作者介绍

• 通讯作者

卢子臣 副教授

同济大学

同济大学材料科学与工程学院副教授，博士生导师，清华大学土木工程系博士，埃朗根-纽伦堡大学访问学者，柏林工业大学建筑材料与建筑化学所助理研究员。2021年7月入职同济大学材料学院。以第一/通讯作者发表SCI论文30余篇。获各类科协奖项7项。其研究领域为混凝土化学外加剂对水泥基材料早期工作性能的影响机理与功能调控。研究方向包括新型混凝土外加剂、水泥基材料水化与流变、水泥基材料早期功能调控等。

• 第一作者

潘晔 博士

同济大学

同济大学材料科学与工程学院博士研究生。主要从事水泥化学、聚合物改性水泥基材料方面的研究。

文章导读

煤矸石作为中国最大的工业固体废弃物之一，储量超过70亿吨，引发了土地占用、环境污染等各种问题。面对这种情况，如何有效利用堆放的煤矸石已成为公众关注的问题。在建筑材料领域中，限制煤矸石应用的一个障碍是其较低的活性。许多研究已经证明，煅烧是提高煤矸石活性的一种有效方法。因此，利用煅烧的手段来提高煤矸石的利用率是解决煤矸石堆积的一种有前景的方法。此外，偏高岭土作为一种高活性的碱激发前驱体，仍然具有价格高、环境效益低、需水量高等缺点。因此，将煤矸石和偏高岭土结合起来制备高性能的碱激发材料可能是一种双赢的策略。

同济大学材料科学与工程学院的卢子臣副教授及其团队在 Materials 期刊发表了文章Investigation of Using Calcined Coal Gangue as the Co-Blended Precursor in the Alkali-Activated Metakaolin，在本研究中，对使用煅烧煤矸石作为碱激发偏高岭土的共聚前驱体的潜能进行了深入研究，以证明使用煅烧煤矸石作为绿色原材料，来制备碱激发材料的可行性。

主要内容

本研究使用煅烧煤矸石部分替代偏高岭土，并研究了不同替代量的碱激发煅烧煤矸石混合偏高岭土的性能，包括流变行为、凝结时间和抗压强度。此外，还采用了量热法、X射线衍射法 (XRD)、热重分析法 (TGA) 和汞孔隙率法 (MIP) 试验，以更好地了解其反应过程和微观结构的发展。

图1显示了不同煅烧煤矸石替代比例的浆体在制备5分钟后的剪切应力曲线。此外，还根据曲线拟合情况应用H-B模型计算了流变学参数。如图1 (a) 所示，随着碱激发材料中煅烧煤矸石含量的增加，曲线斜率下降，这表明制备浆体的粘度随着煅烧煤矸石含量的增加而降低。此外，所有浆体的幂律指数n始终大于1，这表明浆体是剪切增稠流体。计算得出的粘度和屈服应力如图1 (b) 所示。可以发现，随着煅烧煤矸石用量的增加，浆体的屈服应力和粘度分别从4.68 Pa和9.66 Pa·s降至1.57 Pa和4.27 mPa·s (55.8%)。随着煅烧煤矸石用量的增加，颗粒间的相互作用减弱，从而降低了浆体的触变性和粘度。

图1. (a) 不同新拌浆体的剪切速率-剪切应力曲线；(b) 屈服应力和粘度。

不同煅烧煤矸石替代率的碱激发材料浆体的凝结时间如图2 (a) 所示。显然，煅烧煤矸石替代率的增加延长了碱激发材料浆体的凝结时间，这可能是由于煅烧煤矸石的活性低于偏高岭土。

在固化3、7和28 d后，测试了不同煅烧煤矸石替代率的样品的抗压强度，结果如图2 (b) 所示。结果表明，随着替代率的增加，硬化碱激发材料浆体的抗压强度逐渐降低，尤其是在3 d和7 d时。相较于参照样，用50%煅烧煤矸石代替偏高岭土 (命名为C5) 的样品在3 d和7 d的强度损失分别可达44.0%和38.1%。通常，碱激发材料的机械性能与前驱体的反应活性高度相关。尽管煅烧后煅烧煤矸石的活性高于煤矸石，但仍存在大量不参与反应的惰性相，如石英，这降低了硬化浆体的抗压强度。然而，在固化28 d后，与C0相比，强度损失显著降低，C0仅为19.2%。这表明，煅烧煤矸石的存在可能对硬化碱激发材料在早期的机械性能不利，这被认为是由煅烧煤矸石的低活性引起的。然而，从长远来看，C5的强度可以逐渐提高，28 d的抗压强度可以接近60 MPa，这足以满足许多工程应用。

图2. (a) 煅烧煤矸石的替代率对凝结时间的影响；(b) 碱激发偏高岭土与煅烧煤矸石共混物的抗压强度。

为了更好地了解碱激发材料与煅烧煤矸石共混物的机械性能，用MIP表征了固化3 d和28 d后硬化样品的微观结构，然后在图3中显示了孔径分布和累积孔隙率。一般来说，根据孔隙对混凝土性能的影响，硬化混凝土中的孔隙可分为四种类型，即无害孔隙 (<20 nm)、危害较小的孔隙 (20—50 nm)、有害孔隙 (50—200 nm) 和危害较大的孔隙 (>200 nm)。如图3所示，几乎所有的孔隙都在20 nm以下，这表明碱激发偏高岭土形成了致密的结构，特别是在固化28 d后，这与抗压强度的结果相符。

图3. 碱激发的偏高岭土共混煅烧煤矸石在 (a) 3 d；(b) 28 d龄期时的孔隙分布，其中1指累积孔隙体积，2指增量孔隙体积。

研究总结

在这项研究中，煅烧煤矸石被作为碱激发偏高岭土的共聚前驱体来制备碱激发材料。可以得出以下结论：

随着煅烧煤矸石对偏高岭土替代量的增加，所制备浆体的流动性增加了28.1%，粘度最多降低了55.8%，这可以降低仅用偏高岭土制备的碱激发材料的高粘度和需水量。此外，随着煅烧煤矸石对偏高岭土替代量的增加，凝结时间延长了31.8%，这可能是由于煅烧煤矸石的活性比偏高岭土低。尽管煅烧煤矸石对硬化碱激发材料浆体的抗压强度有一定的负面影响，尤其是在3 d和7 d龄期时，但由于煅烧煤矸石的持续反应，这种负面影响在固化后期逐渐消失。所有这些结果都有力地证明了使用煅烧煤矸石作为制备碱激发材料的一种潜在材料的可行性。除性能评估之外，还对反应过程、反应产物和微观结构进行了深入分析。研究发现，用煅烧煤矸石制备的碱激发材料在前3 d内反应过程缓慢，但同时也发现加入煅烧煤矸石作为共聚前驱体可以产生一定量的新反应产物，即C-A-S-H和半碳酸盐。虽然含有煅烧煤矸石的样品在龄期较早时结构较为疏松，但在龄期较晚时形成的新反应产物可进一步降低孔隙率并提高其长期强度。

原文出自 Materials 期刊：https://www.mdpi.com/2879868

进入期刊英文主页：https://www.mdpi.com/journal/materials

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

2023 Impact Factor：3.1(JCR Q1*, Q2**)

2023 CiteScore：5.8

Time to First Decision：15.5 Days

Acceptance to Publication：3.4 Days

*JCR Q1 - "Metallurgy and Metallurgical Engineering";**JCR Q2 - "Materials Science, Multidisciplinary"