福州大学学报·自然科学版杂志投稿格式参考范文：含生活垃圾焚烧炉渣的碱矿渣水泥耐高温机理

　　0 引言

　　通常情况下，建筑结构因火灾而遭到破坏，对人类生命和财产造成的损失是巨大的。高温暴露后，水泥水化产物的分解是造成混凝土结构破坏的主要原因。与普通硅酸盐水泥相比，碱激发水泥由于其水化产物中不含 Ca (OH)₂而表现出优异的耐高温性能，AAC 的耐高温研究已成为研究热点。然而，现有关于前驱体类型对 AAC 耐高温性影响的研究仅限于矿渣或粉煤灰等常用前驱体。

　　近年来，一种新型 AAC 前驱体，即生活垃圾焚烧炉渣底灰(MSWI-BA)，由于其产量巨大和成本低受到学者们的广泛关注。 Huang 等评估不同养护方法对含有 MSWI-BA 碱矿渣水泥砂浆性能的影响，AASBm 的抗压强度在 28～53MPa。研究发现，NaOH 掺量过大时 AASBm 抗压强度会降低，而 MSWI-BA 的颗粒大小对其抗压强度有显著的影响。Chen 等发现，高温后纤维的融化可以促进水泥基体孔隙连通性的提高，降低高温后产生的水蒸气压力，从而提高水泥基体的耐高温性能。研究表明，400℃左右的高温可以促进未水化粉煤灰或矿渣的进一步水化反应，导致 AAC 高温后强度的提高。MSWI-BA 中含有的少量单质 Al 会与反应形成和，这能提高掺炉渣碱矿渣水泥净浆基体孔隙率和内部孔隙连通性，使得 AASBp 在高温下产生的蒸汽可以从孔隙中释放出来，从而减少内部应力造成的破坏。这意味着 MSWI-BA 的加入很可能抑制了碱矿渣水泥经高温处理后的孔隙结构和水化产物的劣化。然而，目前有关高温对 AASBp 性能影响的研究鲜有报道。

　　因此以普通硅酸盐水泥作为对照组研究在不同温度下的性能包括质量损失率 、干燥收缩率 、抗折强度 和抗压强度 并结合射线衍射仪热重分析 、傅里叶红外光谱仪、扫描电镜和压汞法微观手段阐明其影响机制。

　　1 实验方案

　　1.1 原材料

　　AASBp 的前驱体为绝干状态的粒化高炉矿渣(BFS)和 MSWI-BA。MSWI-BA 由福建红庙岭垃圾发电厂提供，其粒径小于 74μm。由于 MSWI-BA 具有疏松和多孔特性采用氮吸附法测试和的比表面积。可以发现 MSWI-BA 中存在水化硅铝酸钙(C-A-S-H)和类水滑石。所采用的水玻璃溶液(WG)模数为 1.5，硅酸钠固体质量分数为 38.85%。

　　1.2 配方

　　参考文献的研究结果和所做的预实验，MSWI-BA 掺量为矿渣质量的 6%，即 MSWI-BA 质量与 BFS 和 MSWI-BA 质量之和的比值。采用海螺牌 P・O42.5R 普通硅酸盐水泥制备的净浆(OPCpaste，OPCp)作为对照组。AASBp 和 OPCp 的水胶比(质量比)均为 0.35。AASBp 的胶凝材料包括 MSWI-BA、BFS 和 WG 固体成分，水包括 WG 中的水和外加水。

　　1.3 试样制备

　　先将 WG 与所有外加水混合得到激发剂溶液，将前驱体材料在搅拌器中搅拌 1min;将 50% 的激发剂溶液加入到混合物中搅拌 1min，然后加入剩余 50% 激发剂溶液，再搅拌 1min。将新拌的 AASBp 分两次倒入模具中并各振动 1min。用于测试质量损失率和强度的试样尺寸(长 × 宽 × 高)为 40mm×40mm×160mm;测试干燥收缩率的试样尺寸(长 × 宽 × 高)为25mm×25mm×285mm。浇注完后放入标准养护室(温度为 (20±2)℃，相对湿度为 95%)养护至 28d。

