摘 要

传统的硅酸盐水泥生产不仅消耗大量资源和能源，而且还排放出大量二氧化碳，不符合当下绿色、低碳的生产生活理念。碱激发胶凝材料是一种低碳、环保的新型胶凝材料，具有良好的物理力学性能和耐久性。然而，过去的研究中用的激发剂大部分都为强碱，近年来，有学者使用中性碱作为激发剂。本研究将超细矿粉作为研究对象，研究不同Na₂O当量的碳酸钠和硫酸钠对不同细度矿粉的激发效果，从强度、pH、化学收缩、水化产物、水化过程等方面来比较两者之间的差异。在此基础上，设计激发剂-矿粉-粉煤灰体系；探讨粉煤灰掺量对复合体系性能的影响规律；同时借助多种现代化测试手段来阐明两种激发剂的激发机理，为中性碱激发矿渣-粉煤灰胶凝材料的激发效果的提高提供一个参考方向。本论文的研究结果如下：

（1）Na₂CO₃或Na₂SO₄激发时，随着矿粉细度的减小或激发剂掺量的增大，抗压强度增大，化学收缩增大。

（2）Na₂CO₃激发时，掺30%粉煤灰体系的抗压强度及变化规律和不掺粉煤灰体系基本一致，化学收缩较不掺粉煤灰体系均降低。Na₂SO₄激发时，随着粉煤灰掺量的增加，抗压强度先增大后减小，掺量越大，减小的幅度越大；化学收缩减小。粉煤灰作为一种惰性物理填充材料，在Na₂CO₃和Na₂SO₄激发体系中都能起到减小其化学收缩的作用。

（3）Na₂CO₃激发时主要水化产物为C-(A)-S-H凝胶、碳酸钙和水滑石等，Na₂SO₄激发时主要水化产物为C-(A)-S-H凝胶、钙矾石和水滑石等。

（4）Na₂CO₃和Na₂SO₄体系早期性能主要受激发剂掺量的控制；后期Na₂CO₃体系主要受矿粉细度的控制；Na₂SO₄体系受矿粉细度和激发剂掺量的控制。

关键词：碱激发矿渣；Na₂CO₃；Na₂SO₄；化学收缩；粉煤灰

Abstract

The traditional Portland cement production not only consumes a lot of resources and energy, but also discharges a large amount of carbon dioxide, which is not up to the current green and low-carbon production and living concept. Alkali-activated cementitious material is a kind of new low-carbon, environmentally-friendly cementitious material with good physical and mechanical properties and durability. However, most of the activators used in past studies are strong alkali. In recent years, some scholars have used neutral alkali as an activator. In this study, ultrafine slag was used as the research object to study the activing effect of sodium carbonate and sodium sulfate with different Na₂O equivalents on different fineness mineral powders.Compare the their differences from strength , pH ,chemical shrinkage, hydration products, hydration processes and etc. On this basis, the activator-slag-fly ash system was designed; the influence of fly ash content on the performance of the composite system was discussed. At the same time, a variety of modern testing methods are used to clarify the activing mechanism of the two activators, which provides a reference direction for the improvement of the excitation effect of the neutral alkali-activated slag-fly ash cementitious materials. The research results of this paper show that:

(1) When Na₂CO₃ or Na₂SO₄ was used as an activator, compressive strength and chemical shrinkage increase with the decrease of fineness of slag or the increase of dosage of activator.

(2)When Na₂CO₃ was used as an activator, the compressive strength and development of the 30% fly ash system are basically the same as those of the non-fly ash system, and the chemical shrinkage is lower than that of the non-fly ash system. When Na₂SO₄ was used as an activator, with the increase of fly ash, the compressive strength firstly increases and then rapidly decreases,the larger the content, the greater the reduction; the chemical shrinkage decreases. As an inert physical filler, fly ash can reduce its chemical shrinkage in both Na₂CO₃ and Na₂SO₄ systems.

(3)When Na₂CO₃ was used as an activator, the main hydration products are C-(A)-S-H gel, calcium carbonate and hydrotalcite. The main hydration products in Na₂SO₄ system are C-(A)-S-H gel, ettringite and hydrotalcite and so on.

(4)The early performance of Na₂CO₃ and Na₂SO₄ alkali-activated cementitious material is mainly controlled by the dosage of activator.But in the later age,the Na₂CO₃ system is mainly controlled by the fineness of slag; the Na₂SO₄ system is controlled by the fineness of slag and the dosage of the activator.

