MgO_硅酸钠复合对碱矿渣水化和力学特性的影响_王永辉.pdf

第 26 卷第 2 期2023 年 2 月建筑材料学报JOURNAL OF BUILDING MATERIALSVol.26，No.2Feb.，2023MgO/硅酸钠复合对碱矿渣水化和力学特性的影响王永辉1，陈佩圆1，2，*，张立恒1，谭伟博1，方嘉思1（1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 环境友好材料与职业健康研究院，安徽 芜湖 241002）摘要：为促进 MgO基单组分碱激发矿渣胶凝材料（AASM）的发展和应用，采用 MgO和硅酸钠作为激发剂，通过单独及复合激发的方式，研究了 MgO 和硅酸钠组合形式对单组分 AASM 水化微结构和力学特性的影响，并采用纳米压痕分析了其微观力学性能.结果表明：加入MgO后，会形成Mg（OH）2，可提供碱性环境，促使矿渣溶解；硅酸钠溶解后，会进一步提升溶液pH值，加速矿渣AlO、SiO键断裂以及 Ca2+等溶出，形成双重强化效应，促进矿渣水化；MgO/硅酸钠复合激发时，体系产生了相对单独激发时更丰富的水化产物；孔结构分析发现，复合激发时 AASM 具有最小的孔隙率，且有害孔隙最少；两者复合激发时会产生更多的高弹性模量水化产物，较强的微观力学性能则促使宏观力学强度的提高.关键词：复合激发；单组分；水化特性；微观结构；力学性能；纳米压痕中图分类号：TU528.01文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1007-9629.2023.02.011Effect of MgO/Sodium Silicate Composite Activator on Hydration and Mechanical Properties of Alkali-Activated Slag MaterialsWANG Yonghui1，CHEN Peiyuan1，2，*，ZHANG Liheng1，TAN Weibo1，FANG Jiasi1（1.School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China；2.Institute of Environment-Friendly Materials and Occupational Health，Anhui University of Science and Technology，Wuhu 241002，China）Abstract:To promote the development and application of MgO-based single component alkali-activated slag materials（AASM），MgO was used as activators or along with sodium silicate for elucidation of their effects on hydration microstructure and mechanical properties of single component AASM.Moreover，micro-mechanical properties were also analyzed by nanoindentation.Results show that the formation of Mg（OH）2 after MgO contacted with water provides an alkaline environment，which induces the dissolution of slag.While the dissolution of sodium silicate further elevates the solution pH value and accelerates the fracture of AlO and SiO chemical bond as well as the release of Ca2+.This forms a double strengthening effect to promote the hydration of slag.In addition，the composite activator of MgO and sodium silicate produces more abundant hydration products.Pore structure analysis reveals that AASM has the lowest porosity and the least harmful pores by using the combined MgO and sodium silicate to activate slag.More hydration products with high elastic modulus are produced in combination with MgO and sodium 文章编号：1007-9629（2023）02-0186-07收稿日期：2021-12-28；修订日期：2022-03-15基金项目：国家自然科学基金资助项目（52008003）；芜湖市科技计划项目（ALW2020YF16）；安徽省住房城乡建设科学技术计划项目（2020-YF12）；安徽省高等学校自然科学研究重大项目（KJ2020ZD33）；安徽理工大学研究生创新基金项目（2022CX1005）第一作者：王永辉（1996），男，安徽阜阳人，安徽理工大学博士生.E-mail：yhwang_通讯作者：陈佩圆（1988），男，安徽阜阳人，安徽理工大学副教授，硕士生导师，博士.E-mail：第 2期王永辉，等：MgO/硅酸钠复合对碱矿渣水化和力学特性的影响silicate，thus contributing to the increase in micro-mechanical properties.Key words:composite activate；single component；hydration characteristic；microstructure；mechanical property；nanoindentation近年来，采用 MgO 为主体激发剂制备碱-激发矿渣胶凝材料（AASM）成为 AASM 的一个重要研究方向1-2.