文摘

这个调查旨在提高伟大的早期地质聚合物砂浆的优点在不同参数与各种粘合剂比例减少水泥生产过程自OPC的使用导致高排放的CO₂。因此,为了解决这个问题,使用替代材料。在这个研究中,偏高岭土(可)和磨细高炉矿渣(GGBFS)废料利用与氢氧化钠和碱性催化剂混合硅酸钠(氢氧化钠和Na₂SiO₃)。各种混合物的性能评估是通过基于英国标准抗压强度测试。抗压强度被发现高度受到摩尔比例和水量的影响。最优强度为77.8 MPa GGBFS 95% + 5%的混合料配合比设计可与2.5质量Na之间的比例₂SiO₃和氢氧化钠(12摩尔),加上0.2水灰比例。

1。介绍

因其良好的强度和耐久性,混凝土似乎是最广泛使用的材料建造,预计目前1 m的用法³每人每年(1]。混凝土的生产主要是水泥、碎石、沙子和水,已用于隧道建设、摩天大楼、机场、住宅和其他建筑。然而,有几个挑战与普通硅酸盐水泥的使用(OPC),包括耐久性问题,包括具体解体时受到咄咄逼人的物质,如酸,硫酸盐和氯化物2- - - - - -4]。此外,周围的环境问题是由释放5 - 7%的全球有限公司₂排放在OPC的制造过程和使用5%的自然资源由于水泥在建筑的广泛使用5- - - - - -9]。很高比例的有限公司₂OPC生产过程中排放与石灰石煅烧过程被认为是一个主要的水泥配料(10]。热能的消耗导致温度大于1400°C在生产过程中原材料的窑已经导致了高版本的有限公司₂(11- - - - - -15]。

地质聚合物水泥已经使用在过去的十年中水泥作为一种替代解决方案,因为它提供了一个合适的用于工业废物转换成胶结产品通过阳城过程(16]。地质聚合物技术在建筑的使用大大减少了水泥消费,减少80%的碳污染,因此减少了水泥工业对环境的影响。同时,解决问题起源于工业原料的处理加工改造地质聚合物生产(17),地质聚合物水泥改善结构性能,提高耐用性和抗压强度,提高抗酸,升高温度养护条件下和结构性能。粘结剂成分的种类和数量,使用碱性催化剂使用,养护条件影响和管理这些品质17]。地质聚合物是无机硅酸铝材料,形成三维聚合物链使用碱性催化剂解决方案(18]。GGBFS,细粒度的副产品、非金属和铁的玻璃生产行业,是一种最常使用硅酸铝成分制备地质聚合物的水泥。氧化铝、硅酸盐和钙,以及其他基地,占据了绝大多数的(19,20.]。

偏高岭土(可)是一种无定形硅酸铝粘土所形成的热煅烧高岭石粘土在500 - 800摄氏度脱羟基过程(21]:

高岭土似乎是一个很好,白色的粘土矿物,常用于瓷生产(22]。这些基本类型和化学成分的矿物质极大地依赖他们的来源。除了其他元素如碱性催化剂和养护条件下,这种变化有重大影响的速度力量开发和地质聚合物水泥的化学过程23]。结果,生成的产品精确的品质一致,地质聚合物的制造过程需要更高层次的质量控制比传统的硅酸盐水泥(24]。一旦完全取代硅酸盐水泥碱激活水泥,伯纳尔和保留25)和Juenger et al。26)发现GGBFS-based地质聚合物混凝土具有很强的机械性能和低环境影响产生持久的混凝土。尽管如此,alkali-activated GGBFS-based地质聚合物集快速,可怜的和易性显著的微裂隙,风化干燥收缩、干燥收缩(27,28),和耐低碳化29日]。可采用早期地质聚合物改善与碱性催化剂由于其强大的反应性和纯硅酸铝量艾滋病创造更大程度的geopolymerisation以来高非晶相数量和细粒度(24]。一旦加热,geopolymer-based可造成更多比粉煤灰地质聚合物矩阵退化。损失的主要来源被发现的著名的中孔geopolymer-based可矩阵,防止水分加热后逃离。虽然在粉煤灰的情况,地质聚合物矩阵有大量的微孔隙,使水分逃脱一旦加热,导致小退化地质聚合物矩阵(30.,31日]。全美浮尘地质聚合物,相反,揭示了养护条件的问题。建立结构完整性和增加强度,高温固化过程是必需的(32]。

