O revizuire a caracteristicilor de rezistență și rezistență ale betonului de zgură activat cu alcali

Abstract

Zgura activată cu alcali (AAS) este o alternativă promițătoare la cimentul Portland obișnuit (OPC) ca liant unic pentru structurile din beton armat. OPC este responsabil pentru peste 5% din emisiile globale de CO2. În plus, zgura este un subprodus industrial care trebuie umplut cu pământ dacă nu este refolosit. Prin urmare, a fost studiat de mulți anchetatori ca un înlocuitor ecologic al OPC. În plus față de reciclare, AAS oferă proprietăți favorabile betonului, cum ar fi dezvoltarea rapidă a rezistenței la compresiune și rezistența ridicată la atacul cu sulfat. Unele dintre deficiențele potențiale ale AAS includ contracția ridicată, timpul scurt de setare și rata ridicată de carbonatare. Utilizarea zgurii de furnal granulat (GGBS) ca alternativă la OPC necesită activarea acestuia cu compuși cu alcalinitate ridicată precum hidroxid de sodiu (NaOH), sulfat de sodiu (Na2SO3), carbonat de sodiu (Na2CO3) sau o combinație a acestor compuși, cum ar fi NaOH și Na2SO3. Mecanismul activării alcaline nu este încă pe deplin înțeles și sunt necesare cercetări suplimentare. Această lucrare prezintă proprietățile, avantajele și deficiențele potențiale ale betonului AAS.

1. Introducere

Înlocuirea cimentului cu subproduse industriale alternative caracterizate prin procente mari de alumină și silice (aluminusilicați) activate cu alcalii a fost cercetată de zeci de ani, dar câștigă popularitate în prezent datorită interesului crescut pentru reducerea amprentei de mediu a producției de ciment. Aluminusilicații, cele mai frecvent utilizate materiale sursă ca alternative la cimentul Portland obișnuit (OPC), conțin cantități relativ mari de oxid de siliciu (SiO2) și oxid de aluminiu (Al2O3) [1]. În ciuda anumitor deficiențe în comparație cu betonul OPC, cum ar fi carbonatarea ridicată și contracția, betonul AAS oferă multe oportunități industriei construcțiilor în ceea ce privește durabilitatea și dezvoltarea ridicată a rezistenței timpurii. Dezvoltarea ridicată a rezistenței timpurii, în special, face din AAS o alternativă viabilă la OPC pentru cimentarea puțurilor de apă adâncă [2].

GGBS anhidru (zgură de furnal granulat măcinat) conține cantități mai mari de SiO2 comparativ cu OPC (30,04-35,04% în GGBS comparativ cu 19,9-24,9% în OPC) și cantități mai mari de CaO (33,7-43,84% în GGBS comparativ cu 62,1%) . Al2O3 este, de asemenea, mai mare în GGBS comparativ cu OPC (14,63-16,7% în GGBS și 4,95% în OPC). Procesele de răcire și granulare a apei asociate cu fabricarea GGBS produc material amorf sticlos, așa cum s-a demonstrat prin microscopul electronic cu scanare (SEM) 2θ imagini care prezintă o cocoașă între 25 ° și 35 °. Aceeași observație a fost observată cu privire la imaginile GGBS anhidre obținute din difractometre cu raze X (XRD) care prezintă material sticlos cu cantități neglijabil de mici de material cristalin [3]. În general, GGBS este mult mai fin (finețe mai mare de 350 m 2/kg) în comparație cu OPC, ceea ce crește reactivitatea și dezvoltarea rezistenței la vârste mici.

Alte aluminusilicați populari includ cenușa zburătoare și metacoalina. Pentru a obține proprietățile mecanice dorite, cenușa zburătoare ca activator necesită o doză mai mare de oxid de sodiu și întărire la temperaturi ridicate comparativ cu zgura granulată de furnal (GGBS) [4,5]. În cea mai mare parte, GGBS poate fi utilizat ca liant unic în producția de beton dacă este activat de o soluție alcalină cu pH mai mare. În comparație cu betonul OPC, betonul cu zgură activată cu alcalin (AAS) oferă mai multe avantaje, inclusiv dezvoltarea rezistenței ridicate și rapide și rezistența la atacuri chimice [6]. Zgura poate fi activată folosind diverși compuși alcalini precum hidroxid de sodiu (NaOH), carbonat de sodiu (Na2CO3), hidroxid de potasiu (KOH), silicat de sodiu sau combinații ale acestor alcali. Se raportează că silicatul de sodiu este un activator mai eficient în ceea ce privește dezvoltarea rezistenței în comparație cu carbonatul de sodiu [7].

