本文由Guodong Huang、Jielei Zhu、Yuting Zhang、Dawei Li、Bo Wang、Mengrong Li、Lina Jin和Jinghai Gong等作者共同撰写，发表于2022年3月28日的《Crystals》期刊上。该研究主要探讨了矿渣（slag）对珊瑚骨料活性材料（coralline-activated materials）力学性能的影响，以及矿物晶体的形成与转化过程。研究团队来自安徽理工大学、合肥综合性国家科学中心能源研究院、福建大学工程研究中心以及江苏澜泉新材料有限公司。

研究背景与目的

随着中国海洋经济的快速发展，海洋岛屿和礁石的建设需求日益增加。然而，传统的建筑材料如水泥、砂石等需要从内陆运输，成本高昂且影响施工周期。珊瑚混凝土因其材料来源便利、环保且经济，逐渐成为海洋岛屿建设的主要材料。然而，珊瑚混凝土在可操作性、力学性能和耐久性方面存在诸多不足，尤其是珊瑚骨料的多孔性和不规则形状导致其强度较低，且水泥基材料的早期强度发展缓慢。因此，本研究旨在通过碱激发技术（alkali activation）开发一种新型珊瑚骨料活性材料，以提高其力学性能和耐久性。

研究方法与流程

研究采用了球磨珊瑚粉（coral powder, CP）作为胶凝材料，珊瑚砂作为细骨料，制备了珊瑚骨料活性材料。研究流程包括以下几个步骤：

1. 材料准备：珊瑚粉和矿渣粉（granulated blast furnace slag powder, GSP）作为主要胶凝材料，通过X射线荧光光谱（XRF）和化学溶解实验分析了其化学成分和反应活性。
2. 样品制备：设计了10组不同配比的样品，矿渣含量从0%逐步增加到80%，珊瑚粉含量相应减少。每组样品均通过碱激发反应制备，并使用海水进行混合。
3. 力学性能测试：通过TYE-300自动压力机测试了样品在3天、28天和60天养护后的抗压强度。
4. 矿物晶体分析：使用X射线衍射仪（XRD）分析了样品中矿物晶体的形成与转化过程。

主要结果

1. 化学成分与反应活性分析：珊瑚粉中钙含量高达89.5%，但仅有56%的活性钙能参与聚合反应。硅和铝含量较低，矿渣的加入显著改善了珊瑚粉中硅和铝的不足。
2. 抗压强度分析：随着矿渣含量的增加（从0%到50%），样品的抗压强度显著提高。然而，当矿渣含量超过50%时，强度提升效果不再显著。矿渣的加入促进了钙矿物的转化，如文石（aragonite）和方解石（calcite）转化为水化硅酸钙和水化硅铝酸钙凝胶，从而显著提高了材料的抗压强度。
3. 矿物晶体分析：XRD分析表明，矿渣的加入促进了珊瑚粉中惰性钙的活化，形成了水化硅酸钙和水化硅铝酸钙矿物，如托贝莫来石（tobermorite）和钙铝硅酸盐矿物（gehlenite和anorthite），这些矿物的形成与抗压强度的提升密切相关。

结论与意义

本研究通过碱激发技术成功开发了一种新型珊瑚骨料活性材料，显著提高了其力学性能。矿渣的加入不仅改善了珊瑚粉中硅和铝的不足，还促进了钙矿物的转化，形成了高强度的聚合产物。研究结果表明，矿渣与珊瑚粉的最佳配比为1:1，此时材料的抗压强度达到最优。该研究为海洋岛屿和礁石的建设提供了一种低成本、高性能的建筑材料，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

1. 创新性：首次通过碱激发技术将珊瑚粉与矿渣结合，开发出高性能的珊瑚骨料活性材料。
2. 实用性：该材料可直接利用海洋资源，减少了对内陆建筑材料的依赖，降低了施工成本。
3. 科学价值：通过XRD和XRF等先进技术，深入分析了矿物晶体的形成与转化机制，为类似材料的研究提供了理论依据。

其他有价值的内容

研究还探讨了矿渣含量对材料性能的影响机制，发现当矿渣含量超过50%时，硅和铝的过量会导致钙的不足，从而影响聚合产物的形成。这一发现为未来优化材料配比提供了重要参考。