本文是一篇土木工程论文，本论文采用 SS 砂作为细骨料部分取代天然骨料对早期力学强度具有良好的促进效果，当取代率为 20%时，抗折和抗压强度达到最大，分别较参考组提高 16.9%、15.7%；且分析碳化后力学性能发现，在 FA/BFS-GP 砂浆中掺入 SS 砂，对其碳化后的力学性能有利。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
我国是硅酸盐水泥 (PC) 的生产和消耗大国。根据图 1-1 国家统计局公布的近十年来我国及全球水泥年产量的数据统计结果可知，我国水泥年产量占全球年产量的50%以上。目前，我国一年的水泥消耗量相当于美国在 20 世纪的总消耗量[1]。硅酸盐水泥虽然已有 200 多年的历史，但是其生产工艺仍然是传统的“两磨一烧”，属于高污染高耗能环节。若按 1.5 t 石灰石+ 200 公斤燃料+ 120kW·h 电→1t OPC + 1 tCO2 计算[2]，我国石灰石资源储量只够使用 40 年左右，绿色煤炭资源量仅够开采 40年~50 年[1]。CO2 是导致全球变暖的重要因素，而统计数据显示，现在世界 CO2 总排放量的 7%是由水泥工业排放的[3]。因此，寻找一种低能耗高环保的建筑材料来替代硅酸盐水泥迫在眉睫。
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地聚合物 (GP) 是以硅、铝质火山灰材料为原料，在碱激发剂作用下经“溶解-单体重构-缩聚”等过程，形成的一种具有三维网状结构的无机聚合物材料[4]。GP 原材料来源广泛，很多工业废材因含有大量的活性硅、铝成分，均可作为 GP 的潜在原料。GP 在消纳固废材料，变废为宝方面优势显著。此外，研究发现，制备 1 kg GP碳排放量为 0.180kg，仅为普通硅酸盐水泥 (OPC) 的 1/5，GP 混凝土制备过程中碳排放量相比 OPC 混凝土减少约 26%~45%[5]。加之其低温制备、早期强度高、耐腐蚀、耐热、阻燃且受热不释放毒气，可在 800~1 000 ℃稳定使用等优势，被认为是目前最有可能取代水泥的新型绿色胶凝材料之一[6]，在建筑、冶金、航空航天和国防等领域具有广阔的应用前景。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 GP 碳化性能研究
碳化机理受到前体类型[21~23]、所用碱性活化剂的性质和用量[24]、暴露条件[25]和固化条件等的影响。GP 中的碳化主要发生在以下两个步骤[26]：(1)孔隙溶液经过碳化导致 pH 值降低和富钠碳酸盐沉淀；(2)富钙相和系统中存在的次级产物的脱钙。这表明 GP 的抗碳化能力不仅与活性 CaO 含量有关，而且与前体（如 FA 和 GBFS）反应过程中消耗的 Na2O 含量有关[27]。
Marija Nedeljković总结了一些研究者对 GP 碳化机理的研究[7]，在 OPC 基材料中的主要反应产物是 Ca(OH)2 和 C-S-H，但在 GP 中会形成不同类型的碱性凝胶，如铝硅酸钠水合物 (N-A-S-H)、铝硅酸钙水合物 (C-A-S-H) 等。与 OPC 基混凝土相比，GP 不含氢氧化钙。造成了作为碳化的主要缓冲化合物缺乏，导致 C-A-S-H/C-N-A-S-H凝胶更快的脱钙，因此与 OPC 混凝土相比，GP 的碳化过程更快。
陈晓星等[28]通过研究发现，在碱激发矿渣砂浆中并未产生 Ca(OH)2，碳化产生的CaCO3 主要来自于水化产物 C-S-H 凝胶，凝胶数量的降低造成了孔隙率的增加[29]从而判断碱激发矿渣碳化过程与普通砂浆不同；M. Palacios[30]通过结合微观分析手段研究发现除了 C-S-H 凝胶的脱钙反应，Al 可能会代替 C-S-H 凝胶中的部分 Si，形成C-A-S-H 凝胶，参与碳化反应；而 T. Bakharev 等[31]则认为，CO2 直接与 C-S-H 凝胶反应。
Bernal 等[21]发现粉煤灰基地聚物的主要产物 N-A-S-H 不会通过碳化分解；而矿渣基地聚物的产物 C-A-S-H 会直接与 CO2 发生脱钙反应生成 CaCO3，同时聚合产物中水滑石结合 CO32-并减缓 CO2 的入侵；原元[32]也发现高钙型地聚合物混凝土的主要成分 C-A-S-H 会与 CO2 反应发生分解导致孔隙率增大，抗碳化能力薄弱。
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第 2 章 试验原材料、方法及设备
2.1 原材料
2.1.1 粉煤灰
本试验所使用的粉煤灰来源于石家庄市桥西区上安电厂的二级粉煤灰。原材料如图 2-1 a)，利用 SEM 扫描电子显微镜测得微观形貌如图 2-1 b)。密度为 2.12g/cm3，测得粉末 PH 值为 6.6。利用 XRF 分析仪分析其化学成分如表 2-1。
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2.2 试验方法
2.2.1 地聚合物砂浆的制备
进行砂浆搅拌之前，为了防止搅拌锅吸水，用湿抹布擦拭搅拌锅及搅拌叶，达到稍微湿润的效果。
地聚合物成型试块制备的流程图如图 2-6 所示。制备步骤如下：
(1) 所用碱性激发剂在实验室提前 24h 制备完成，待充分反应至试验开始；
