碱激发粉煤灰/矿渣的干燥收缩变形研究

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碱激发材料由于其优良的环境能耗效益(低CO2排放、无须煅烧生料和粉磨熟料),被认为是近年来极具发展潜力的绿色建筑材料之一。但其大规模工程应用尚处于探索阶段。限制其应用化进程的重要障碍之一是碱激发材料的干燥收缩变形大,收缩产生的裂缝会加速外界环境中各种有害介质(如氯离子、二氧化碳、酸碱离子等)的侵入,降低材料的强度和刚度,危及材料的耐久性及使用寿命。因此,如何正确认识碱激发材料的干燥收缩,提高其体积稳定性,是碱激发材料能否大规模投入工业生产和应用亟需解决的问题之一。本文以碱激发粉煤灰/矿渣复合体系为研究对象,首先针对不同原材料与配比(粉煤灰掺量0、30%、50%、70%,激发剂模数0、1、1.5、2,Na2O含量4%、5%、6%,水灰比0.35、0.4、0.45)对碱激发粉煤灰/矿渣复合体系的凝结时间和力学性能进行研究,得到一系列合适的配合比。在此基础上,研究了原材料与配合比对碱激发粉煤灰/矿渣净浆的干燥收缩及干燥过程中的质量损失的影响规律。采用等温量热仪、压汞仪、氮气吸附仪等对碱激发粉煤灰/矿渣的自由水含量、反应进程和孔结构进行研究。根据上述试验的结果,从宏观性能、反应程度、微观结构等方面探究了碱激发粉煤灰/矿渣的干燥收缩机理。研究结果表明:碱激发粉煤灰/矿渣的凝结时间随着粉煤灰掺量的增大、激发剂模数的减小、Na2O含量的减小、水灰比的增大而增大。碱激发粉煤灰/矿渣的抗压强度随着粉煤灰掺量的增大、Na2O含量的减小、水灰比的增大、激发剂模数的减小而减小。碱激发粉煤灰/矿渣的反应速率曲线和水泥的类似,存在第一放热峰和第二放热峰;其累积放热量随着粉煤灰掺量的增加、Na2O含量的减少、水灰比的增大而减小。水灰比对碱激发粉煤灰/矿渣的累计放热量的影响和对水泥体系的不同。在某一特定的反应因素发生变化时,碱激发粉煤灰/矿渣的7天抗压强度和7天累积放热量之间存在线性关系。碱激发粉煤灰/矿渣的干燥收缩随着粉煤灰掺量的增大、激发剂模数的增大、水灰比的增大而增大。当激发剂模数不为0且恒定时,增加Na2O含量会使碱激发粉煤灰/矿渣的干燥收缩增大;当激发剂模数为0(SiO2含量为0)时,增加Na2O含量对碱激发粉煤灰/矿渣干燥收缩的大小没有影响;当SiO2含量不为0且恒定时(如SiO2含量=5.81%),增加Na2O含量会使碱激发粉煤灰/矿渣干燥收缩减小。增加粉煤灰的掺量,碱激发粉煤灰/矿渣的反应活性减小,使得自由水含量增加,化学结合水含量减小;增大激发剂模数,碱激发粉煤灰/矿渣的自由水含量和化学结合水含量均减小;增加Na2O含量,碱激发粉煤灰/矿渣的自由水含量减小,化学结合水含量增大;水灰比增大,碱激发粉煤灰/矿渣的自由水含量增大,化学结合水含量减小。通过孔结构测试发现,碱激发粉煤灰/矿渣的中孔数量随着粉煤灰掺量增大、激发剂模数增大和水灰比的增大而增大;当Na2O含量增加时,碱激发复合体系的中孔数量减小。通过统计分析发现,在本研究范围内,自由水含量、反应程度、强度发展与碱激发粉煤灰/矿渣的干燥收缩之间不存在线性关系。中孔体积和干燥过程中的质量损失是影响碱激发粉煤灰/矿渣的干燥收缩的重要因素,其中中孔体积的大小对碱激发粉煤灰/矿渣干燥收缩影响最为显著。当粉煤灰掺量、激发剂模数、水灰比发生变化时,碱激发粉煤灰/矿渣的中孔体积和干燥收缩成正相关。当Na2O含量发生变化时,碱激发粉煤灰/矿渣的中孔体积和干燥收缩成负相关。事实上,孔的形状和连通性也会影响干燥收缩的大小。在不同原材料与配合比的碱激发粉煤灰/矿渣中,中孔体积与干燥收缩之间的关系不同。其原因可能是Na2O含量的变化导致微观结构发生显著变化。当Na2O含量发生变化时,通过氮吸附测试结果发现,孔的形状和连通性可能发生显著改变。即除了中孔体积以外,孔结构的形状及连通性也会显著影响碱激发粉煤灰/矿渣的干燥收缩。
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