Огляд довговічності та характеристик міцності шлакобетону, що активується лугами

Анотація

Луг-активований шлак (AAS) є перспективною альтернативою звичайному портландцементу (OPC) в якості єдиного сполучного для залізобетонних конструкцій. За повідомленнями, OPC відповідає за понад 5% загальних викидів CO2. Крім того, шлак є промисловим побічним продуктом, який, якщо не використовувати повторно, повинен бути заповнений землею. Тому багато дослідників це вивчало як екологічно чисту заміну OPC. На додаток до переробки, AAS пропонує сприятливі властивості для бетону, такі як швидкий розвиток міцності на стиск і високу стійкість до дії сульфату. Деякі з потенційних недоліків AAS включають велику усадку, короткий час схоплювання та високу швидкість карбонізації. Використання меленого гранульованого доменного шлаку (GGBS) як альтернативи OPC вимагає його активації сполуками з високою лужністю, такими як гідроксид натрію (NaOH), сульфат натрію (Na2SO3), карбонат натрію (Na2CO3) або комбінація цих сполук, таких як NaOH та Na2SO3. Механізм активації лугу досі не до кінця зрозумілий, і необхідні подальші дослідження. У цій роботі розглядаються властивості, переваги та потенційні недоліки бетону AAS.

1. Вступ

Заміна цементу на альтернативні промислові побічні продукти, що характеризуються високим вмістом глинозему та діоксиду кремнію (алюмосилікати), що активуються лугами, досліджувалася протягом десятиліть, але набуває популярності в даний час завдяки підвищенню зацікавленості у зменшенні екологічного впливу виробництва цементу. Алюмосилікати, найчастіше використовувані вихідні матеріали як альтернативи звичайному портландцементу (OPC), містять порівняно велику кількість оксиду кремнію (SiO2) та оксиду алюмінію (Al2O3) [1]. Незважаючи на певні недоліки порівняно з бетоном OPC, такі як висока карбонізація та усадка, бетон AAS пропонує багато можливостей для будівельної галузі з точки зору довговічності та високого раннього розвитку міцності. Особливо висока розробка міцності на ранніх термінах робить AAS життєздатною альтернативою OPC для цементування глибоководних нафтових свердловин [2].

Безводний GGBS (мелений гранульований доменний шлак) містить більшу кількість SiO2 порівняно з OPC (30,04–35,04% у GGBS порівняно з 19,9–24,9% у OPC) та більшу кількість CaO (33,7–43,84% у GGBS порівняно з 62,1%) . Al2O3 також вищий у GGBS порівняно з OPC (14,63–16,7% у GGBS та 4,95% у OPC). Процеси водяного охолодження та грануляції, пов'язані з виробництвом GGBS, утворюють склоподібний аморфний матеріал, як це продемонстровано за допомогою скануючого електронного мікроскопа (SEM) 2θ зображень, що показують горб між 25 ° і 35 °. Те саме спостереження було відзначено на безводних зображеннях GGBS, отриманих за допомогою рентгенівських дифрактометрів (XRD), що показують склоподібний матеріал із незначно малою кількістю кристалічного матеріалу [3]. Загалом, GGBS набагато тонший (тонкість більше 350 м 2/кг) порівняно з OPC, що підвищує реакційну здатність та розвиток міцності в ранньому віці.

Інші популярні алюмосилікати включають золу і метакоалін. Для досягнення бажаних механічних властивостей летюча зола як активатор вимагає більш високих доз оксиду натрію та затвердіння при підвищених температурах порівняно з меленим гранульованим доменним шлаком (GGBS) [4,5]. Здебільшого GGBS може бути використаний як єдине сполучна речовина у виробництві бетону, якщо його активують лужним розчином з більш високим рН. Порівняно з бетоном OPC, бетон, що активується лугом (AAS), має ряд переваг, включаючи високий і швидкий розвиток міцності та стійкість до хімічних атак [6]. Шлак можна активувати, використовуючи різні лужні сполуки, такі як гідроксид натрію (NaOH), карбонат натрію (Na2CO3), гідроксид калію (KOH), силікат натрію або комбінації цих лугів. Повідомляється, що силікат натрію є більш ефективним активатором з точки зору розвитку міцності порівняно з карбонатом натрію [7].