与NaOH激发体系相比，MgO的激发机制主要是通过其水化形成 Mg（OH）2来实现的，因此MgO 可有效降低对人体产生的危害，显著提高材料的使用安全性.此外，MgO 成本较低（仅为 NaOH 材料成本的 25%左右），还可促使 AASM 生成膨胀性类水滑石，显著抑制 AASM 收缩的发生与发展3，这对于解决 AASM 危害性强、成本高及收缩大等问题具有重要的意义.然而，AASM 的水化历程依赖于 MgO的一次水化，且其所形成的 Mg（OH）2碱性弱于 NaOH，造成AASM 孔隙溶液的 pH 值较低，矿渣水化程度有限，力学强度发展缓慢.Fei等4发现，当 MgO 碱当量为10%，水胶比为 0.4时，AASM净浆的 7 d抗压强度仅为 10 MPa 左右.Dung 等5研究表明，水胶比为 0.5时，MgO 激发 AASM 标准养护 3 d后的抗压强度低于 8 MPa.为缓解 MgO基 AASM 早期力学强度较低的缺点，降低材料的操作危害性和成本，本文采用MgO 与硅酸钠组成复合激发剂，研究了复合激发对AASM 水化历程、水化产物、孔结构、微观结构特征以及微观力学性能的影响，并分析了复合激发的机理，以期为 MgO单独激发 AASM的发展和应用提供理论依据.1试验1.1原材料矿 渣 采 用 S105 级 高 炉 矿 渣，其 表 观 密 度 为2 800 kg/m3，化学组成1）见表 1，使用 Mastersize 2000激光粒度分析仪测得其粒径分布见图 1.粉末状氧化镁（MgO，分析纯，纯度98%）和硅酸钠（Na2SiO35H2O，分析纯）均购自天津市致远化学试剂有限公司.拌和水为自来水.1.2配合比设计为分析 MgO/硅酸钠复合激发剂对碱激发矿渣胶凝材料水化和力学性能的影响，使用碱当量为10%的复合激发剂制备水胶比为 0.5（水胶比中的水包括硅酸钠中的结合水）的 AASM，作为 MN 组.同时，使用碱当量为 7%的 MgO 和碱当量为 3%的硅酸钠单独激发矿渣，得到相同水胶比的 AASM，作为MG 组和 NA 组，具体配合比见表 2.试验过程中，首先将矿渣、MgO与硅酸钠等粉料混合均匀，然后加入水，搅拌3 min，制得新拌浆体.1.3测试方法抗压强度测试采用 50 mm50 mm50 mm 立方体试块，具体方法为：将新拌浆体装入模具中，经振动密实后，在（203），相对湿度RH95%条件下带模标准养护 24 h；然后将试块拆模取出，继续标准养护，使用 TYE300型压力机测试 AASM 的 3、7、28 d抗压强度，4个试块为一组，测试结果取平均值，报告标准差.采用 TAM-AIR水化量热仪测试 AASM的水化放热.测试前，将材料及量热仪在 20 环境中恒温放1）文中涉及的组成、水胶比等除特别说明外均为质量分数或质量比.表 1矿渣的化学组成Table 1Chemical composition of slagw/%CaO43.7SiO226.5Al2O318.2MgO4.9Fe2O31.0TiO21.0K2O0.8图 1矿渣的粒径分布Fig.1Particle size distribution of slag表 2AASM 的配合比Table 2Mix proportion of AASMgGroupMGNAMNMgO2.5702.57Na2SiO35H2O03.763.76Slag36.7036.7036.70Water18.3016.7016.70187建筑材料学报第 26卷置24 h，采用内搅拌法测试AASM的72 h水化热.采用日本理学 SmartLab 高分辨 X 射线衍射仪（XRD）对水化产物进行分析，扫描范围为 560，扫描速率为 5（）/min.在制备 XRD样品时，将相应龄期净浆样品浸泡在无水乙醇中 7 d以上，以终止矿渣水化；测试前，将样品真空干燥，并用玛瑙研磨过0.074 mm（200目）筛.使用 FlexSEM1000 扫描电子显微镜（SEM）分析 AASM 微观结构.样品取自对应龄期抗压测试代表性试块，浸泡在无水乙醇中 7 d 以上以终止水化；测试前进行真空干燥，对样品进行喷金处理以获得良好导电性，测试时的加速电压和光束电流分别为15 kV、1 mA.使用 MesoMR23-060V-1 纽曼核磁共振仪分析28 d 试样的孔结构，磁场为（0.500.05）T，频率为21.3 Hz.试样准备方法为：按表 2的配合比制作直径50 mm、高 50 mm 的圆柱体试样，标准养护 28 d 后，真空饱水，进行测试.1.4纳米压痕试验采用 Histron TI950 纳米压痕仪分析 AASM 微观力学性质.样品取自 28 d抗压强度试块，浸泡在无水乙醇中 7 d以上以终止矿渣水化，测试前进行真空干燥，并采用低密度环氧树脂浸制后制得试样.使用金相抛光机，依次经 240、400、600、800、1 200、1 500号砂纸进行打磨，每种细度至少打磨 15 min.然后依次用 6.00、3.00、1.00、0.05、0.25、0.05 m 金刚石悬浮液对样品表面进行抛光约 30 min，制得纳米压痕试样.测试时，压痕矩阵范围为 100 m100 m，间距为 10 m.对于每个压痕点，荷载通过多次部分卸载（10次）增加到 1 mN，最终保持 2 s，并在 5 s内线性下降到零.假设胶凝材料泊松比为 0.2，根据每个压