由于整个介绍性的部分呈现的事实,一些研究人员已经研究小说的配方混合粘结剂由两种不同材料制成为了克服上述的缺点这样的绑定(33- - - - - -35]。创建了新的绑定的混合铝硅酸盐渣粘合剂的元素,包括可和粉煤灰(FA)。粘结剂相比,只有铝矽酸盐前体激活,激活这两个材料导致增强的几个特征;此外,这种混合绑定推进一个原始组织的共存Ca-rich Na-rich反应产品(25]。一旦与绑定由原材料,包括geopolymer-based-MK、层状结构组成,并与硅酸铝混合GGBFS碱度的情况下导致了更大的物质溶解的硅质结构,从而提高系统的耐用性和稳定性(24]。

GGBFS力学性能的研究,可发现地质聚合物砂浆的混合GGBFS 20%和80%可给最高抗压强度(36),氢氧化钠量的差异影响了合成抗压强度与GGBFS数量;已经检测到氢氧化钠数量从2.0增加到1.2减少抗压强度,除非更多GGBFS金额添加到混合物中。而伯纳尔(25)发现,增加可导致抗压强度大幅增加。Burciaga-Diaz et al。37]GGBFS检测到抗压强度,可增加地质聚合物贴GGBFS数量高达100%,高饶和拉贾(38)发现同样的GGBFS和可地质聚合物混凝土。获得的最大抗压强度也可0% + 100% GGBFS 52.0 N /毫米²。然而,研究只关注氢氧化钠的摩尔比例较低的影响,但是他们没有调查结果在一个高强度的摩尔比例如12米。

因此,本研究旨在确定物质的量浓度的氢氧化钠对强度的影响在低和高碱度。它还集中在重要的角色,水在解散geopolymerisation过程的阶段,因此,抗压强度。工作着手调查各种水大量添加各种粘结剂比例混合。目的研究还发现组合的影响因素(摩尔比例、水量和粘结剂比例)的优化组合设计的混合比例。本研究着重于寻找多远可以通过研究地质聚合物取代水泥抗压强度,设置时间,组织生产的样品。

2。研究方法

2.1。材料和混合成分

商业、GGBFS粉在英国获得汉森水泥有限公司1月11日,2017年,同时可获得粉末从巴斯夫化学公司,加拿大。GGBFS和可在化学分析证明表1被利用为主要原材料。可主要由二氧化硅41.193%和41.720%氧化铝曹只有0.166%,尽管GGBFS主要由钙氧化物的比率为38.744%,只有4.673%的铝硅量的36.467%。原材料粉末x射线衍射模式表明,可和GGBFS都是无定形的,只有一个明显的峰值半晶状的石英(问)被发现在25°(2θ)在可,而石膏(G)和酸橙(曹)28°左右(2θ)被发现在GGBFS,如图1。另外,SEM分析原材料(图2)说明GGBFS主要包括角粒子,而可似乎有板状颗粒形状;此外,可粒子似乎有很大的表面积与体积小,增加了水需求和反应性GGBFS相比。

使地质聚合物mortar-based渣/偏高岭土,GGBFS被选为主要粘结剂(b)在本研究中,它已经被可部分取代,如表示2。参考混合物(C指的是参考样品用水泥,而CS是指参照样本与水泥和强塑剂)对地质聚合物砂浆的比较是用普通硅酸盐杰姆II(32级)。的制备砂浆混合,自然干砂与特定的重力= 2.62毫克/米³和一个粒子大小= 0/2 FP洗抹沙Gf85 [39被利用为细骨料。作为碱性溶液(Al),结合硅酸钠(SS)和氢氧化钠(SH)已经被用来制备地质聚合物的标本。硅酸钠溶液的摩尔比率的SiO₂:Na₂O 2: 1、60%的含水量,比重为1.5。创建了氢氧化钠颗粒(98%清净)溶解在水( )在两个不同的摩尔量,12米和0.3米,被选中后进行许多试验获得最佳摩尔量(12%的解决方案)浓度的影响在不同的物质的量浓度和百分比的抗压强度。蒸馏水是添加到所有的混合物,和继续和易性、强塑剂(年代选择混合物)一直在利用1%,如表示2。

