中國報告大廳網(wǎng)訊，近年來，全球可持續(xù)發(fā)展理念推動建筑行業(yè)向低碳化、高性能化轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)水泥材料因高碳排放逐漸難以滿足需求，堿激發(fā)材料憑借低碳排放和優(yōu)異力學(xué)性能，成為新型建筑材料領(lǐng)域的重要方向。在堿激發(fā)材料體系中，鋁礬土作為富含活性氧化鋁的原料，與硅藻土搭配使用時，能通過協(xié)同作用提升材料性能，為建筑材料創(chuàng)新提供了新路徑?；诖?，針對堿激發(fā)硅藻土 / 鋁礬土膠凝材料的制備與性能展開了系統(tǒng)研究，探究不同條件對該材料的影響，以挖掘鋁礬土行業(yè)在新型膠凝材料中的應(yīng)用潛力。以下是2025年鋁礬土行業(yè)技術(shù)分析。
《2025-2030年全球及中國鋁礬土行業(yè)市場現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報告》指出，研究所用硅藻土呈粉末狀，具有硅藻殼壁微孔結(jié)構(gòu)，其化學(xué)組成中二氧化硅含量為 84.67%、三氧化二鋁含量為 2.78%、氧化鈣含量為 0.11%、三氧化二鐵含量為 0.51%、氧化鎂含量為 0.37%、氧化鉀含量為 0.23%、三氧化硫含量為 0.19%、氧化鈉含量為 0.29%、二氧化鈦含量為 0.09%;鋁礬土的化學(xué)組成中二氧化硅含量為 33.62%、三氧化二鋁含量為 61.57%、氧化鈣含量為 0.09%、三氧化二鐵含量為 0.49%、氧化鎂含量為 0.001%、氧化鉀含量為 0.05%、三氧化硫含量為 0.001%、氧化鈉含量為 0.001%、二氧化鈦含量為 2.4%。堿激發(fā)劑由氫氧化鈉和水玻璃配制而成，水玻璃模數(shù)為 2.3，其中氧化鈉含量為 13.75%，二氧化硅含量為 29.99%，氫氧化鈉為分析純。
為提高硅藻土活性，分別對其進(jìn)行 400℃、500℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、900℃、1000℃煅燒 2h，隨后迅速取出放在空氣中急冷，待材料降至室溫后進(jìn)行機(jī)械粉磨，得到活化硅藻土。通過 XRF 測定不同煅燒溫度下硅藻土的氧化物含量發(fā)現(xiàn)，隨著煅燒溫度升高，硅藻土中二氧化硅和三氧化二鋁含量逐漸增加，如 400℃煅燒時二氧化硅含量為 90.28%、三氧化二鋁含量為 3.28%，600℃煅燒時二氧化硅含量為 92.10%、三氧化二鋁含量為 3.12%，1000℃煅燒時二氧化硅含量為 94.31%、三氧化二鋁含量為 3.38%。同時，活性指數(shù)測試結(jié)果顯示，硅藻土火山灰活性隨煅燒溫度升高呈先增后降趨勢，未煅燒時活性指數(shù)為 0.66，600℃時達(dá)到峰值 1.47，700℃及以上時逐漸下降，1000℃時降至 1.14，由此確定 600℃煅燒 2h 為硅藻土最佳活化條件。
運用對比強(qiáng)度法檢測硅藻土 - 鋁礬土不同配比的火山灰活性，設(shè)定的配比分別為 0:0(對照組)、10:0、9:1、8:2、7:3、6:4、5:5、4:6、3:7、2:8、1:9、0:10。試驗結(jié)果顯示，隨著硅藻土和鋁礬土比例調(diào)整，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度在配比 10:0 至 7:3 之間逐漸提升，配比 10:0 時抗壓強(qiáng)度最高達(dá) 58.15MPa，配比 7:3 時抗折強(qiáng)度達(dá)到峰值 10.32MPa;抗壓活性指數(shù)在配比 7:3 時達(dá)到最高 1.47，抗折活性指數(shù)在配比 10:0 時達(dá)到最大值 1.23。由于硅藻土吸水性較高，摻量過大(>50%)會造成較高的水膠比(>0.6)，因此選取火山灰活性指數(shù)大于 0.85 的組別，最終確定硅藻土與鋁礬土比例范圍為 3:7~5:5，該范圍內(nèi)的二元體系能在保證活性的同時，避免攪拌過程中出現(xiàn)較大需水量問題。