Key words: alkali-activated slag(AAS); Na₂CO₃; Na₂SO₄; chemical shrinkage; fly ash

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究的目的及意义 1

1.2国内外相关研究进展 1

1.3 本课题研究的主要内容 4

第2章 原材料及试验方法 6

2.1原材料 6

2.1.1 胶凝材料 6

2.1.2 集料 7

2.1.3 激发剂 7

2.1.4 其他 7

2.2 试验方法 7

2.2.1力学性能和工作性能 7

2.2.2化学收缩 7

2.2.3水化热 8

2.2.4 pH测试 8

2.2.5微观测试 8

第3章 碳酸钠激发矿渣胶凝材料的性能 9

3.1试样制备 9

3.2 结构、性能表征方法 10

3.2.1强度 10

3.2.2 pH测试（20℃） 11

3.2.3水化热 12

3.2.4化学收缩 13

3.2.5 XRD分析 15

3.2.6 SEM分析 16

3.2.7 TG-DTG分析 17

3.3 本章小结 19

第4章 硫酸钠激发矿渣胶凝材料体系 21

4.1试样制备 21

4.2 结构、性能表征方法 22

4.2.1强度 22

4.2.2 pH测试（20℃） 23

4.2.3化学收缩 23

4.2.4 XRD分析 25

4.2.5 SEM分析 26

4.2.6 TG-DTG分析 27

4.3 本章小结 28

第5章 碳酸钠激发矿渣-粉煤灰胶凝材料体系 30

5.1样品制备 30

5.2 结构、性能表征方法 31

5.2.1强度 31

5.2.2 pH测试（20℃） 33

5.2.3化学收缩 33

5.2.4 XRD分析 35

5.2.5 SEM分析 36

5.2.6 TG-DTG分析 37

5.3本章小结 38

第6章 硫酸钠激发矿渣-粉煤灰胶凝材料的性能 39

6.1试样制备 39

6.2结构、性能表征方法 39

6.2.1强度 39

6.2.2 pH测试（20℃） 40

6.2.3化学收缩 41

6.2.4 SEM分析 41

6.2 本章小结 42

第7章 结论与展望 43

7.1 结论 43

7.2 展望 44

参考文献 45

致谢 46

附录1 48

附录2 49

第1章 绪论

1.1研究的目的及意义

火山灰性材料或潜在水硬性材料，在常温下与水几乎无法反应，但存在激发剂的条件下，具有胶凝性质，当激发的方式为碱激发时，我们称这种材料为碱激发胶凝材料。

随着全球变暖问题的日益突出，二氧化碳排放已成为绿色、可持续发展战略中的一个焦点话题。2017年1月18日，习近平总书记在《共同构建人类命运共同体》的讲话上谈到“我们要倡导绿色、低碳、循环、可持续的生产生活方式，平衡推进二〇三〇年可持续发展议程，不断开拓生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路。”绿色、低碳一直以来都是我们材料行业所追求和倡导的。传统硅酸盐水泥生产需要经过“两磨一烧”的工艺，还需大量的黏土和石灰石，在煅烧过程中不仅会消耗大量资源和能源，而且还会释放出大量的二氧化碳温室气体和氮氧化物、二氧化硫等有害气体。但是，在这种情况下，全球水泥产量仍然逐年增加，水泥行业产能过剩，给全球环境问题带来很大的负担，所以，有必要寻找一种能耗低、排放少的胶凝材料来替代硅酸盐水泥。

近年来，随着我国钢铁行业的迅速发展和煤炭资源使用量的增加，我国每年矿渣产量约2.4亿吨，并在逐年增加，到2020年我国粉煤灰排放量预计达到9亿吨^[1]，如果这两种产量巨大的工业副产品不能被有效利用，会对环境造成污染和对资源造成浪费等问题。过去矿渣和粉煤灰常被用于水泥混合材或者混凝土掺合料，可以改善水泥或者混凝土的相关性能，降低水泥的消耗量，提高资源利用率。而矿渣和粉煤灰本身也是一种具有潜在水硬性的材料，在一定条件下，如果能激发出它们潜在的活性，那么也是可以被当成一种胶凝材料使用。于是，碱激发矿渣和碱激发粉煤灰胶凝材料逐渐发展起来，利用碱把矿渣和粉煤灰潜在的活性激发出来，使其具有胶凝性。这种碱激发胶凝材料的制备不仅能耗低、排放少，还能充分利用工业固体废弃物，成为低碳胶凝材料发展的主要方向。该材料还拥有早期强度高、水化热低、快硬性及耐久性好等优异性能，且其后期强度发展不亚于硅酸盐水泥，被认为是一种在实际工程上具有广阔应用前景的新型胶凝材料。特别是近年来随着整个社会对全球气候变暖问题的日益关注，碱激发胶凝材料的制备及工程应用成为绿色建筑材料领域的研究热点及前沿。因此，从以上这些方面来看，碱激发矿渣胶凝材料有望成为硅酸盐水泥的一个理想的替代品。

1.2国内外相关研究进展

碱激发胶凝材料是在常温下，在碱性激发剂的作用下使硅酸盐或铝硅酸盐玻璃体网络中的硅氧键断裂后再缩聚，生成具有胶凝性质的各种水合（铝）硅酸盐反应产物。其原料一般为高炉矿渣、钢渣、粉煤灰、煤矸石等含有硅铝酸盐系列的工业固体废弃物。目前常用的碱激发原料通常为矿渣和粉煤灰。