Dacă nu este abordat, setarea rapidă a betonului AAS îl face nepotrivit pentru practica de construcție. Teste efectuate de Li și colab. [8] a indicat faptul că utilizarea carbonatului de sodiu (Na2CO3) pentru a înlocui o parte din silicat de sodiu (cu un conținut echivalent de Na2O) prelungește timpii de fixare a betonului AAS, dar și dezvoltarea rezistenței la compresiune a fost încetinită. Cu toate acestea, rezistența betonului în care a fost activată zgura folosind Na2CO3 a continuat să crească dincolo de 28 de zile, iar panta curbei de creștere a continuat să crească și ea [9].

Atunci când se dezvoltă AAS, este adesea avantajos să combinați GGBS cu alte materiale cimentare pentru a spori proprietățile mecanice și durabilitatea. S-a constatat că înlocuirea parțială a GGBS în betonul AAS sau OPC cu fum de silice îmbunătățește rezistența la compresiune [10]. Fumul de silice este totuși un produs secundar relativ scump la fabricarea aliajelor de siliciu și ferosilicon din cuarț de înaltă puritate și cărbune într-un cuptor electric cu arc scufundat. SiO gazos care scapă se oxidează și se condensează sub formă de particule sferice extrem de fine de silice amorfă (SiO2). Motivația utilizării acestuia cu OPC este că silica sub formă de sticlă (amorfă) este foarte reactivă, iar micimea particulelor accelerează reacția cu hidroxid de calciu produs de hidratarea cimentului Portland. Particulele foarte mici de fum de silice pot pătrunde în spațiul dintre particulele de ciment și astfel pot îmbunătăți ambalarea.

2. Activatori alcali și produse de hidratare ale AAS

2.1. Activatori alcali

Dezvoltarea rezistenței la compresiune a probelor de mortar de 16 mm × 16 mm × 160 mm de zgură activată cu alcalin (AAS) activate cu sticlă de apă comparativ cu hidroxidul de potasiu [3].

În general, pH-ul ridicat al activatorului alcalin promovează dizolvarea GGBS, care determină reacția chimică și dezvoltarea rezistenței [14]. Wang și colab. [15] a demonstrat că zgura activată cu silicați produce beton cu proprietăți mecanice și stabilitate mai bune în comparație cu betonul realizat cu zgură activată utilizând hidroxid de sodiu. Într-adevăr, Shi și colab. [16] a demonstrat că GGBS activat cu Na2SiO3 produce căldură de evoluție care crește odată cu scăderea raportului apă-liant (w/b) și invers, spre deosebire de zgura activată cu NaOH a cărei căldură de hidratare produsă ca răspuns la raportul w/b a fost similară la pastele OPC.

2.2. Produse de hidratare a zgurii activate de alcali

C-S-H produs prin activarea GGBS este o fază asemănătoare unei folii caracterizată prin concentrație ridicată de Si și crește în spații poroase. În contract, creșterea topotactică a C-S-H în formă de ac este predominantă în timpul hidratării OPC, care are loc la o concentrație relativ mică de silicat [17].

2.3. Produse de reactivitate și hidratare ale GGBS neactivat

Hidratarea GGBS produce C-S-H chiar și fără adăugarea de activatori alcalini, deși într-un ritm lent, în funcție de proprietățile fizice și chimice. ASTM C 989 clasifică GGBS în gradul 80, 100 sau 120 pe baza indicelui de activitate a zgurii. Printre proprietățile chimice care afectează reactivitatea hidraulică a GGBS se numără basicitatea (CaO + MgO + Al2O3)/SiO2 și modulul chimic (CaO + MgO)/SiO2). În plus, prezența sulfatului de calciu în GGBS contribuie la activarea GGBS [19]. GGBS fără basicitate ridicată, modul și sulfat de calciu au prezentat rezistențe ridicate la compresiune pe probe de mortar și produse de hidratare, inclusiv C-S-H și ettrignit (Ca6Al2 (SO4) 3 (OH) 12 · 26H2O).

3. Proprietățile mecanice ale betonului și mortarului de zgură activată cu alcali

Dezvoltarea rapidă a rezistenței mortarelor AAS de la 7 la 28 de zile în comparație cu mortarele OPC este atribuită stratului protector foarte subțire din jurul sistemelor de boabe GGBS nehidratate. Un astfel de strat din jurul boabelor OPC nehidratate este mult mai gros, ducând la o rezistență mai lentă la mortarele OPC [17].