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开发中性水泥材料以促进植被混凝土

Kyung-Ho Lee a , Keun-Hyeok Yang

开发使用alpha;-硫酸钙半水合物（ɑ-CH）的中性粘合剂。

发现Ca(OH)₂的质量分数约为水泥含量的11％。

建立了ɑ-CH的微观结构特征和强度增益。

由于水泥的使用，很难降低混凝土的碱度。

开发的ɑ-CH粘结剂具有生产植被混凝土的潜力。

摘要

为了开发用于植被混凝土的中性粘结剂，基于硫酸半钙半水合物（ɑ-CH）的各种水泥材料的组成如下：25％和50％的ɑ-CH含量被矿物混合物部分替代;25％，50％，75％和100％被普通硅酸盐水泥（OPC）代替。使用X射线衍射分析和扫描电子显微镜研究所制备的粘合剂的水合产物和微结构特征。通过热重分析对在水合水泥质材料中形成的硅酸盐[Ca（OH）₂]相进行定量，以检查Ca（OH）2含量和浆料的pH值之间的关系。没有ɑ-CH的OPC浆料对于Ca（OH）₂相显示出几个衍射峰，而ɑ-CH浆料在对应于Ca（OH）₂的角度没有衍射峰。 Ca（OH）₂的脱水质量分数对应于每个糊剂样品中包含的水泥含量的约11％。a-CH砂浆的28天抗压强度为OPC砂浆的28％抗压强度的约55％，而没有OPC的a-CH基糊料将pH保持在6.5和6.9之间的中性水平，表明使用水泥，甚至以非常低的量，对于降低混凝土的碱度是不切实际的。ɑ-CH具有实际生产中性植被混凝土的巨大潜力。

1.介绍

使用水泥生产的混凝土通常被认为是高pH值材料，因为水合水泥产生具有pH为12.6的碱性羽流的特征的硅酸盐[Ca（OH）₂]相^[1]。水泥的高pH值有助于提高混凝土构件的耐久性和防止埋在混凝土中的钢筋的腐蚀^[2]，而混凝土中孔隙水溶液的pH值的液化不利于生态环境，因为它影响水的纯度和植物生长。虽然植被恢复混凝土技术^[3,4]和生态多孔混凝土方法^[5]已经在各种领域得到了发展，例如用于边坡保护的泡沫喷浆混凝土和建筑物和城市绿化工业的绿化屋顶花园，但是几乎没有尝试降低水泥材料pH值在植被混凝土中的价值。由于植物生长调节因子如酶组织化学，微生物学特性和离子交换催化剂在中性条件下能量活化，因此植物混凝土pH值的普遍接受的最佳值在6和8之间^[6,7]。

降低植被混凝土pH值的最大努力集中在使用矿物混合物的多孔混凝土^[8-10]。关于水泥混凝土pH的文献综述^[11,12]指出，具有高二氧化硅含量的矿物混合物在水合水泥中消耗Ca（OH）₂相是有效的。然而，添加矿物混合物部分替代水泥是一种不可行的方法，在制备pH低于11 ^[13-15]的混凝土，虽然使用去离子水测量方法的浸出分析导致长期低碱度。悬浮在蒸馏水中的水泥基混凝土的pH值在表面处趋于随时间逐渐降低，但在芯处处于静止状态，这可导致pH值变形。杨^[15]根据ASTM D4972 ^[16]使用粉末混凝土测量pH值，并证明使用大体积矿物混合物生产的混凝土变得高度碱性，pH值为11.虽然矿物混合物的火山灰反应消耗了Ca（OH）₂在水合水泥中，碱离子如Na和K逐渐结合到硅酸钙水合物（CSH）凝胶，这有助于增加水泥混凝土的pH值^[1]。总的来说，即使以非常低的量使用常规水泥，也不能保证具有中性pH值的植被混凝土的生产。