2.2。标本合成和实验过程

2.2.1。碱性催化剂的制备方案

硅酸钠和氢氧化钠碱性的解决方案。氢氧化钠是最初由溶解氢氧化钠颗粒在蒸馏水和让它冷却24小时在临时房间。测试解决方案摩尔比率在抗压强度的影响,氢氧化钠溶液已经产生在两个数量:12摩尔溶液和12%(0.3摩尔)。12摩尔的解决方案,480年通用汽车的氢氧化钠固体颗粒(12×40 = 480)溶解在1升的纯净水(40是氢氧化钠分子量)。已经取得了12%的氢氧化钠溶液溶解12通用的氢氧化钠颗粒升水。硅酸钠已经应用在两个不同的比例。首先,它已经应用于质量比例为2.5(硅酸钠质量氢氧化钠的质量),然后添加2.0质量比。之后,水已经插入到碱性催化剂的解决方案在两个不同的数量表2,混合物被允许坐几分钟之前被用于地质聚合物混合物。

2.2.2。混合比例的标本

原材料混合在特定质量的比例GGBFS / (GGBFS +可)使立方灰浆样品如表所示2,所有的混合物是用粘合剂总额的775公斤/米³。干砂的质量比例添加1.5砂粘结剂(GGBFS +可),而在大规模活化剂的加入比例的0.4催化剂/粘结剂的水灰比是0.4,然后下降到0.2的1%强塑剂,如表所示2。

2.2.3。混合和铸造过程

碱催化剂是首先准备几分钟前,混合在一起。插入之后,自由水混合。GGBFS和可首先分别加权,然后混合在一起大约2分钟。碱催化剂溶液被添加到混合的混合物GGBFS和可混合2 - 3分钟。接下来,干细骨料应用于以前的组合和混合好另一个120秒。最终,样本已涌入PVC立方模具的尺寸4×4×4厘米,发现在一个临时(27±2°C和0% RH) 24小时,然后在不同温度条件下脱模和治愈的。硬地质聚合物砂浆:混凝土的平均强度的三个4厘米侧数据集已经在实验室评估利用万能试验机(UTM)符合BS EN 196 - 1 200540在加载速率为0.40 MPa /秒。地质聚合物分析分析:可和GGBFS微观结构研究了地质聚合物组合使用扫描电子显微镜(SEM)。确保标本似乎完全脱离水,小块已经敲定的粘贴在40摄氏度的核心和干四个小时。OPC的基本化学分析、可和GGBFS,和XRD GGBFS和可形式,已经决定使用粉末x射线荧光和x射线衍射考试。

3所示。结果与讨论

在这部分的研究中,我们提出,通过表,前面颗粒状样品的抗压强度结果为每个表3,我们使用矿渣微粉和可作为水泥的替代材料,增加他们的解决方案的氢氧化钠和硫酸钠为了激活它们之间的反应。同时,测试两个样品进行水泥作为粘结剂,以与前面的样品。因此,结果显示如下。

表3显示了7天之后的抗压强度得到不同的混合设计。

在表4,群众已95年混合料配合比设计的GMS,因为它是最优混合设计,给出了其他混合中抗压强度最高。,如表所示4,质量与少量可以改变地质聚合物的抗压强度。

3.1。氢氧化钠的摩尔比例的影响

氢氧化钠浓度从12%增加到12 M增强地质聚合物的抗压强度(图3)。7养护天的抗压强度显著增加从30 MPa为100 g混合56.6 MPa 100通用混合和23.8 MPa 90克90年通用混合,混合到32.7 MPa都大于31.8 MPa的混合C(表3)。

氢氧化钠的大量碱性的解决方案促进二氧化硅和氧化铝粒子溶解,促进CSH和地质聚合物凝胶的发展,增强了抗压强度。一旦钙含量较低,在80 - 50 GGBFS百分比,羟基离子的含量上升,防止Ca^{2 +}解散。因此,溶解铝和硅酸盐粒子形成地质聚合物凝胶,抑制CSH生产,导致可怜的抗压强度。然而,一旦足够的钙浓度,为100%,90年GGBFS,可能有足够的溶解Ca^{2 +}生产CSH和地质聚合物凝胶,从而导致增加优势。一旦氢氧化钠含量低(12%)、羟基离子生成少,造成更多溶解Ca^{2 +}和更少的溶解铝和硅酸盐粒子由于低碱性环境,引入更多的CSH凝胶和更少的地质聚合物凝胶,导致可怜的抗压强度(36,41]。此外,随着硅酸铝的含量上升,潜在的Si-O-Si和Si-O-Al键增加,因此,高碱含量的解决方案的必要性增强Si-O-Al解散,因此Si-O-Si债券和胶结的沉淀反应(42]。要求催化剂在低浓度可显著降低GGBFS百分比(90 - 100)。

