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【原】Cement Concrete Res. ：含高吸水性聚合物碱激发矿渣体系的裂缝自修复能力

2023-06-07 11:53:26 来源：个人图书馆-智慧土木

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Cement Concrete Res. ：含高吸水性聚合物碱激发矿渣体系的裂缝自修复能力

题目

Self-healing ability of cracks in alkali-activated slag systems incorporatingsuperabsorbent polymers

含高吸水性聚合物碱激发矿渣体系的裂缝自修复能力

关键词

碱激发矿渣；内养护；自修复；自愈合；高吸水性聚合物

来源

出版年份：2023年

来源：Cement and Concrete Research

课题组：同济大学材料科学与工程学院孙振平课题组、比利时根特大学Nele De Belie课题组和比利时布鲁塞尔自由大学Didier Snoeck课题组

研究背景

碱激发矿渣（AAS）作为一种环保型胶凝材料，在某些特定应用中是一种很有前途的硅酸盐水泥替代材料。与硅酸盐水泥相比，AAS体系水泥具有更高的抗压强度、更好的耐化学性和防火性等优点，但其收缩率更大，存在开裂风险。特别是当水玻璃作为碱激发剂时，AAS体系容易产生裂缝，使得有害物质容易进入其内部结构，导致其性能进一步恶化。因此，高收缩率是限制AAS材料广泛应用的瓶颈。内养护可有效地减少硅酸盐水泥和AAS体系的自收缩。高吸水性聚合物（SAPs）是最有前途和应用最广泛的内养护材料。当SAPs掺入混凝土后，释放水分补充混凝土中水化反应和蒸发所消耗的自由水，减轻混凝土内部相对湿度下降，从而降低毛细压力，减少自收缩。已有研究表明，SAPs还可提高硅酸盐水泥的裂缝自修复能力。

研究出发点

SAPs促进裂缝自修复的研究仍局限于硅酸盐水泥体系，其对AAS体系的裂缝自修复能力影响仍不清晰。

研究内容

本文旨在通过实验评估4种不同含SAPs的AAS体系的自修复能力。具体为：研究了水玻璃激发矿渣（WG-AAS）体系、Na2CO3激发矿渣（SCAAS）体系、Ca(OH)2激发矿渣（CH-AAS）体系和Na2CO3+ Ca(OH)2激发矿渣（SCCH-AAS）体系中含裂缝AAS试样的抗压强度、透水性、裂缝视觉闭合以及裂缝修复机制。

图1 样品制备流程

图2不同AAS体系砂浆试件的抗压强度

图3 参考样品和含1.0 wt%SAPs样品的显微图像

图4（a）水和（b）Na2CO3溶液再激发AAS浆体粉末的累积放热量

图5原始AAS净浆（红色曲线）以及水（橙色曲线）和Na2CO3（蓝色曲线）激发矿渣后的XRD谱图

图6 裂缝内部扫描电镜（SEM）图像：（a）WG-SAP1.0；（b）SC-SAP1.0；（c）CH-SAP1.0；（d）SCCH-SAP1.0

图7 裂缝自修复机理示意：（a）WG-AAS体系；（b）SC-AAS和SCCH-AAS体系；（c）CH-AAS体系

主要结论

本文对4种经高吸水性聚合物（SAPs）改性的碱激发矿渣（AAS）体系（水玻璃激发矿渣（WG-AAS）体系、Na2CO3激发矿渣（SCAAS）体系、Ca(OH)2激发矿渣（CH-AAS）体系和Na2CO3+ Ca(OH)2激发矿渣（SCCH-AAS）体系）的自修复能力进行了实验研究，主要结论如下：

（1）SAPs的加入在不同程度上降低了各AAS体系的抗压强度，但随水化龄期增加，较参考样品，SAPs对抗压强度的提高效果更为显著；由于WG-AAS体系具有致密结构，故其具有优异的抗压强度，但其优异的抗压强度限制了Ca2+从砂浆基体中浸出，导致了其裂缝自修复能力较差。

（2）WG-AAS体系的裂缝自修复能力最差，归因于Ca2+浸出困难以及形成碳酸盐沉淀的CO32-只能从空气中获得；CH-AAS体系的Ca2+最易浸出，但CO32-来源（只能从空气中获得）限制了碳酸盐沉淀形成；在SC-AAS和SCCH-AAS体系中，碱激发剂的CO32-为碳酸盐沉淀形成提供了更多可能性。

（3）碳酸盐沉淀形成是影响AAS体系裂缝自修复的主因，而非AAS的进一步水化作用；CO32-对于碳酸盐沉淀形成必不可少，但使用Na2CO3溶液进行干湿修复并非促进裂缝自修复的有效策略；碱溶液确实促进了AAS的进一步水化，但碳酸盐沉淀形成与此并不显著相关。

（4）在AAS体系中使用SAPs增强其裂缝自修复能力主要与SAPs在裂缝处的溶胀作用以及随后促进碳酸盐沉淀形成有关；这很大程度上取决于碱激发剂的类型；对于WG-AAS体系而言，裂缝自修复很难实现，故添加SAPs并无多大作用。

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