通过纳米改性活化粉煤灰

Shiho Kawashima，学生，西北大学，伊利诺伊州埃文斯顿；

我们将讨论以显著减少、几乎不消耗或不消耗工艺能量的方式生产的粘合剂的优势，这些粘合剂的碳足迹小，由可回收和/或可再生资源组成，对环境的影响极小。

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# 引言

以下演讲中表达的观点仅代表演讲者个人，未必反映ACI或其委员会的意见。ACI网络会议的录音会在ACI大会或其他混凝土行业活动中录制，并在之后的一周内免费提供观看。随后会归档到ACI网站或加入ACI的在线继续教育课程，具体取决于内容。您可以通过ACI的在线继续教育课程获得继续教育学分，访问 [www.cconcrete.org](http://www.cconcrete.org) 注册。ACI大会为网络交流和了解最新混凝土技术及实践提供了机会。

# 动机

我今天的演讲将总结在西北大学进行的研究工作，其中部分是我在那里的博士研究，现在我在哥伦比亚大学，同时也会介绍来自中国的访学学者Dr. Pen Kunho的部分研究工作，他现在是甘肃大学的教职员工。我们的研究是在Iowa州立大学的Dr. Cajun Wang的指导下进行的。

许多演讲者在之前的会议和本次会议中都很好地阐述了混凝土可持续性的重要性，而一个有效的策略是使用补充材料，包括粉煤灰，其好处实际上是双重的：首先，通过替代水泥，我们可以使混凝土成为一种更低碳足迹的材料；其次，粉煤灰是一种废弃材料，通过有效利用像粉煤灰这样的废弃材料，我们可以帮助缓解填埋场和废弃物存储问题。因此，我认为有大量研究致力于激活粉煤灰，因为尽管我们希望获得更可持续的材料，但仍然需要其良好的性能。

我们的工作通过纳米改性来解决这个问题。实施纳米改性的动机在于，已经有大量研究表明，纳米粒子在水泥基材料中的使用可以显著增强材料的性能，这与其细颗粒尺寸密切相关。纳米粒子被认为是小于100纳米的颗粒，粒径小于100纳米时，特定表面积显著增加，这使得纳米粒子能够参与各种反应或效应，包括种子效应和填充效应。

在这次演讲中，我们探讨了两种类型的纳米材料，即纳米二氧化硅和碳酸钙。我们将逐一讨论这些材料，纳米二氧化硅在这一领域已有大量研究，而本研究则集中于纳米二氧化硅对粉煤灰水泥体系强度提升的机制。对于碳酸钙，我们主要关注的是分散性问题，因为在使用纳米材料时，分散性是一个非常关键的问题。

# 压缩强度提升

关于纳米二氧化硅的研究显示，随着其添加量的增加，粉煤灰水泥砂浆的压缩强度在早期（7天）显著提高。尽管粉煤灰在长期内具有优势，但早期的强度提升较慢，因此纳米二氧化硅的加入有效抵消了这些负面影响。然而，在后期，强度提升的速率并不显著，甚至在5%添加量时略有减少。

我们通过热重分析（TGA）观察到了CH（氢氧化钙）消耗的情况。结果表明，纳米二氧化硅在早期的种子效应和增加的反应性有助于提高粉煤灰水泥体系的早期强度，但在后期，由于纳米二氧化硅的反应性增强，导致强度提升的速率下降。

# 碳酸钙纳米粒子

在讨论碳酸钙纳米粒子时，我们重点关注了分散性问题。研究表明，碳酸钙纳米粒子可以加速水泥水化反应，并且能够与水泥中的其他成分反应，生成新的水化产物。本研究探索了在较低添加量下，碳酸钙纳米粒子是否仍然能够展现增强的效果，并且是否可以通过更有效的分散来实现。

