本文是一篇关于碱激发低碳混凝土力学性能与提升机理的研究论文，由云振军、姚占全、王海龙和李越共同完成，发表于《内蒙古农业大学学报》2024年第5期。该研究旨在解决水泥生产过程中碳排放问题以及固废材料大掺量替代水泥制备混凝土时力学性能下降的问题。

研究背景与目的

水泥生产过程中产生的碳排放问题日益严重，每生产1吨水泥熟料大约会排放0.8吨二氧化碳。2020年，我国因水泥生产排放的二氧化碳达到了12.3亿吨，加剧了温室效应和极端气候现象。因此，寻找替代水泥的新型材料制备低碳混凝土，对于实现“碳达峰、碳中和”战略具有重要意义。

废弃玻璃的填埋处理不仅占用土地资源，还会污染环境。部分学者将废玻璃研磨成玻璃粉（GP）替代水泥制备混凝土，发现其可以显著提升混凝土的力学性能。然而，当玻璃粉掺量大于15%时，混凝土的力学性能明显下降。这是由于玻璃粉中Ca²⁺和Al³⁺含量较少，导致水化硅酸钙及水化硅铝酸钙凝胶含量大幅减少，内部大孔及连通孔增多，混凝土密实度降低，强度急剧下降。

研究方法与实验设计

本研究采用4%的Na₂SiO₃对玻璃粉进行碱激发处理，随后替代50%的水泥制备低碳混凝土。通过抗压强度试验与劈裂抗拉强度试验，探究碱激发对低碳混凝土力学性能的影响，并结合SEM-EDS试验、XRD试验、FTIR试验及NMR试验揭示Na₂SiO₃对低碳混凝土力学性能的提升机理。

实验材料包括水泥、玻璃粉、细集料、粗骨料、水、外加剂和激发剂。实验设计分为三组：普通混凝土（OC）、低碳混凝土（LCC）和碱激发低碳混凝土（FLCC）。通过标准养护后，分别在3、7、14、28天进行力学性能测试和微观结构分析。

实验结果与分析

1. 力学性能：Na₂SiO₃的加入显著提升了低碳混凝土的力学性能。FLCC组的抗压强度在3、7、14及28天分别提升了22.6%、27.5%、19.8%和17.2%；劈裂抗拉强度增长了21.3%、20.6%、18.2%和16.3%。

2. 微观机理分析：

   • SEM-EDS试验：FLCC组内部产生了细长棱柱体水化产物，主要由Ca、Si、Al、K、O及少量Mg元素组成。
   • XRD与FTIR分析：FLCC组内部除产生C-S-H、C-A-S-H凝胶外，还产生了N-A-S-H凝胶及强度更高的钾A型沸石晶体。
   • NMR试验：FLCC组混凝土的大孔隙数量明显减少，孔隙结构得到了优化，小孔占比增加，总孔隙占比减小。

结论

1. Na₂SiO₃对低碳混凝土的力学性能提升较为明显，FLCC组的抗压强度和劈裂抗拉强度均显著提升。
2. SEM试验分析表明，FLCC组内部产生了细长棱柱体水化产物，EDS试验分析显示其主要由Ca、Si、Al、K、O及少量Mg元素组成。
3. XRD与FTIR分析表明，Na₂SiO₃使低碳混凝土内部产生了C-S-H、C-A-S-H凝胶、N-A-S-H凝胶及钾A型沸石晶体，提升了混凝土的力学性能。
4. NMR试验分析表明，FLCC组混凝土的大孔隙数量减少，孔隙结构得到优化，小孔占比增加，总孔隙占比减小，进而提升了混凝土的力学性能。

研究意义与价值

本研究为降低碳排放及固废在混凝土中大掺量的使用提供了新思路和新见解。通过碱激发处理，显著提升了低碳混凝土的力学性能，优化了其微观结构，为低碳混凝土的实际应用提供了理论依据和技术支持。

研究亮点

1. 重要发现：Na₂SiO₃显著提升了低碳混凝土的力学性能，优化了其微观结构。
2. 方法创新：采用碱激发处理玻璃粉，揭示了Na₂SiO₃对低碳混凝土力学性能的提升机理。
3. 应用价值：为低碳混凝土的实际应用提供了理论依据和技术支持，具有重要的生态和经济效益。