碱激发胶凝材料硬化体Na+分布规律及其影响研究

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碱激发胶凝材料原料来源广泛、生产能耗低,具有高早强,高耐久性等特点,在替代水泥基材料方面具有很大的发展前景。但硬化体内Na+与-等离子的析出所引起观感效果及性能下降等方面问题制约着其实际应用。本文对不同养护条件下碱激发胶凝材料硬化体的抗压强度进行测试,研究了碱激发胶凝材料的力学性能与泛碱行为,探究了Na+分布对硬化体抗压强度的影响,明确碱激发胶凝材料硬化体Na+一维方向分布规律,同时采用COMSOL Multiphysics多物理场仿真模拟软件模拟硬化体Na+的一维分布。研究表明:碱激发胶凝材料的凝结时间随着Na2O掺量的增加逐渐缩短,初终凝时间间隔逐渐减小;随着水胶比的增加凝结时间逐渐延长,初终凝时间间隔逐渐增大。流动度随着Na2O掺量的增加而减小,随着水胶比的增大而增大;流变性能随着Na2O掺量的增加而下降,屈服应力、塑性粘度与触变性逐渐增大;随着水胶比的增大而提升。毛细吸水率随着Na2O掺量与水胶比的增大而逐渐增大,初始毛细吸水期逐渐缩短;Na2O掺量为6%,水胶比为0.34时,48h毛细吸水量增加13.97%,初始毛细吸水阶段由3.54h缩短至1.22h。硬化体抗压强度随着Na2O掺量的增大而提高,早期强度增长率逐渐增大;随着水胶比的增大而降低,早期强度增长率逐渐减小。Na2O掺量为6%,水胶比为0.3时,28d抗压强度达到75.8MPa,1d、3d、7d的抗压强度分别为28d抗压强度的72.6%、91.1%、98.3%。设置密闭干燥(AD)、密闭浸水(AI)、密闭泡水(AS)三种养护条件,AD条件下抗压强度最高,AI条件次之,AS条件抗压强度最低。养护至7d时,AI与AS条件下硬化体抗压强度降低率分别为5.87%~15.70%与12.75%~22.86%,28d时AI与AS条件下抗压强度降低率分别为1.22%~7.33%与11.69%~15.63%。碱激发胶凝材料的泛碱面积随着Na2O掺量的增大而增加,Na2O掺量为4%时硬化体28d泛碱面积率为4.51%,泛碱等级为Ⅱ。泛碱冲洗液的Na+浓度为351mg/L;Na2O掺量为6%,水胶比为0.30时硬化体的28d泛碱面积率为61.87%,泛碱等级为Ⅴ,泛碱冲洗液的Na+浓度为610mg/L。泛碱面积随着水胶比的增大而减小,水胶比为0.34时硬化体28d泛碱面积率为8.09%,泛碱等级为Ⅱ,泛碱冲洗液的Na+浓度为381mg/L。XRD结果表明泛碱物质的主要成分为Na2O3。SEM-EDS、XRD、FT-IR分析表明硬化体的水化产物均含有空间网状结构的N-A-S-H凝胶、箔片状的C-S-H凝胶、钠长石、莫来石与石英等。养护条件分别为AD、AI、AS时,硬化体结合Na+含量逐渐降低,硬化体水化产物的Al/Na比逐渐增大,Si/Al比逐渐减小,N-A-S-H凝胶聚合度逐渐降低,沸石类产物逐渐减少。硬化体在AD条件下Na+浸出率最大,AI条件次之,AS条件硬化体浸出率最小。AI与AS条件下Na+浸出率的降低说明硬化体内游离Na+剩余量降低。结合Na+的减少与游离Na+的减少归因于游离Na+析出量的增大,进而导致硬化体抗压强度逐渐降低。氮吸附与压汞分析表明,养护条件分别为AD、AI、AS时,硬化体的毛细孔体积与大孔体积均逐渐增大,凝胶孔体积逐渐减少;硬化体孔隙率逐渐增大。硬化体抗压强度越大,孔隙率越小,且呈线性相关。碱激发胶凝材料硬化体一维方向的Na+传输具有内部迁移与内外析出两种机制。0-3d,Na+以内外析出为主,其Na+迁移量呈两端高、中间低的“∨”型分布;3-7d,Na+主要以内部迁移为主,其Na+迁移量呈两端低、中间高“∧”型分布;7-28d,Na+分布趋于平衡,“∧”型分布逐渐平缓。以Fick扩散定律为基础,采用COMSOL Multiphysics仿真模拟,分别建立溶质传递方程与溶剂运输方程。拟合试验得到的Na+一维分布规律。最终确定扩散系数DF,C=1×10-8m~2/,湿度水头φ=0.85,孔隙率(?)P=20%。实现了基于试验的碱激发胶凝材料硬化体Na+一维分布数学模型的模拟。
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