛碱性等),从而提出满足实际需求的技术解决方案㊂图4 激发剂组合对碱矿渣砂浆抗压强度的影响:(a)1d,(b)28dFig.4 Influence of activator proportions on compressive strength of AASmortar:(a)1d,(b)28d3 复合激发剂对碱矿渣胶结材水化进程及产物的影响 为分析复合激发剂各组分比例对AAS水化进程及水化产物的影响,进行了如下工作:按AAS砂浆的1d强度,将19组配比划分为0~10MPa㊁10~20MPa和20~30MPa三个等级,并选择其中五组配比(WG含量为4%Na2O,WG含量为2.5%Na2O㊁NC含量为1.5%Na2O,WG含量为1%Na2O㊁CH含量为3%Na2O,WG含量为2.5%Na2O㊁NH含量为1.5%Na2O,WG含量为1%Na2O㊁NH含量为3%Na2O,分别记为4WG㊁2.5WG/1.5NC㊁2.5WG/1.5NH㊁1WG/3CH㊁1WG/3NH)进行水化速率和水化产物的比较研究㊂3.1 复合激发剂对AAS水化放热行为的影响图5为五种复合激发剂条件下AAS的水化放热速率和放热量曲线㊂由图5可知,AAS在水化过程中出现了两个放热峰:第一个是由矿渣颗粒润湿和溶解而引起的放热峰(30min以内),第二个是由矿渣水化生成C⁃S⁃H而引起的放热峰㊂在1d抗压强度为0~10MPa的激发剂组合中,选择4WG(WG含量为4%Na2O)和2.5WG/1.5NC(WG含量为2.5%Na2O,NC含量为1.5%Na2O)进行比较㊂由图5可知,4WG激发矿渣的第二放热峰出现在水化27h左右,1d和3d水化放热量分别为40.8J/g和136.7J/g㊂相较于Fernández⁃Jiménez等[26]的研究结果,4WG激发AAS的第二放热峰出现时间略晚,放热量较低,这可能是所用矿渣MgO含量和细度略低导致[35]㊂2.5WG/1.5NC组合激发矿渣的第二放热峰推迟至32h左右,且峰值相比4WG略有降低,1d和3d水化放热量分别降低了40%㊁13%㊂这说明复合激发剂体系中引入CO32-会显著降低AAS的1d水化速率,其原因是引入的CO32-降低了AAS体系的pH值,从而降低了矿渣的溶解速率,使得AAS水化产物的生成速率减缓[21,26]㊂另外,两种激发剂组合的第二水化放热峰均出现在24h之后,这与其激发AAS的1d强度发展缓慢一致㊂在1d抗压强度为10~20MPa的激发剂组合中,选择1WG/3CH(WG含量为1%Na2O,CH含量为3%Na2O)和2.5WG/1.5NH(WG含量为2.5%Na2O,NH含量为1.5%Na2O)进行比较㊂与用4WG激发相比,1WG/3CH组合激发矿渣的第二放热峰提前至水化3h,且1d水化放热量增加了39%㊂这主要是由于WG和CH之间的交互作用加快了AAS体系的水化反应[5,30],但受CH溶解度限制,其峰值并不高;1d以后,WG与CH基本反应完全,AAS的水化速率明显减缓,3d放热量仅为4WG激发AAS的50%,这与1WG/3CH激发AAS砂浆3d后抗压强度发展缓慢一致㊂当改用1.5%NH替代4WG组中等碱当量水玻璃激发矿渣时,相比4WG激发,第二放热峰提前至水化22h且峰值增大,1d水化放热量增加了57%,3d放热量相近㊂这是因为OH-的加入增大了AAS体系的pH值,加速了矿渣玻璃体结构的解离,加快了AAS体系的水化速率㊂另外,相关研究表明[26],当用1.6%NH替代4WG中等碱当量水玻璃激发矿渣时,第二放热峰出现的时间几乎不变,但峰值降低,这可能是由于矿渣中MgO和Al2O3的含量存在差异,从而导致两种AAS体系对NaOH的敏感性不同[33,36]㊂在1d抗压强度为20~30MPa的激发剂组合中,选择1WG/3NH(WG含量为1%Na2O,NH含量为3%Na2O)进行比较㊂与用4WG激发相比,1WG/3NH组合激发矿渣的第二放热峰提前至水化6.5h且峰值高度明显增大,1d和3d水化放热量分别增加218%和19%㊂与此不同的是,Fernández⁃Jiménez等[26]的研究结果表明,用3.2%NH替代4WG中等碱当量水玻璃激发矿渣时,第二放热峰出现的时间延长且峰8232材料导报(B),2019,33(7):2326⁃2330值降低㊂这可能是由于矿渣的化学组成不同,对NaOH 