本研究尝试使用alpha;-硫酸钙半水合物（ɑ-CH）作为基础研究的一部分来开发具有中性pH值（范围在6和8之间）的粘合剂，以产生用于植物生长的人造土壤聚集体^[15]。考虑到ɑ-CH基粘结剂的成本和强度降低，使用普通波特兰水泥（OPC）和矿物混合物如飞灰（FA）和磨碎的粒状高炉矿渣（GGBS）作为ɑ-CH。根据ASTM D 4972和ASTM C39 ^[16]分别测量不同老化时制备的粘合剂的pH值和抗压强度的发展。使用X射线衍射（XRD）分析和扫描电子显微镜（SEM）跟踪所制备的粘合剂的水合产物和微结构特征。此外，通过热重量分析对在水合水泥质材料中形成的氢氧钙石[Ca（OH）₂]相进行定量，以检查Ca（OH）₂含量与使用所制备的粘合剂制备的浆料的pH值之间的关系。

图1

1. 实验细节

2.1 材料

作为初步试验，检查了各种矿物混合物在降低水合水泥基糊料的pH值中的有效性。 使用50％OPC和具有以下组成：30％GGBS 20％FA，20％GGBS 30％偏高岭土（MK）和30％GGBS 20％二氧化硅（SF）的不同矿物混合物来生产糊料。 还制备了具有100％OPC的对照糊剂。 所制备的OPC基糊料在不同时间的pH值如图1所示。不论年龄，使用各种矿物混合物制备的基于OPC的糊剂的pH值大多等于100％OPC糊剂的pH值。这表明添加具有高二氧化硅含量的矿物混合物在降低OPC基混凝土的pH值方面是不切实际的，虽然已知矿物混合物中的二氧化硅离子消耗水合水泥中的Ca（OH）₂相 。

为了在水合过程中探索具有中性pH的无水泥粘合剂，选择ɑ-CH作为源材料。为了检查在开发抗压强度和降低基于ɑ-CH的粘结剂的成本方面的效果，添加GGBS和FA作为ɑ-CH的部分替代。此外，为了检查ɑ-CH和OPC的引入，并且为了与OPC糊剂的水合产物进行比较，用25％，50％，75％和100％的OPC替换ɑ-CH。通过X射线荧光（XRF）评价的这些材料的化学组成在表1中给出。通过常规水热压法在二水合石膏（CaSO ₄·2H ₂ O）的转化下制备ɑ-CH， 120-140℃。因此，ɑ-CH主要由54.4％CaO和44.3％SO ₃组成。 OPC（ASTM I型）主要由62.8％CaO和19.6％SiO ₂组成。使用的属于ASTM C618 ^[16] F类的FA具有低的氧化钙（CaO）含量和氧化硅（SiO ₂）对氧化铝（Al₂O ₃）的质量比为2.1。 GGBS具有高的CaO含量42.8％和SiO ₂对Al₂O ₃的质量比为2.4，这符合ASTM C989 ^[16]。

表1

未反应状态下的水泥质材料的XRD图如图1所示。这些材料的SEM图像也呈现在图2中。 ɑ-CH的衍射图显示所有峰对应于半水合硫酸钙，二水石膏没有峰。 ɑ-CH晶体纵向生长，形成棒状形态。 OPC的主要相是铝酸盐（3CaO ₂ SiO ₂），并且硅酸盐（2CaO ₂·2SiO ₂）的峰图案的分布具有平缓的波形。在2theta; = 32度的阿利特峰与更强的贝利特峰重叠。OPC的微观结构可以被表征为不规则的六角形Alite晶体，如Taylor所证实^[17]。在归属于石英（SiO ₂）和莫来石（3Al 2 O 3·2SiO 2）的16lt;（2theta;）lt;65之间的角度观察到未反应的FA中的衍射图。在27°的2h角度观察到最高峰.FA主要由具有清洁表面的球形颗粒组成。 GGBS在25 度lt;（2theta;）lt;32度的衍射角处显示出三个特征峰，归因于镁黄长石（Ca2MgSi2O7）。还观察到对应于无水石膏的非常弱的峰强度，因为在矿渣的研磨过程中加入少量无水石膏。在GGBS中观察到的峰强度显着低于其它峰的强度。在GGBS的微结构中检测到许多不规则的六角形板。

图2

还测量胶凝材料的干密度和比表面积，其值如下：对于ɑ-CH为2.67g / cm ³和1400cm ² / g，对于OPC为3.15g / cm ³和3412cm ² / g，对于OPC为2.21g / cm³和3300cm² / g，对于GGBS分别为2.91g / cm³和4000cm² / g。在饱和表面干燥条件下使用局部可用的砂以生产砂浆试样，以测量所制备的粘合剂的抗压强度。使用的砂粒子的密度，等级和最大尺寸分别为2.54g / cm ³，2.97和5mm。