此外,抗压强度是逐渐攀升,从35.3 MPa GGBFS 50%的最优级44.0 MPa GGBFS 100%,利用8 M氢氧化钠溶液在环境养护温度(38]。尽管没有大幅增加抗压强度GGBFS图50 - 80%之间3,有相当大的上涨一旦GGBFS增加到100%和90。

3.2。低水量的影响

图4显示低含水量的影响为1%强塑剂地质聚合物砂浆抗压强度的数据集。

抗压强度增强了水的量减半(0.2水灰比)。它提升了力量的标本100 gs = 64.3 MPa和90 g = 55.9 MPa,这是两倍的力量标本100 g和90 g(表3),而这增加了强度从3.97 MPa在80克到49.60 MPa在80 Gs造型有足够的可加工性,高于控制c减少水混合系统中辅助减少毛孔和空洞会导致更高的密度结构(表5)。引入强塑剂帮助为反应提供足够的可加工性和分散粒子的释放裹入水分离集聚通过类似指控的排斥(42]。然而,提高可达30%以上(GGBFS或少70%)降低强度大小即使降低水量,SP应用1%。它已经发现,可30%,混合物变得极端干旱尽管强塑剂。这是由于可表面积的增加,这需要一个更大的水量,以保持足够的水量和可加工性的溶解过程。

图5展示了四个标本与各种GGBFS数量和恒定的水混合粘结剂比例为0.2。作为样品给了各种颜色的区域,如图5,深色部分与反应区域,而浅色部分与未反应的材料。图5(一个)表明,70% GGBFS标本,有浅色部分表明未反应的区域。样品失败似乎脆弱与那些大GGBFS水平,这是由于缺乏必要的水溶解硅酸铝由于更高的可组合的内容。由于大量的开孔,它创建了一个低密度地质聚合物。此外,由于可拥有属性与粘土,它扩展和合同一旦接触到水。因此,标本包含一个高级的可有更开放的毛孔43]。

相比之下,反应过程改进,形成更黑暗的地区样本可较低和较高GGBFS,显然在GGBFS 80%(图所示5 (b)),它完全变成了暗GGBFS数量(图90和100%5 (c)和5 (d))。尽管几个样本缺乏一致性在黑暗的区域分布,可以看出样本中心的80%,利润率90%的标本。这表明geopolymerisation过程不均匀,如图所示,数据集的质量相同的混合物已发现几乎相似,尽管每个立方体抗压强度明显不同(表4)。

3.3。低水量的影响,摩尔比例高

如图6,共同影响,12 M和0.2水量superplasticiser导致抗压强度相当大的改善。GGBFS数量100,95,90,80,85,和75%的立方体抗压强度低水量和高摩尔比例级扩散到67 MPa。的总体影响12 M氢氧化钠溶液和水的数量增加了地质聚合物的抗压强度和增加了一倍,尤其是GGBFS和可混合混合,确认可优先溶解在高碱性的解决方案(25]。由于明显的高质量可有巨大的表面积和结果在一个干混法由于高水位要求,抗压强度不能评估GGBFS水平低于75%。这导致不足和易性倒模和紧凑的混合物。

两大氢氧化钠的摩尔百分比的影响解决方案和少量的水geopolymerisation处理的抗压强度和反应产品如图7。增加的摩尔比例从0.3米到12米的深灰色的补丁导致生产立方标本(如图7(一)和7 (b)),这也导致抗压强度显著增加,特别是在高GGBFS水平(表3)。减少水的数量一半的原始价值,相反,导致显著更大的抗压强度,所看到的更大的黑暗区域图7 (c)。尽管如此,整个标本深色斑块的分布是不均匀的,指示一个非均匀的反应过程。曾经的影响低水量和高摩尔比例结合,标本完全改变了颜色深灰色的颜色(图7 (d)),抗压强度增加到更高水平(表3)。因此,深灰色的点代表geopolymerisation过程的反应产物,造成较高的抗压强度。