的敏感程度也不同㊂当用1WG /3NH 组合激发矿渣时,1d 强度较4WG 组显著增强,3d 强度接近,由此可知:AAS 水化进程与WG 和NH 的比例有关㊂如图5所示,1WG /3NH 激发AAS 的水化放热峰附近有一个 附加峰”,而2.5WG /1.5NH 激发的矿渣并没有出现 附加峰”,由此推断附加峰是从矿渣颗粒溶解出的Ca 2+与溶液中的SiO 42-发生反应所引起[37],这也使得1WG /3NH 组合激发AAS 砂浆的1d 强度显著高于2.5WG /1.5NH图5 复合激发剂对AAS 水化放热过程的影响:(a)水化速率,(b)放热总量Fig.5 Effect of activator proportions on the hydration process of AAS:(a)hydration rate,(b)hydration heat3.2 复合激发剂对AAS 水化产物类型的影响图6显示了复合激发剂条件下AAS 水化28d 的XRD 测试结果㊂结果显示,4WG(WG 含量为4%Na 2O)激发AAS 体系28d 的水化产物主要为C⁃S⁃H 凝胶和水滑石相[6]㊂当用1.5%NC 替代4WG 组中等碱当量的水玻璃时,在所得水化产物中还发现了方解石,这与Yuan 等的研究结果一致[18];不同的是,在图6中并未发现单斜钙钠石的衍射峰[21],这可能与碳酸钠掺量较低有关[18]㊂当用3%CH 替代4WG 组中等碱当量的水玻璃时,AAS 体系28d 水化产物与用4WG 激发时一致,而Yang 等[24]与之前的研究[30]在水化产物中还发现了一定量的水化铝酸二钙(C 2ASH 8)和水化铝酸四钙(C 4AH 13),但在图6中并未发现二者的衍射峰,这可能是由于水玻璃掺量较低,导致这两种水化产物的生成量较少㊂此外,当用1WG /3CH(WG 含量为1%Na 2O,CH 含量为3%Na 2O)激发矿渣时,AAS 体系28d 水化产物中还存在大量未反应的Ca(OH)2晶体,这说明在水玻璃完全消耗后,CH 的低溶解度使AAS 的水化速率减慢,导致其后期强度发展缓慢,与上述AAS 水化放热速率数据相一致㊂当用1.5%和3%NH 替代4WG 组中等碱当量水玻璃激发矿渣时,水化产物种类与4WG 激发时相同㊂由此可见,除在激发剂中引入CO 32-会生成一定量的方解石外,复合激发剂条件下AAS 体系的28d水化产物主要还是C⁃S⁃H 凝胶和水滑石相㊂图6 复合激发剂激发矿渣水化28d 的XRD 图Fig.6 XRD patterns of slag activated by 5activator proportions at the age of 28d3.3 复合激发剂对AAS 水化产物生成量的影响图7对比分析了复合激发剂条件下AAS 水化3d 和28d 的热重结果㊂由图7可知,4WG(WG 含量为4%Na 2O)激发AAS 水化3d 和28d 的质量损失分别为7.041%㊁7.972%(50~200℃),与文献[6]报道的AAS 净浆的28d 质量损失数据相近㊂2.5WG /1.5NC (WG 含量为2.5%Na 2O,NC 含量为1.5%Na 2O)激发AAS 水化3d 和28d 的质量损失分别降低至5.953%㊁7.857%㊂然而,两组复合激发剂所得AAS 砂浆的3d 和28d 抗压强度数据相近,这可能是因为抗压强度与图7 复合激发剂激发矿渣的热重曲线:(a)3d,(b)28dFig.7 Thermogravimetric analyses of AAS activated by activator mix propor⁃tions:(a)3d,(b)28d9232复合激发剂对碱矿渣胶结材水化进程及早期性能的影响/杨 