　　在经历不同高温处理后，将试样破碎成 2～6mm 小块，用无水乙醇浸泡 7d。然后在真空干燥箱中干燥 7d。对于 XRD、TG 和 FTIR 分析，采用粒径小于 150μm 的试样。对于 MIP 和 SEM 分析，采用 2～6mm 的试样。

　　1.4 试验方法

　　1.4.1 高温处理

　　为评估 AASBp 的耐高温性能，将标准养护 28d 后的试样放入马弗炉中，在不同的加热制度下进行加热首先将试样以 10°C・min⁻¹ 的升温速率从环境温度(25℃)加热到目标温度(包括 200、400、600、800、1000℃);当达到目标温度时，保持温度 2h，以确保整个试样的温度分布均匀;随后，将加热后的试样在炉内自然冷却至环境温度。

　　1.4.2 微观表征

　　采用 DY5261/X′Pert3 型 XRD 分析 AASBp。采用波长为 1.54nm 的 CuKα 射线在 40kV 和 40mA 的条件下采集图谱并在的角度 θ 范围进行速度为 10°・min⁻¹ 的扫描采用型同步热分析仪将净浆试样在氧化铝坩埚中以 5°C・min⁻¹ 的升温速率从升温至采用 FTIR 对试样的分子键演变和物相转化进行测定，采集波数从 600cm⁻¹ 到 1500cm⁻¹ 采用型 SEM 观察 AASBp 试样高温处理后的裂缝发展。采用 PoreMaster60 型 MIP 对 AASBp 净浆试样的孔结构进行表征，低压为 0～0.17MPa，高压为 0.17～413.70MPa。

　　1.4.3 强度

　　采用型压力试验机测试试样的抗折强度 (f₁)，加载速率为 0.08～0.10MPa・s⁻¹，取 3 个试样抗折强度的平均值作为该组的抗折强度抗折强度测试结束后采用断裂的试样继续进行抗压强度 (fc) 测试受压面尺寸为加载速率为 1.2～1.4MPa・s⁻¹。

　　2 试验结果与分析

　　2.1 XRD

　　物相包括 C-A-S-H、方解石、石英、类水滑石和矿渣中含有的少量镁黄长石等。随着温度的升高，在 29° 左右 C-A-S-H 和方解石的重叠峰和类水滑石的峰强度降低;当温度高于 600℃时，在 11° 左右的类水滑石峰消失;当温度升到 1000℃时，C-A-S-H 和方解石的重叠峰消失，此时在 31° 左右的镁黄长石和钙铝黄长石的峰显著增强。这些物相的改变与 AASBp 孔的增大有关。

　　2.2 TG-DTG

　　产生失水和分解的主要物相为 C-A-S-H、类水滑石和方解石，其峰强随着温度的升高而降低。此外，当温度高于 600℃时，类水滑石的峰消失;当温度达到 1000℃时，C-A-S-H 和方解石的峰几乎消失;这些结果与 XRD 结果完全一致。

　　2.3 FTIR

　　Si—O 键和 Al—O 键的振动带分别位于和 634～648cm⁻¹。随着温度从 25℃增加到 200℃，Si-O 键波数从 970cm⁻¹ 增加到 978cm⁻¹ 这表明高温促进未水化颗粒的进一步水化 C-A-S-H 的聚合度提高，钙硅比(C/S)降低;当温度从 200℃增加到 800℃时，Si—O 键波数降低到 964cm⁻¹ 当温度增大到时键消失随着温度从 25℃增加到 400℃，Al—O 键波峰逐渐向高波数偏移即从 636cm⁻¹ 增加到 640cm⁻¹;当温度大于 600℃时，AI-0 键消失，出现波数大于 677cm⁻¹ 的新键。这说明 Al—O 键随着温度的增加而变长，600℃时断裂消失。

　　2.4 SEM

　　随着温度从 25℃增加到 400℃，未水化颗粒减少，高温促进未水化的 MSWI-BA 和 BFS 充分水化，基体逐渐密实，微裂纹减少。随着温度从 400℃增加到 600℃，C-A-S-H 和类水滑石的逐渐分解，基体抗拉强度降低，微裂纹增多。当温度增加到 800℃以后，由于 C-A-S-H 和其他结晶水合物的脱水和高温梯度，AASBp 中的点状纹理逐渐明显。在 1000℃时，镁黄长石和钙铝黄长石等晶相的增多，导致孔隙结构由凝胶孔向毛细孔甚至大孔转变。