3.4。对比优化和OPC控制混合

在两个OPC引用混合物相比,图8描述了进化的优化设计比例。95 GMS混合设计生产更多的力量相比,两个OPC混合物。它拥有77.8 MPa养护7天的抗压强度,附近徘徊,直到21天;然后,强度略有提高达到82.7 MPa在28天,而且持续增加直到达到97.3 MPa 60养护天。OPC混合物试样0.2(水/水泥比例)显示一个小从8.4增加到11.5 MPa 7至14天。之后,它相对稳定的力量在12 MPa在28天,攀升至15.9 MPa在60天。同时,OPC与0.4 w / c混合比例提供更高的强度,达到31.8 MPa在7天,而在14天的力量26 MPa自测试的数据集在14天不是来自同一批次的七天的混合(相同的混合设计各种铸造日期);因此,进步力量并不像预期的那样。随后,有一个逐渐增加在28天强度达到38.4 MPa。

3.5。扫描电镜分析

数据9- - - - - -11说明这三个不同的微观结构分析混合固化7点天,包括最优(取决于抗压强度)。主要由GGBFS /可粘结剂与碱反应激活导致的CH晶体和C-S-H凝胶,如这些图片所示。85 GMS标本显微组织明显(图中所示11)N-A-S-H凝胶中标识(44]。尽管如此,一些未反应的可粒子和不完全反应区域的标本中发现了产生凝胶,揭示了非均匀分布(图反应过程11)解释方差大的顺向抗压强度相同的混合物(如观察表4)。

基于缺乏可用的技术人员做测试的那一天,SEM分析在接下来的28天不能获得;结果,这是推迟到下一个可用的天,治疗后,治愈35天。图12表明,治愈35天后,更多的碳氢键晶体出现在组织内部,而在高可量,更多的C-S-H凝胶和铝硅酸钠水合凝胶(N-A-S-H)创建(数字13和14)。因为可似乎是主要的硅酸盐和铝源,浓度增加可增加更多N-A-S-H凝胶形成的可能性而不是CH 90 GMS和85 GMS标本。碳氢键,以及C-S-H,可水平较低的初级产品(GGBFS 95%)。SEM照片,微裂隙结构表面的标本。锤的外力应用创建适合测试和一小部分自由的水被蒸发掉的标本时干样品在40摄氏度的炉,然后把显微镜列真空,导致大量的收缩,因此微裂缝,都被他们的存在的理由。此外,使用低水灰比的混合似乎是罪魁祸首。

4所示。结论

在这个研究中,不同混合设计的矿渣微粉和可准备寻求与OPC的抗压强度对比样本以及最优混合设计的抗压强度。研究结果如下:(我)优化的铝硅酸盐溶解物种导致产生了地质聚合物,氢氧化钠的摩尔分数高的立方体抗压强度增加。(2)另外,使用superplasticiser减少水的数量在解决方案导致密度结构通过消除剩余的水所产生的缝隙和孔洞,从而增加机械品质。(3)由于合并后的影响低水量和高摩尔比例较低的固化温度,最佳的混合物(可GGBFS 95% + 5%)已经实现。(iv)alkali-activated渣/可地质聚合物固体微观结构与没有洞或蛀牙但有些微裂隙,根据扫描电镜检查。(v)C-S-H凝胶和CH晶体似乎突出结构固化7天后,而(N-A-S-H)凝胶的微观结构中找到更大的可量(85 GMS),以及一些未反应的可粒子和不完全反应区域。(vi)更多的碳氢键晶体生长组织35岁内养护的日子,和更多的水分(N-A-S-H)凝胶和C-S-H凝胶创建了大可水平(85年90 GMS和GMS)。(七)因为可主要硅酸盐和铝源,浓度增加可增加更多N-A-S-H凝胶形成的可能性而不是碳氢键90 GMS和85 GMS标本。碳氢键,以及C-S-H,主导产品以较低的可量(95 GMS)。

数据可用性

大多数数据集生成和/或分析在这项研究中都包含在这篇文章。从获得的其他数据集可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持Al-Mustaqbal大学(格兰特号:muc - e - 0122)。自我描述杜莱米和Hassnen M先生您先生于jaf欣然承认对他们的帮助提供原材料。本研究是在利物浦约翰摩尔大学的实验室进行技术人员的帮助。