凯等AAS水化产物的分布及孔结构相关[6]㊂当用1WG/3CH(WG 含量为1%Na2O,CH含量为3%Na2O)激发AAS时,3d和28d质量损失仅为3.328%㊁3.446%,这说明3%CH替代4WG组中等碱当量水玻璃激发矿渣时,3d水化产物中C⁃S⁃H凝胶数量十分有限,这也是导致其后期强度发展缓慢的主要原因㊂当用2.5WG/1.5NH(WG含量为2.5%Na2O,NH含量为1.5%Na2O)和1WG/3NH(WG含量为1%Na2O,NH含量为3%Na2O)两种激发剂组合激发矿渣时,所得AAS体系3d质量损失分别为7.160%㊁7.308%,28d质量损失为7.250%㊁7.762%,这说明:NaOH的加入加速了AAS前3d 的水化进程,但同时减缓了28d的水化进程㊂整体来说,激发剂中引入CH和NC会降低3d后AAS的水化进程,且CH 的作用更显著;加入NH会提高前3d AAS的水化程度,降低28d的水化程度,具体影响还与NH掺量有关㊂4 结论(1)在碱当量与水胶比一定的条件下,水玻璃对AAS体系的激发作用在3d后较明显;氢氧化钠对AAS体系的激发作用在3d内较显著,后期相对稳定;碳酸钠对AAS体系的激发作用在7d内较弱,7d后与氢氧化钠相似;氢氧化钙对AAS体系的激发作用在28d内变化不大㊂不同激发剂间的交互作用对AAS体系3d内抗压强度发展的影响较大㊂(2)相比水玻璃激发的AAS体系,在利用复合激发剂激发矿渣时,加入1.5%碳酸钠会降低AAS体系的pH值,从而降低矿渣溶解速率㊁减缓AAS水化进程;加入1.5%和3%氢氧化钠能提高AAS体系的pH值,从而加速矿渣的解离㊁加快AAS体系3d以内的水化进程,但28d的水化程度有所降低;加入3%氢氧化钙会与WG发生反应或有成核作用,从而加速AAS体系1d水化进程,但因其溶解度低,3d后的水化进程显著减慢㊂(3)在碱当量和水胶比一定的条件下,复合激发剂能在100~130mm范围内调节AAS砂浆的初始流动度㊂通过ANOVA回归方程可计算出满足抗压强度要求的激发剂组合,根据所需强度发展趋势进行激发剂种类选择,这有助于实现对碱矿渣胶结材水化进程的调节与控制㊂参考文献1 Provis J L,Palomo A,Shi C.Cement&Concrete Research,2015,78, 110.2 Luukkonen T,Abdollahnejad Z,Yliniemi J,et al.Cement&Concrete Research,2018,103,21.3 Aydin S,Baradan posites Part B:Engineering,2014,57,166. 4 Kovtun M,Kearsley E P,Shekhovtsova J.Cement and Concrete Re⁃search,2015,72,1.5 Jeong Y,Oh J E,Jun Y,et al.Cement and Concrete Composites,2016, 65,1.6 Haha M B,Le Saout G,Winnefeld F,et al.Cement and Concrete Re⁃search,2011,41(3),301.7 Qing⁃Hua C,Sarkar S 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Chongqing University and his research in⁃terests are alkaline cementitious materials,solid wasteresidue disposal and utilization and building energy con⁃servation.杨长辉,重庆大学教授㊂1998年1月毕业于重庆建筑大学,获工程博士学位㊂主要从事碱性胶凝材料及其混凝土㊁固体废渣处置和利用及建筑节能等方面的研究㊂0332材料导报(B),2019,33(7):2326⁃2330。