(2) 按照比例加入原材料，干搅 60s 混合均匀后，加入提前制备好的碱激发剂先慢速搅拌 60s，然后快速搅拌 120s 制得砂浆试块。
(3) 将新拌好的砂浆分两层倒入 40×40×160cm3 试模中，在振动台（图 2-7 a)）上振实 60s 以排除试块中的气体。
(4) 将振实后的试块带模放入养护室中养护。
(5) 养护室养护 1d 后采用脱膜机（图 2-7b)）进行脱膜，然后继续放入养护室养护至规定龄期进行相应试验。
2.2.2 流动性
搅拌完成后，根据规范 GB/T 8077-2012 立即对 GP 砂浆进行流动性试验。试验所用截锥圆模如图 2-8 所示，顶部直径为 30mm，底部直径为 60mm，高度为 60mm。首先，将截锥圆模按图 2-8 所示放置在直径为 500mm 的玻璃板中心。其次，将新拌GP 砂浆装入模具，敲击后，刮去顶部多余砂浆。随后向上提起试模，30s 后测量两个方向直径，最后取两个方向直径的算术平均值作为流动性评价指标，记为流动度(mm)。
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第 3 章 钢渣粉对粉煤灰-矿渣基地聚合物性能影响.................................25
3.1 试验设计.......................................25
3.2 结果分析.....................................26
第 4 章 钢渣砂对粉煤灰-矿渣基地聚合物性能影响..................................43
4.1 试验设计........................................43
4.2 结果分析............................................44
第 5 章 纳米材料对粉煤灰-矿渣基地聚合物性能影响...........................65
5.1 试验设计...........................................65
5.2 结果分析.............................................65
第 5 章 纳米材料对粉煤灰-矿渣基地聚合物性能影响
5.1 试验设计
基于现有文献结论，设计以外加剂的方式在 FA/BFS-GP 中添加高细度纳米材料SiO2 和 TiO 2，添加比例设 3%和 5%两种，对比不掺加纳米材料实验组，研究纳米材料对 FA/BFS-GP 性能尤其是其抗碳化能力的改善作用。试验采用的纳米 SiO2 和纳米TiO 2 均购于灵寿县琳阳矿产品加工厂，密度分别为 3.59g/cm3 和 2.74 g/cm3，细度均在 30nm 左右，见图 5-1。
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结论与展望
结论
本论文主要针对 FA/BFS-GP 进行研究，通过分析钢渣粉、钢渣砂及纳米材料的加入对 FA/BFS-GP 工作性能、力学强度及耐久性能尤其是抗碳化性能的影响情况进行分析，并结合微观分析其影响机理，通过试验研究得出以下结论：
(1) 当使用 SS 粉部分取代 BFS 时，不利于 FA/BFS-GP 力学强度及抗碳化性能的发展；加速碳化到第 7d 时，碳化深度分别较参考组大 9.8%、28.5%、62.6%。当SS 粉取代 BFS 为 15%时，微观结构整体表现为松散的多孔状，反应产物相对较少，无法有效的填充孔隙，结构表面仍然有大量未反应的原材料，并且颗粒间的连接性较弱，存在较为明显的棱角。
(2) 保持 BFS 掺量 30%不变的情况下，可以提高 FA/BFS-GP 的早期强度，当掺量为 10%时，抗折强度及抗压强度分别增加了 23.7%、11.5%。后期抗压强度仍然能保持在 60MPa 以上；且碳化程度与参考组基本相当，但可以起到明显的减缩效果，10f’、20f’的 28d 收缩率分别较参考组下降 87.5%、90%，且碳化后不会改变收缩趋势；其结构比较致密和均匀，由水化产生的凝胶物质将 FA、BFS、SS 颗粒包裹，形成了一个较为完整的整体。
(3) 采用 SS 砂作为细骨料部分取代天然骨料对早期力学强度具有良好的促进效果，当取代率为 20%时，抗折和抗压强度达到最大，分别较参考组提高 16.9%、15.7%；且分析碳化后力学性能发现，在 FA/BFS-GP 砂浆中掺入 SS 砂，对其碳化后的力学性能有利。
(4) SS 砂的掺入可以显著提高 FA/BFS-GP 抗碳化性能，并且随着取代率的增加，抗碳化性能逐渐增大；当 SS 砂掺量达到 30%时，对于工况 1 条件下，加速碳化 3d，5d，7d 后的碳化深度分别较参考组降低了 30%，37.5%，40%；对于工况 2 条件下，加速碳化 3d、5d、7d 后的碳化深度分别较参考组降低了 70%、57.8%、51.2%。XRD结果表明，SS 砂的加入不会改变 FA/BFS-GP 的主要衍射峰；且 SS 砂的掺入可以显著提高 FA/BFS-GP 微观结构的致密性，由压汞试验结果也进一步得到证明；TG 结果表明，试样碳化前基体中就存在一定量的碳酸钙，与 XRD、FT-IR 结果相符。
参考文献（略）