碱激发粉煤灰-矿渣复合胶凝材料高温微力学行为原位研究及其相变机制解析

本研究针对碱激发粉煤灰-矿渣(AAFS)材料在高温环境下的微力学性能演化机制不明的问题，通过原位统计纳米压痕(SNI)结合最大似然估计(MLE)技术，首次定量揭示了N-C-A-S-H、C-(A)-S-H和N-A-S-H三种凝胶相在20-400°C的温度梯度下的差异化力学响应规律，发现含10wt.%矿渣的AAFS具有最优高温性能，为设计耐高温绿色建材提供了理论依据。

　　

随着全球建筑行业对低碳材料的迫切需求，碱激发胶凝材料(Alkali-Activated Materials, AAMs)因其仅需常温固化且碳排放量仅为普通水泥的1/3而备受关注。其中碱激发粉煤灰-矿渣(AAFS)体系因其独特的N-A-S-H（钠铝硅酸盐凝胶）和C-(A)-S-H（钙铝硅酸盐凝胶）双网络结构，在防火涂料和工业窑炉隔热层等领域展现出巨大潜力。然而当温度突破80°C时，这些看似稳定的材料内部却暗流涌动——凝胶相开始脱水分解，不同热膨胀系数的组分相互撕扯产生内应力，但传统残余强度测试无法捕捉材料在真实高温服役状态下的力学崩溃瞬间。更棘手的是，粉煤灰与矿渣的配比会显著改变材料的高温行为：矿渣带来的钙元素既能提升常温强度，又可能成为高温下的"阿喀琉斯之踵"。

深圳职业技术创新研究院（原文献中SZIIT）的冯卫鹏团队在《Materials Today Communications》发表的研究中，首次将环境控制型统计纳米压痕仪改造成"材料高温行为显微镜"，通过非真空环境台实现20-400°C的原位测试，结合最大似然估计算法破解了多相凝胶的力学密码。研究团队采用三组关键方法：①原位统计纳米压痕(SNI)获取2000+个温度梯度下的弹性模量-硬度数据对；②热重-差热(TG-DTG)追踪不同矿渣含量样品的质量损失台阶；③原子力显微镜(AFM)原位观测表面拓扑结构演变。

【研究结果】
• 原材料特性：X射线荧光光谱显示粉煤灰(FA)含52.3wt.% SiO₂和28.1wt.% Al₂O₃，矿渣则富含40.2wt.% CaO，两者混合后通过NaOH/Na₂SiO₃溶液激发。

• 热分析：TG曲线在80°C和150°C出现双峰，对应自由水蒸发和凝胶脱水；含10wt.%矿渣的M1样品在200-400°C质量损失比纯粉煤灰样品(P1)减少37%，证实钙相优化了热稳定性。

• 微力学演化：

• N-A-S-H凝胶展现"愈热愈强"特性，400°C时弹性模量从10.5GPa跃升至14.3GPa，归因于高温促进的缩聚反应；
• C-(A)-S-H在200°C前强度提升21%，源自矿渣持续水化，但400°C时因脱水坍塌导致模量骤降；
• N-C-A-S-H（钙改性钠铝硅酸盐凝胶）成为最脆弱环节，100°C即出现显著力学退化。

• 最优配比验证：微压痕测试显示10wt.%矿渣的AAFS在400°C下硬度保持率达85%，显著优于纯粉煤灰(68%)和30wt.%矿渣样品(72%)，证明存在"黄金掺量"效应。

【结论与意义】
该研究通过首创的"高温纳米力学指纹图谱"技术，揭示了AAFS中三大凝胶相的竞争演化机制：N-A-S-H依靠高温缩聚构建防御工事，C-(A)-S-H经历先强后弱的"过山车"式变化，而N-C-A-S-H则成为高温链中最薄弱的环节。特别是发现10wt.%矿渣掺量能巧妙平衡常温活性和高温稳定性——少量钙相既避免了纯粉煤灰的低温惰性，又不会像高钙体系那样在400°C时因C-(A)-S-H大规模脱水而崩解。这些发现不仅解释了既往研究中矛盾的"钙悖论"现象（钙提升常温强度但损害耐热性），更为设计新一代"智能调温"建材提供了精确的组分调控靶点。该成果被同行评价为"打开了高温微力学研究的黑箱"，相关方法已应用于核电站防火涂层的加速老化评估。