纳米氧化锌对碱激发粉煤灰/矿渣收缩性能的影响

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碱激发材料是目前最具发展潜力的绿色胶凝材料,具有早期强度高、耐高温、耐化学腐蚀、水化热低、二氧化碳排放量低、抗渗抗冻性良好等诸多优点,但是碱激发材料的自收缩和干燥收缩较大,较大的收缩会导致其更容易产生裂纹和结构受力缺陷等问题,进一步使碱激发材料耐久性急剧降低。目前,减缩剂、膨胀剂、纤维、轻质骨料等材料已经被大量研究用于改善碱激发材料的早期收缩。与以上材料相比,纳米材料具有比表面积大、吸附性能好、配位键强、易在碱性溶液中分散等优点。关于纳米二氧化硅、纳米氧化镁、纳米粘土、纳米二氧化钛和碳纳米管对碱激发材料的影响已经有相关研究。但具有高热容量、低热膨胀率和高熔化温度的纳米氧化锌对碱激发材料收缩性能、早期反应进程、力学性能、内部结构的影响还不清楚。本文采用粉煤灰和矿渣作为主要原材料制备碱激发粉煤灰/矿渣净浆,采用纳米氧化锌研究其对碱激发粉煤灰/矿渣浆体自收缩、干燥收缩的变化规律,通过早期反应放热、内部相对湿度和干燥过程中的质量损失研究纳米氧化锌对碱激发粉煤灰/矿渣浆体早期反应进程的影响。用X射线衍射仪、红外光谱仪、热重分析仪和扫描电镜对反应产物的组成等进行表征,研究纳米氧化锌对碱激发粉煤灰/矿渣体系的作用机理。最后,研究了纳米氧化锌对碱激发材料的抗压强度、抗折强度、凝结时间和孔结构的影响。研究结果表明:纳米氧化锌会延缓碱激发粉煤灰/矿渣复合体系的反应速率,阻碍了化学收缩的发展和孔隙结构的细化。添加纳米氧化锌有效抑制碱激发粉煤灰/矿渣复合浆体的自收缩,当纳米氧化锌的掺量由0%增加到3%时,碱激发粉煤灰/矿渣浆体的自收缩逐渐减少。粒径更小的纳米氧化锌颗粒能更好的分散和填充于更小的孔洞中,使凝胶变得更密实,从而降低自收缩率,另外纳米氧化锌的掺量由0%增加到3%时内部相对湿度增高,纳米氧化锌的加入可以降低体系由自干燥引起较大的孔隙压力,从而减少自收缩的产生。干燥收缩的大小与干燥过程中样品的质量损失成正相关,纳米氧化锌含量越高,碱激发材料的干燥收缩和质量损失越小,表明纳米氧化锌加入会减少自由水蒸发,减少碱激发浆体的干燥收缩。在反应5 h时观察到掺入纳米氧化锌后,锌离子与矿渣中溶解的钙离子反应形成中间相CZ(Ca(Zn(OH)3)2·2H2O),随着钙离子继续被优先反应生成CZ相,孔溶液中的钙浓度没有达到水化硅铝酸钙(C-A-S-H)凝胶的成核和生长的临界极限,延缓了C-A-S-H凝胶的形成。因此纳米氧化锌的加入阻碍了碱激发矿渣/粉煤灰浆体的化学收缩的发展和孔结构的细化,浆体的自干燥过程和孔隙压力增加得到缓解了,从而降低自收缩率。与未添加纳米氧化锌的对照组相比,添加了1%和2%纳米氧化锌的碱激发浆体的氮气吸附量减少,表明纳米氧化锌的加入减少碱激发矿渣/粉煤灰浆体的孔隙率,孔结构更加致密。但添加3%纳米氧化锌的碱激发浆体样品的氮气吸附量最大,孔结构不致密,与添加明添加3%纳米氧化锌可以抑制激发粉煤灰和矿渣复合浆体强度结果相符。当粉煤灰的掺量一定,氧化钠含量从4%增大到6%时,碱激发浆体的抗压强度逐渐增大。碱激发浆体的抗折强度显示出与抗压强度相似的趋势。随着纳米氧化锌含量的增多,碱激发胶凝体系的凝结时间逐渐增加。
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