碱激发胶凝材料中凝胶产物的特性及与其性能的关系

Alkali-activated binders are a group of materials that obtain the binding properties by the reaction of an alkali metal source with precursors. These materials are expected to provide a good mechanical strength and durability with less CO2 emission, low energy cost and the consumption of industry by-products compared with OPC. There are two types of reaction products for alkali-activated binders. One is an aluminium-substituted calcium silicate hydrates (C-A-S-H), and the other is a highly disordered aluminosilicate gel (N-A-S-H). However, the factors that influence the precipitation mechanism for gels have been not yet well understood. This project aims to make a breakthrough in understanding the characterization of different hydration-reaction products, and as well as their relationships with the properties of alkali-activated binders. The hydration mechanism, micro/nanostructure characterization, rheological behaviour, dimensional stability, some durability properties and mechanical performance for alkali-activated slag-metakaolin pastes will be investigated. The relationship between gel characterization and properties will be uncovered and the potential findings will provide fundamental experimental data and useful scientific basis for producing alkali-activated binders. It will also make it step forward to the further application of this binder in concrete and structure.

碱激发胶凝材料是通过化学激发硅铝酸盐物质而获得胶凝性质的一类材料。与传统的硅酸盐水泥相比，其制备过程具有污染小、能耗低、能有效利用工业废弃物等显著优点。碱激发胶凝材料的水化产物主要分为两类：以碱激发矿渣为代表的水化硅铝酸钙凝胶（C-A-S-H）；以碱激发偏高岭土/低钙粉煤灰为代表的水化硅铝酸盐凝胶（N-A-S-H）。但目前对于凝胶产物的形成特性与形成条件仍需要深入研究，凝胶产物特性对材料各性能的影响机制也不完全清楚。本项目旨在揭示碱激发胶凝材料中凝胶产物的特性及与其性能的关系。在不同激发剂与矿渣/偏高岭土协同效应下，通过研究碱激发胶凝材料的水化进程、水化产物微观结构以及水泥净浆的工作性、流变性能、体积稳定性和耐久性，从而阐明其水化硬化机理，明晰水化产物微观结构特征，揭示宏观性能演变规律，从而构建凝胶产物特性与宏观性能之间的关系，为碱激胶凝材料的制备与应用提供理论基础。

随着我国土木工程建设规模和需求的不断扩大，研发低碳环保的水泥基材料对实现大规模基础建设的绿色、节能和环保具有重大意义。碱激发胶凝材料因其生产过程与传统的硅酸盐水泥相比在减少 CO2 排放、有效利用工业副产品与废弃物、降低生产能耗等方面表现十分优异，是全世界研发新型绿色低碳建筑材料的热点。因此，本项目以探究碱激发胶凝材料凝胶产物特性及与其性能间的关系为目标，对胶凝材料凝结硬化过程中凝胶产物的形成与特性，微观结构特性，高温稳定性与耐久性等方面展开了实验与理论分析。本项目现已取得的重要结果如下：① 对于合成C-A-S-H 和 N-A-S-H 凝胶，随着Ca/Si增加， N-A-S-H凝胶逐渐转变成C-A-S-H凝胶，合成凝胶逐渐有序化，使体系向低聚合度结构C-A-S-H 凝胶转变。当Ca/Si＜0.6时，两种凝胶共存，Ca/Si≥0.6时，只生成C-A-S-H 凝胶；当Ca/Si＜1.4时，钙硅比升高增加了反应产物中低聚合度的结构单元及C-A-S-H凝胶的含量，同时降低了三维网络结构中高聚合度的结构单元的含量，Ca/Si≥1.4时，体系容易形成富硅凝胶。② 以柠檬酸钠与氢氧化钠溶液为复合激发剂，对高炉矿渣、矿渣-低钙粉煤灰进行了激发，结果显示柠檬酸钠延长了碱激发矿渣水泥、碱激发矿渣-粉煤灰水泥的初凝与终凝时间，大大增加了碱激发矿渣水泥的流动性，降低了新拌合浆体的粘度，28天长期强度提高约3倍，MIP孔隙率至6%。对于矿渣-粉煤灰体系，柠檬酸钠的使用可以降低NaOH使用浓度，并提高了材料的长期强度，此外，使材料在高温（800 °C）下的稳定性与力学强度得到提高；③ 与硅酸盐混凝凝土相比，碱激发矿渣混凝土的导热系数和热容分别提高30%与34%，该热性能与胶凝材料的凝胶产物C-S-H与C-A-S-H的特性有关，经过模型计算，碱激发混凝土组成的能量桩能够节省17%热能，减少32%的CO2排放。本项目揭示了碱激发胶凝材料凝胶产物的形成规律与影响因素，并研究了碱激发胶凝材料凝胶产物的特性及与其性能间的关系。同时，本项目发现，柠檬酸钠作为常用的安全、绿色的有机酸盐，可以制备高性能的碱激发胶凝材料。