基于前期試驗探索，設(shè)定硅藻土 / 鋁礬土復(fù)合體系(二元體系)中硅藻土摻量分別為 35%、40%、45%、50%;水膠比在 0.4~0.55 之間，具體為 0.40、0.45、0.50、0.55;堿當(dāng)量范圍為 4%~7%，即 4%、5%、6%、7%;堿激發(fā)劑模數(shù)設(shè)定在 0.6~1.3，分別為 0.6、0.8、1.0、1.3，形成四因素四水平的正交試驗方案。
依據(jù)正交試驗配合比制備水泥凈漿試件，攪拌工藝為：干粉慢攪 1min，加入堿激發(fā)劑后慢攪 5min，再快攪 3min，靜停 1min 使?jié){體混合均勻，最后快攪 2min，總過程共計 12min。攪拌完成后將漿體裝入 40mm×40mm×160mm 模具，振動成型，覆膜防止水分蒸發(fā)，隨后將試件帶模在蒸養(yǎng)箱中(60℃)養(yǎng)護(hù) 24h，脫模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至 28d。
堿激發(fā)硅藻土 / 鋁礬土膠凝材料養(yǎng)護(hù) 7d 和 28d 的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度試驗結(jié)果顯示，不同配比對膠凝材料力學(xué)性能影響顯著。抗壓強(qiáng)度方面，B1 組和 C2 組表現(xiàn)最佳，7d 時分別為 26.32MPa 和 25.91MPa，28d 時為 23.36MPa 和 23.46MPa;D4 組表現(xiàn)最差，7d 時僅為 1.25MPa，28d 為 1.19MPa。抗折強(qiáng)度變化趨勢與抗壓強(qiáng)度相似，B1 和 C2 組同樣表現(xiàn)出較高的抗折強(qiáng)度，而 D4 組抗折強(qiáng)度明顯較低，28d 僅為 0.41MPa。此外，隨著養(yǎng)護(hù)時間增加，部分組別出現(xiàn)強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象，即 28d 抗壓和抗折強(qiáng)度較 7d 時稍有降低，這是由于水化反應(yīng)進(jìn)行過程中，膠凝材料內(nèi)部相對濕度下降，加劇了堿激發(fā)材料內(nèi)部收縮，在養(yǎng)護(hù)后期基體內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋所致。
采用極差分析法，以 28d 膠凝材料抗折強(qiáng)度為極差指標(biāo)分析正交試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示各因素對膠凝材料力學(xué)性能影響程度從大到小依次為：堿當(dāng)量 > 水膠比 > 激發(fā)劑模數(shù) > 硅藻土摻量。具體來看，隨著水膠比增加，膠凝材料強(qiáng)度呈下降趨勢，水膠比較低時體系內(nèi) [SiO?]??含量增多，反應(yīng)產(chǎn)物中較大鍵能的硅氧鍵占比大，有效提高膠凝材料力學(xué)性能，而水膠比增加會使膠凝材料流動性增加，多余水分留存基體內(nèi)部并隨反應(yīng)演變成毛細(xì)孔，導(dǎo)致材料硬化后孔隙率上升，強(qiáng)度降低;隨著硅藻土摻量、堿當(dāng)量和激發(fā)劑模數(shù)增加，膠凝材料強(qiáng)度均呈先升后降趨勢，硅藻土摻量增加初期能促進(jìn)水化反應(yīng)生成更多膠凝物質(zhì)，但過量會因吸水性導(dǎo)致需水量增加，堿當(dāng)量提高有助于粉體顆粒溶解，但過高 OH?濃度會延緩凝結(jié)時間，激發(fā)劑模數(shù)增大可促進(jìn)固化、降低孔隙率，可模數(shù)過大也會延緩凝結(jié)，進(jìn)而影響強(qiáng)度。