2.2 样品和混合物比例

在水合下研究产生中性粘合剂的主要参数在表2中给出。使用FA或GGBS将ɑ-CH部分地替换25％和50％。 在OPC的情况下，以25％的间隔将alpha;-CH含量替换为100％。因此，使用水泥材料的类型和它们的粘合剂含量组成确定表2中给出的粘合剂类型。例如，ɑ100和 C100结合剂分别表示100％ aCH和100％OPC，a75G25和a75F25结合剂分别由75％ ɑ-CH 25％GGBS和75％ ɑ-CH 25％FA组成。 用于测量pH值，水合产物，Ca（OH）₂相的配制含量和孔径分布的糊料在水与粘合剂比（W/B）为0.4下制备。用于测量粘合剂的抗压强度的砂浆在W/B为0.5和砂与粘合剂比（S/B）为3.0的条件下混合。

2.3 测试程序

根据ASTMD 4972^[16]中规定的测试程序，在不同的龄期1,3,7,14,21和28天测量糊剂的pH值。将样品破碎，将粒径小于2mm的粉末悬浮在固体与液体比为0.1的蒸馏水中。使用pH计用两个不同的电极测定pH值。对于这些测量，将样品保持在温度被控制在23plusmn;1℃的实验室中。使用尺寸为50mm的立方体在不同的时间1,3,7,14， 21和28天。根据ASTM109，使用XRD分析和热重量分析（TGA）跟踪在不同时间制造的浆料中水合相的Ca（OH）₂的进展。在Philips X#39;pert pro-MRD光谱仪上使用CuKalpha;辐射以4.2 / min的扫描速率从5至65（2theta;）记录XRD图案。还使用Hitachi S-4800场发射枪SEM观察浆料样品在1kV的加速电压下的微结构特性。使用同时装配有数据采集系统的热分析仪SDT Q600获得每个样品的热重量曲线。将固化28天的糊状样品（0.025g）以10℃/ min的加热速率从25℃加热至1000℃。热重分析法测量连续地经受稳定温度升高的样品的质量，以便定量表示为化学相的量的Ca（OH）₂分布。使用压汞孔隙率测定法（在0-230MPa的压力下）记录糊剂样品的孔径分布。使用乙醇和丙酮浸渍法在特定的测试年龄控制浆料的水合作用^[18]。将15g的糊状样品研磨，然后用丙酮和乙醇处理以防止水合过程。所有制备的浆料和砂浆试样在室温下固化。

图3

表2

1. 测试结果和讨论

3.1 28天的抗压强度

添加矿物混合物或OPC对ɑ-CH基砂浆的28天抗压强度(f_c)的影响示于图4中。图4，使用归一化值（f_c=(f_c)ɑ100），其中(f_c)ɑ100是100砂浆的28天抗压强度。从100％a-CH砂浆测得的(f_c)被评价为100％OPC砂浆的(f_c)的约55％。然而，替代ɑ-CH的OPC的加成（Rc）对ɑ-CH基砂浆的(f_c)增益几乎没有影响，显示出归一化(f_c)至Rc为50％的窄范围的波动范围。此外，砂浆ɑ25C75的(f_c)仅比伴随砂浆ɑ100的高19％。添加FA（RF）或GGBS（RG）代替a-CH降低了a-CH基砂浆的(f_c)。与砂浆ɑ100的(f_c)相比，ɑ75F25和ɑ50F50的砂浆分别具有较低值50％和70％，ɑ75G25和ɑ50G50的砂浆分别具有较低值25％和58％。这表明由于ɑ-CH的部分替换引起的(f_c)的减小对于FA比对于GGBS更显着。众所周知^[2]，水泥水化产生的Ca（OH）₂激活GGBS的潜在水力性能，驱动FA的火山灰反应，这有助于水泥混凝土的强度发展。如在以下部分中呈现的XRD图案和TGA曲线中所证明的,当Ca（OH）₂或OH-离子不形成为ɑ-CH的水合产物时，其不允许GGBS和FA的活化，这导致随着它们的添加，(f_c)的减小。

图4

3.2 抗压强度的发展

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