关键词:
MgO-MK胶凝材料
水镁石
性能调控
微观结构
耐海水性
摘要:
传统硅酸盐水泥需要消耗大量的燃料和电能,产生大量碳排放量。亟需开发新型环境友好型和能源节约型的绿色胶凝材料来替代硅酸盐水泥。镁质水泥是一种新型的气硬性胶结材料,具有重量轻、优异的抗磨损性能、快凝早强、节能低耗等优点。此外,镁水泥具有较低的内含能和使用期间优异的碳储存能力,从而使其具有低碳特征,近年来备受关注。与氯氧镁、磷酸镁和硫氧镁等常规镁水泥相比,氧化镁-偏高岭土(MgO-MK)胶凝材料是一种新开发的绿色水泥基材料。MgO-MK胶凝材料的生产过程碳排放低,且具有优异的碳捕获能力的特点。此外,其优异的力学性能使其具有良好的发展前景。但是目前对MgO-MK胶凝材料的研究较少,对MgO-MK胶凝材料的组成设计、水化机理、微结构演变规律、性能调控,以及高性能化缺乏深入详细的研究。本文初步探究了MgO/MK质量比例和水胶比对MgO-MK胶凝材料的力学与工作性能、水化热以及物相和微结构变化规律的影响。其次,通过在MgO-MK胶凝体系中加入粉煤灰(FA)和矿渣(SG),制备MgO-MK-粉煤灰/矿渣三元胶凝材料,并探讨了粉煤灰与矿渣掺量对该胶凝材料的性能、物相组成及微观结构的影响。最后,以盐湖低碳MgO为原材料,开发和制备出高性能MgO-MK胶凝材料。主要工作如下:
(1)通过设计不同水胶比以及MgO/MK不同质量比对MgO-MK胶凝材料的力学性能以及流动度进行试验,确定最佳配合比。试验结果发现:当水胶比为0.4时,各个龄期抗压强度表现最好,四种质量比下(MgO/MK=3:7、4:6、5:5、6:4)28 d的强度分别达到41.79 MPa、49.25 MPa、50.5 MPa和48.54 MPa。当水胶比增大时,胶凝材料的流动性也会相应提升,其中MgO和MK质量比为5:5(M5K5)时流动度最大,可达到14 cm。
(2)通过物相(XRD、TG、FTIR、NMR)和微观结构(SEM、MIP)分析可以发现MgO-MK胶凝材料的水化产物主要包括水镁石(Mg(OH)2)、水化硅铝酸镁凝胶(M-A-S-H)、水滑石等。M-A-S-H凝胶是MgO-MK胶凝材料的主要水化产物,其含量会随着MgO掺量的增加而增加,这不仅改善了材料的微观结构,也有利于强度的发展。
(3)通过掺入粉煤灰和矿渣制备出MgO-MK-FA/SG三元胶凝材料。结果发现:在MgO和MK质量比为4:6时,FA掺量10%(M4K6FA10)的样品抗压强度表现最好,养护28 d后的抗压强度为62.35 MPa;相比于MgO-MK-FA三元胶凝材料,相同掺量的MgO-MK-SG三元胶凝材料的抗压强度降低。SG掺量为10%的样品28 d的抗压强度为33.27 MPa。微观结构分析发现掺入FA和SG在一定程度上能填充胶凝材料的孔隙,改善材料的微观结构,使结构更为致密,有利于试件强度的发展。相比之下,FA对MgO-MK胶凝材料的微观结构的改善效果要优于SG。
(4)对掺入矿物掺合料的胶凝材料进行耐海水性研究发现:掺入FA和SG的胶凝材料强度都随着浸泡时间的延长而降低。掺加FA的胶凝材料泡水后,Mg(OH)2含量增加,强度下降,而掺加SG的混合材料泡水后水化产物减少,且泡水会显著降低胶凝材料的总孔隙率。SEM分析结果发现,泡海水后M-A-S-H凝胶仍然是MgO-MK-FA/SG三元胶凝体系的主要水化产物。胶凝材料在泡水过程中进一步水化生成新的晶体填充在孔隙处,材料中大孔隙的含量减少。
(5)利用盐湖氧化镁替代传统活性氧化镁制备出低碳高性能MgO-MK胶凝材料。研究发现:盐湖氧化镁胶凝材料的强度低于轻烧氧化镁胶凝材料,且随着养护龄期的延长,抗压强度呈现上升的趋势,质量比为4:6的样品的28 d的抗压强度为29.34 MPa,90 d的抗压强度为38.04 MPa。通过XRD分析,在盐湖氧化镁胶凝材料的水化产物中发现Mg(OH)2的含量多于轻烧MgO-MK胶凝材料,导致其抗压强度低于轻烧MgO-MK胶凝材料。SEM研究发现盐湖MgO-MK胶凝材料的微观结构比轻烧MgO-MK胶凝材料松散。