Якщо не вирішити проблему, швидке затвердіння бетону AAS робить його непридатним для будівельної практики. Тести, проведені Лі та співавт. [8] вказав, що використання карбонату натрію (Na2CO3) для заміни частини силікату натрію (при еквівалентному вмісті Na2O) подовжує час схоплювання бетону AAS, але розвиток міцності на стиск також сповільнюється. Однак міцність бетону, де шлак активувався за допомогою Na2CO3, продовжувала зростати понад 28 днів, а нахил кривої зростання також продовжував зростати [9].

При розробці AAS часто вигідно поєднувати GGBS з іншими цементними матеріалами для підвищення механічних властивостей та довговічності. Встановлено, що часткова заміна GGBS в бетоні AAS або OPC на кремнеземний дим підвищує міцність на стиск [10]. Однак кремнеземний дим є відносно дорогим побічним продуктом виробництва кремнію та феросиліцієвих сплавів із високочистого кварцу та вугілля в затопленій дуговій електричній печі. Газоподібний SiO, що виходить, окислюється і конденсується у вигляді надзвичайно дрібних сферичних частинок аморфного діоксиду кремнію (SiO2). Мотивацією для його використання з OPC є те, що діоксид кремнію у формі скла (аморфний) є високореактивним, а дрібність частинок прискорює реакцію з гідроксидом кальцію, що утворюється при гідратації портландцементу. Дуже дрібні частинки диму кремнезему можуть потрапляти у простір між частинками цементу і, таким чином, покращувати упаковку.

2. Лужні активатори та продукти гідратації ААС

2.1. Активатори лугів

характеристик

Розвиток міцності на стиск зразків будівельного розчину, активованого лугом (AAS) 16 мм × 16 мм × 160 мм, активованого за допомогою водяного скла, порівняно з гідроксидом калію [3].

Загалом, високий рН лужного активатора сприяє розчиненню GGBS, що обумовлює хімічну реакцію та розвиток міцності [14]. Ван та співавт. [15] продемонстрували, що активований силікатами шлак виробляє бетон з кращими механічними властивостями та стабільністю порівняно з бетоном, виготовленим із шлаком, активованим за допомогою гідроксиду натрію. Дійсно, Ши та ін. [16] продемонстрували, що активований Na2SiO3 ГГБС виробляє тепло виділення, яке збільшується зі зменшенням співвідношення води до сполучного (w/b) і навпаки, на відміну від активованого NaOH шлаку, теплота гідратації якого у відповідь на співвідношення w/b була подібною до паст OPC.

2.2. Продукти гідратації шлаку, що активується лугами

C-S-H, що утворюється в результаті активації GGBS, є фольгоподібною фазою, що характеризується високою концентрацією Si і зростає в пористих просторах. За контрактом, топотактичний ріст голкоподібного C-S-H переважає під час гідратації OPC, що відбувається при відносно меншій концентрації силікату [17].

2.3. Продукти реактивності та гідратації неактивованих GGBS

Гідратація GGBS виробляє C-S-H навіть без додавання лужних активаторів, хоча і повільно, залежно від фізичних та хімічних властивостей. ASTM C 989 класифікує GGBS за класом 80, 100 або 120 на основі індексу активності шлаку. Серед хімічних властивостей, що впливають на гідравлічну реакційну здатність GGBS, є основність (CaO + MgO + Al2O3)/SiO2 та хімічний модуль ((CaO + MgO)/SiO2). Крім того, наявність сульфату кальцію в GGBS сприяє активації GGBS [19]. GGBS без високої основності, модуля та сульфату кальцію показали високу міцність на стиск на зразках розчинів та продуктах гідратації, включаючи C-S-H та етрігніт (Ca6Al2 (SO4) 3 (OH) 12 · 26H2O).

3. Механічні властивості лужноактивованого шлакобетону та розчину

Швидкий розвиток міцності мінометів AAS від 7 до 28 днів у порівнянні з мінометами OPC пояснюється дуже тонким захисним шаром навколо негідратованих зернових систем GGBS. Такий шар навколо негідрованих зерен OPC набагато товщі, що призводить до уповільнення розвитку міцності в розчинах OPC [17].