對正交試驗中不同二元膠凝材料的 XRD 圖譜分析發(fā)現(xiàn)，堿激發(fā)硅藻土 / 鋁礬土二元膠凝體系的主要產(chǎn)物包括氧化鋁、莫來石和水化硅鋁酸鈉(N-A-S-H)，其中 N-A-S-H 是堿激發(fā)材料的主要產(chǎn)物。XRD 圖譜顯示膠凝材料在 2θ=22° 出現(xiàn) N-A-S-H 的特征峰，特征峰逐漸變得寬大，不同組別的峰強(qiáng)未受到顯著影響;在 2θ=27° 處存在莫來石特征峰，部分組別的該特征峰開始變得尖銳，表明合成的膠凝材料具有較好的結(jié)晶度，同時在 2θ=33°、41°、43°、57° 識別到了特征峰。對比不同組別可知，B1、C2 組別的特征峰峰強(qiáng)普遍高于 D4 組，具有結(jié)晶度較高的 N-A-S-H，這與 B1、C2 組較好的力學(xué)性能相契合;而 B4、C3、D4 組別的圖譜在 48°、67° 出現(xiàn)雜峰，75° 左右由眾多小衍射峰轉(zhuǎn)化為彌散峰，對力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。
正交試驗 B1、C2、D4 組水化 28d 的微觀形貌能譜分析顯示，B1、C2、D4 組均能識別出典型的 N-A-S-H 堆積的微觀形貌結(jié)構(gòu)。相較于 D4 組表面不平整且脆弱的松散結(jié)構(gòu)，B1、C2 組表面裂縫明顯減少，孔結(jié)構(gòu)得到良好改善，界面連接處形成了較多的 N-A-S-H 凝膠，使得基體更加致密，且 B1、C2 組樣品呈現(xiàn)出較好的膠凝結(jié)構(gòu)，這在強(qiáng)度測試結(jié)果中也得到了證實。從能譜分析可知，D4 組出現(xiàn)較明顯的 Si 元素聚集現(xiàn)象，因此表現(xiàn)出較低的抗壓和抗折強(qiáng)度;B1 組和 C4 組的堿當(dāng)量分別為 6% 和 7%，其 N-A-S-H 凝膠更加致密，力學(xué)性能更好。
硅藻土的火山灰活性在 600℃煅燒 2h 后達(dá)到最佳狀態(tài)，此時硅藻土的火山灰活性指數(shù)從 0.85 提升至 1.47，增幅達(dá) 123%;硅藻土與鋁礬土行業(yè)的混合體系表現(xiàn)出較高的火山灰活性，抗壓和抗折活性指數(shù)最高分別可達(dá) 123% 和 140%，且當(dāng)硅藻土與鋁礬土配比在 3:7~5:5 范圍時，能在保證活性的同時避免較大需水量。
影響堿激發(fā)硅藻土 / 鋁礬土膠凝材料力學(xué)性能的主要因素依次為堿當(dāng)量、水膠比、水玻璃模數(shù)和硅藻土摻量，通過正交試驗極差分析確定該膠凝材料最佳配合比為硅藻土與鋁礬土的質(zhì)量比為 4:6，水膠比為 0.4，堿當(dāng)量為 6%，激發(fā)劑模數(shù)為 1.0，在此配比下材料力學(xué)性能最優(yōu)，B1 組 7d 抗壓強(qiáng)度達(dá) 26.32MPa，為所有組別最高。
堿激發(fā)硅藻土 / 鋁礬土體系主要水化產(chǎn)物為 N-A-S-H 凝膠，該膠凝產(chǎn)物結(jié)晶度較高，能有效提升材料的微觀結(jié)構(gòu)致密性，減少裂縫產(chǎn)生，進(jìn)而增強(qiáng)材料力學(xué)性能;SEM 分析顯示，最佳配比下的膠凝材料表現(xiàn)出顯著的致密性和較高強(qiáng)度，進(jìn)一步驗證了其優(yōu)異的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)。
堿激發(fā)硅藻土 / 鋁礬土膠凝材料在養(yǎng)護(hù)過程中，部分組別會出現(xiàn)強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象，即 28d 強(qiáng)度較 7d 強(qiáng)度略有下降，這主要是由于水化反應(yīng)導(dǎo)致材料內(nèi)部相對濕度降低，引發(fā)內(nèi)部收縮并產(chǎn)生微裂紋所致，后續(xù)研究可針對這一問題探索優(yōu)化養(yǎng)護(hù)工藝。
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