　　2.5 MIP

　　在不同温度下的孔径分布 V 和 d 分别表示累计孔体积和孔直径文献将孔隙按孔径大小分为类包括凝胶孔 (d<10nm) 毛细孔 d 为和大孔 (d>50nm)。随着温度从 25℃增加到 600℃，由于 C-A-S-H 和类水滑石的失水，凝胶孔减少，毛细孔增多;由于高温促进未水化颗粒的进一步水化，大孔减少，总孔隙率降低。当温度增加到 800℃时，C-A-S-H 继续失水和分解，凝胶孔继续减少，毛细孔不变，大孔显著增多，总孔隙率增大;当温度增加到 1000℃时，主要水化产物 C-A-S-H、类水滑石和方解石完全分解，凝胶孔和毛细孔基本消失，仅存在部分大孔，总孔隙率降低。

　　据报道，随着温度从 25℃升高到 600℃，由于高温后基体的热开裂，不含 MSWI-BA 的碱矿渣水泥净浆的孔隙率一直增大，AASBp 孔隙率降低。这说明 MSWI-BA 的加入对高温下 AASp 孔结构的劣化有抑制作用。MSWI-BA 中存在少量单质 Al，可与碱反应生成氢气，此外 MSWI-BA 具有多孔性，这些孔隙可提高 AASp 的孔隙连通性。AASBp 的孔隙率 (18.93%) 高于未添加 MSWI-BA 的 AASp (16.21%)，这有利于高温后水蒸气压力的释放，避免基体的开裂和孔隙的增大，提高 AASBp 基体的耐高温性能。这与 Chen 等的研究结果类似，即高温后纤维的融化导致基体孔隙连通性的增大，水泥基体的耐高温性能会因此得到提高。

　　2.6 质量损失率和干燥收缩率

　　随着温度从 25℃增加到 800℃，AASBp 的质量损失率逐渐增大;温度高于 800℃后，质量损失率稳定在 28% 左右。25～300℃的质量损失率主要是由于毛细孔中游离水的蒸发和 C-A-S-H 的脱水所致;300～800℃的质量损失率与 C-A-S-H、类水滑石和方解石的顺序分解有关。然而，温度从 25℃增加到 1000℃，的质量损失率持续增大后的质量损失率是由于中存在部分高结晶度的 CaCO₃所引起的。随着温度从 25℃增加到 1000℃，AASBp 的干燥收缩率增大，最大值达到 5.0%。温度为 25～800℃时的干燥收缩率和质量损失率变化规律一致;然而，当温度为 800～1000℃时，AASBp 的干燥收缩率仍在持续增大，这与 AASBp 在高温后产生较大变形有关。随着温度从 25℃增加到 1000℃，OPCp 的干燥收缩率持续增大，这与质量损失率的变化规律一致。

　　2.7 强度

　　AASBp 和 OPCp 的抗折强度均降低，AASBp 的抗折强度在 800℃时为 0MPa，而 OPCp 的抗折强度在 600℃时为 0MPa。AASBp 的抗折强度与基体微裂缝、C-A-S-H 数量有关，随着温度从 25℃升到 400℃，基体微裂缝减少;由于高温的作用，C-A-S-H 失水严重，基体胶结性降低，抗折强度降低;当温度升到 800℃时，基体颗粒化程度加剧，C-A-S-H 基本完全分解，抗折强度降为中含有较多的 Ca (OH)₂其在左右会完全分解分解产生的水蒸气压力造成基体开裂严重，微裂缝显著增多，因此 OPCp 的抗折强度在 600℃时降为 0MPa。

　　随着温度升高，AASBp 和 OPCp 的抗压强度均先增大后减小，AASBp 的抗压强度在 400℃时达到最大值，而 OPCp 的抗压强度在 200℃时达到最大值。随着温度从 25℃升高到 400℃，未水化 MSWI-BA 和 BFS 的进一步地质聚合，C-A-S-H 的聚合度提高，C/S 降低，AASBp 基体的微裂缝降低，孔隙率降低，密实度提高，因此 AASBp 的抗压强度得到提升。文献和的研究也得到类似的结论。随着温度从 25℃增加到 400℃，高温促进未水化的粉煤灰或 BFS 的地质聚合反应，导致 AASp 的密实度提高。