我们采用声波分散法对碳酸钙纳米粒子进行了分散实验，并比较了不同分散方法的效果。通过这些方法，我们最终得到了均匀的悬浮液，这可以添加到干成分中以创建混合料。

通过这些研究，我们期望能够为混凝土行业提供新的解决方案，以提升混凝土的性能并推动可持续发展。

# 分散性测量

链条的一个重要组成部分是测量分散性，我们通过光谱光度法进行这一测量。基本上，您有一个悬浮液，然后测量离心前上清液的吸光度，接着得到一个吸光度光谱。离心后，您比较表面活性剂的吸光度，然后在特定波长下进行比较，这样就可以得到沉降的定量测量。

举个例子，如果您有一个完全单分散的悬浮液，即使在离心后，如果它被适当地分散和稳定，离心前后的外观应该是相同的。如果它在离心后高度聚集，所有颗粒都会沉降。因此，您可以想象，如果在这里测量吸光度，基本上会是零，吸光度光谱会有明显的下降。如果是部分分散和轻微聚集的混合物，在离心后部分会沉降，但仍然有一些会保持悬浮，因此仍会有变化，但可能没有那么剧烈。

我们比较了在特定波长下的沉降吸光度，然后得到了以百分比表示的沉降率。我们探讨了多个不同的参数，包括声波处理的幅度和时间，以及表面活性剂的类型和浓度。可以看到，某些表面活性剂在离心后完全不有效，液体清澈，因此没有分散能力。最有效的表面活性剂是聚羧酸盐超级塑化剂，该样本甚至没有经过声波处理，仅仅是轻轻搅拌，但这种表面活性剂能有效稳定部分颗粒。经过声波处理后，效果有所改善。

这些是聚羧酸盐超级塑化剂在设置的声波处理时间和幅度下的结果，仅改变添加量。这是以干燥纳米碳酸钙颗粒的质量百分比表示的。在7%沉降率下，沉降相当高，但随着添加量的增加，沉降率有所改善。因此，90%的沉降听起来很高，但请记住，我们施加了很大的离心力。

# 铸造样品的保持时间

我们对这些悬浮液进行铸造样品的制备，首先查看铸造时分散程度。因此，我们报告了保持时间，而不是让这些悬浮液进行离心。我们只是让它静置，然后在24小时内监测吸光度。我们比较了浴式声波处理和超声波处理的悬浮液。初始吸光度光谱非常相似，24小时内的保持情况显示，在3小时内，70%到80%的颗粒仍然保持悬浮。这意味着70%到80%的颗粒仍然悬浮，我们可以在这个三小时的时间内铸造这些样品。

# 设置时间

接下来我们使用这些悬浮液准备机械测试的样品。首先，我们查看设置时间，使用Vicat针测试测量。这里是普通水泥浆，这里是30%粉煤灰替代的样本。果然，初始和最终设置时间都有延迟。这里是添加了1%纳米碳酸钙颗粒的样本，经过聚羧酸盐超级塑化剂处理，但没有经过声波处理。我们看到，表面活性剂确实有影响，并且会略微延迟设置时间。经过声波处理后，效果更加明显。

我们还测试了早期强度增长，分别在1、3和7天。如果您关注左下角的图表，线条表示30%粉煤灰水泥浆，没有纳米碳酸钙。然后是1%、2.5%和5%纳米碳酸钙的加入效果。我们看到在7天时，2.5%的强度提高了约20%。因此，我们看到改善，1%也有改善，但如果我们看5%，则出现了一些不规则行为。在第一天，其强度低于对照组，而在7天时有所改善，但低于2.5%。这可以通过分散问题来解释。

# 结论与未来工作

总之，碳酸钙纳米颗粒确实加速了设置，并改善了粉煤灰水泥浆的早期抗压强度增加，但确实存在与分散问题相关的阈值。聚羧酸盐超级塑化剂显示出分散碳酸钙的潜力，可能通过改变超级塑化剂的结构进一步改善。纳米二氧化硅在后期强度增长速度略有减缓，这与早期阶段对氢氧化钙的高消耗有关，以及粉煤灰上低含量的硅酸钙水合物。

我想感谢田纳西河谷管理局和橡树岭大学的支持，以及西北大学基础设施和SE技术对本研究的支持。谢谢大家，有什么问题吗？

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