　　随着温度从 400℃升高到 1000℃，由于 C-A-S-H 等水化产物分解并遭到破坏，AASBp 基体的颗粒化程度加剧，导致 AASBp 的微裂缝增多，孔隙率增大，密实度降低，因此 AASBp 的抗压强度降低。参考文献的研究结果发现，OPCp 在高温后的抗压强度劣化机理与类似但在时的抗压强度已出现降低趋势这是因为中的 Ca (OH)₂开始大量分解，造成 OPCp 中的孔结构被严重破坏，在 400℃时其抗压强度因此而显著降低。分解生成的 CaO 极易吸湿，且部分 Ca0 会与 CO₂反应生成 CaCO₃发生膨胀对水泥孔壁产生巨大压力严重破坏孔结构，使得微裂缝剧增。

　　2.8 高温对 AASBp 归一化强度的影响

　　经高温处理后的抗压强度因矿渣材料产地和成分的差异显示出两种主要变化规律：1) 随着温度的增加，归一化抗压强度呈降低趋势。这与 C-A-S-H 和类水滑石等产物的高温失水分解，水蒸气压力导致的 AASp 基体开裂，孔隙率增大有关。2) 随着温度的增加，归一化抗压强度呈先增大后降低的趋势。

　　规律相似。未掺杂 MSWI-BA 的 AASp 归一化抗压强度在 200℃达到最大值，且均小于 1.2;然而，AASBp 的归一化抗压强度在 400℃达到最大值，且大于 1.2。显然，AASBp 具有更优异的耐高温性能。归一化抗压强度的提升主要归因于以下两点。1)水化产物的变化。即高温促进未水化的前驱体进一步发生地质聚合反应，C-A-S-H 的聚合度提高，C/S 降低。2)孔结构的优化。MSWI-BA 的引入使基体孔隙的连通性增强，这有利于高温后水蒸气压力的释放，基体开裂程度降低，这与文献 [6] 的研究结果类似。未掺杂 MSWI-BA 的 AASp 在高温处理后仅有 1)的作用，而 AASBp 有上述两种因素的同时作用，使得高温后 AASBp 的归一化抗压强度明显优于 AASp。

　　3 结语

　　本研究以 OPCp 作为对照组，对比分析了 AASBp 在不同温度下的质量损失率、干燥收缩率和强度，并结合多种微观手段揭示 AASBp 的耐高温机理，得到以下结论：

　　1)随着温度从 25℃增加到 1000℃，AASBp 中 C-A-S-H 的 C/S 先降低后升高，在 400℃时， C-A-S-H 的聚合度最高，C/S 最低。C-A-S-H 的 Al—O 键在 600℃断裂，而 Si—O 键在 1000℃断裂。

　　2)随着温度的增加，AASBp 和 OPCp 的抗压强度均先增大后减小，AASBp 的抗压强度在 400℃时达到最大值，而 OPCp 的抗压强度在 200℃时达到最大值。AASBp 的抗压强度提升是因为高温促进未水化 MSWI-BA 和 BFS 的进一步聚合，C-A-S-H 的聚合度提高，孔隙率降低，密实度提高。AASBp 的抗压强度降低是因为 C-A-S-H 等水化产物的分解，基体的颗粒化程度加剧，AASBp 微裂缝增多，孔隙率增大，密实度降低。

　　3)由于高温促进未水化颗粒的充分水化，未掺杂 MSWI-BA 的 AASp 在温度高于 200℃时的归一化抗压强度达到最大值;而 AASBp 在温度高于 400℃时达到最大值，这是由于 MSWI-BA 的引入提高了基体孔隙的连通性，高温后孔隙压力得到释放，以及未水化颗粒的充分水化的共同作用。因此，AASBp 的耐高温性能优于 AASp，说明掺入 MSWI-BA 可以提高碱矿渣水泥的耐高温性能。

张彬彬;马宇;梁咏宁;林毅武;季韬,福州大学土木工程学院;厦门正欣茂建设工程有限公司,202403