养护制度调控玄武岩（BT）改性碱激发矿渣（AAS）的性能：物相组成、孔隙结构、显微结构与抗压强度

《RSC Advances》：Curing regime controlled performance of basalt-modified alkali activated slag: phase composition, porosity profile, microstructure and compressive strengthOpen Access

　　

从传统水泥向低碳碱激发材料（alkali-activated materials）的转变已不再仅是环境义务，而是需要精确控制反应动力学（reaction kinetics）的材料设计挑战。本研究对玄武岩（BT）改性碱激发矿渣（AAS）在不同条件下进行养护，以证明配合比设计和养护制度如何影响凝胶形成和强度发展。磨细粒化高炉矿渣（GGBFS）被5–20 wt%玄武岩（BT）取代，然后用6 wt% NaOH激发。所开发材料在常规条件（1–28天）、水热条件（135–170 °C/5 h）和微波条件（450 W/5–15 min）下养护。先进微观结构分析，包括X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜/能量色散X射线光谱（SEM/EDX）和Brunauer–Emmett–Teller/Barrett–Joyner–Halenda（BET/BJH），阐明了基体内的物相演变、形貌特征和孔隙结构。结果表明，BT对碱激发矿渣的新拌性能（工作性和凝结时间）影响较小。尽管稀释了GGBFS中的活性钙相，AAS-20BT（80% GGBFS + 20% BT）复合材料仍表现出稳健的结构级抗压强度：常规养护下为49.5 MPa，170 °C/5 h水热处理后为56 MPa，450 W微波暴露仅10 min后快速达到37 MPa。根据抗压强度结果和先进分析技术，可以得出结论，养护制度强烈控制承载能力相组成、微观结构发展和孔隙细化。总体而言，水热养护在反应动力学、沸石相形成、水合物形貌和微观结构发展之间提供了最有利的平衡。在常规条件下，BT颗粒起填料和成核种子作用，而水热养护提高其反应性，促进Si和Al溶解并参与地质聚合物产物。因此，AAS-20BT可被视为一种有前景的低碳胶凝材料，为下一代建筑材料提供高度可扩展、生态高效的途径。

普通硅酸盐水泥（OPC，传统水泥）的环境负担推动了低碳胶凝材料研究，其中碱激发材料（AAMs，碱激发铝硅酸盐胶凝材料）和地质聚合物（geopolymer，三维铝硅酸盐网络材料）受到关注。磨细粒化高炉矿渣（GGBFS，钢铁工业副产物）因高钙和潜在水硬性被广泛使用，但其性能依赖养护条件和激发剂组成。玄武岩（BT，天然铝硅酸盐岩石）化学稳定、来源丰富且富含硅铝，但反应性低于矿渣。已有研究如 Shen et al. (2026)、Rashad et al. (2025)、Liu et al. (2025)、Sadrmomtazi et al. (2018)、Jing et al. (2008)、Sünbül and Tortum (2025) 和 Aschoff et al. (2024) 分别探讨了玄武岩/矿渣复合、常规养护、水热养护和微波养护对性能或微观结构的影响。然而，在统一实验框架下系统比较常规、水热和微波养护对矿渣-玄武岩复合体系物相组成、孔隙结构和抗压强度影响的研究仍有限，材料组成与养护技术间的交互作用尚不充分。因此，研究人员旨在开发可持续地质聚合物系统，并比较不同养护制度对性能的调控机制。

在方法上，研究人员使用来自 Lafarge Company in Ain El-Sokhna 的 GGBFS、来自 Sinai Cement Company in El-Arish 的埃及玄武岩，以及来自 α-Aromatic Company in Cairo, Egypt 的商品级 NaOH。GGBFS分别被0、5、10和20 wt% BT取代，并以6 wt% NaOH激发，水/胶凝材料比为0.3。试样成型后先环境高湿养护24 h，再分为常规养护、水热养护和微波养护。主要测试包括新拌性能、凝结时间、抗压强度，并采用X射线衍射（XRD，物相分析）、傅里叶变换红外光谱（FTIR，官能团与结构分析）、扫描电子显微镜/能量色散X射线光谱（SEM/EDX，形貌与元素分析）和Brunauer–Emmett–Teller/Barrett–Joyner–Halenda（BET/BJH，比表面积与孔径分布分析）进行表征，同时开展成本与CO₂排放评估。该部分方法概括约250字以内。

3.1 新拌性能：BT掺量增加使展开面积由AAS的83.3 cm²降至AAS-20BT的73.9 cm²，AAS-5BT、AAS-10BT和AAS-20BT分别降低0.84%、5.76%和11.28%。这是由于BT粒径更细，D50为0.32 μm，小于GGBFS的1.26 μm，吸附更多碱性激发剂溶液。凝结时间方面，AAS、AAS-5BT、AAS-10BT和AAS-20BT初凝/终凝分别为82/104、78/100、80/98和90/108 min；5%和10%BT影响不大，20%BT因稀释富钙GGBFS相而略延长凝结时间。3.2 抗压强度：常规养护下，1 d抗压强度随BT增加而降低，AAS、AAS-5BT、AAS-10BT和AAS-20BT分别为41.6、27.0、20.2和17.9 MPa；28 d时结果部分报道为73.1、63.0、54.4和49.4 MPa，结论部分则表述为59.0、61.5、55.0和49.5 MPa。水热养护在170 °C/5 h时达到最高抗压强度，AAS、AAS-5BT、AAS-10BT和AAS-20BT分别为63、67.4、60.3和56 MPa，AAS-5BT最优；从135升至170 °C，各体系强度提高约18.25%、14.41%、12.54%和29.15%。微波养护在450 W/10 min时强度最高，分别为39.2、42.9、40和37 MPa；15 min后强度下降，归因于水分过度损失和热应力微裂纹。对AAS-20BT，水热养护较常规提高约13.4%，微波养护较常规降低约25.2%。3.3 孔隙结构分析：常规养护AAS呈III型等温线，平均孔径95.5 nm，孔体积0.0397 cm³ g^?1，比表面积10 755 cm² g^?1；AAS-20BT平均孔径35.6 nm，比表面积29 767 cm² g^?1。水热养护使AAS和AAS-20BT转变为IV/H3型等温线，平均孔径均降至12.7 nm，比表面积分别增至170 260和397 290 cm² g^?1，孔体积分别增至0.0654和0.1168 cm³ g^?1，表明孔隙显著细化。微波养护后AAS和AAS-20BT孔径分别增至162.7和95.5 nm，说明孔隙粗化，与强度降低一致。3.4.1 X射线衍射分析：所有试样在2θ 25–35°存在宽晕，表明C-S-H、C-A-S-H和N-A-S-H等无定形产物。常规养护试样含C-S-H、C-A-S-H、水滑石、方解石及残留钙镁黄长石和钠长石。水热和微波养护使C-S-H和C-A-H衍射更尖锐，并生成phillipsite和stellerite-Na等沸石类相；水热试样中残留钙镁黄长石和钠长石消失，说明玄武岩来源矿物溶解增强。3.4.2 FTIR分析：400–500、600–800和900–1000 cm^?1分别对应Si–O–Si弯曲、Si–O–Al对称伸缩和Si–O–Si(Al)不对称伸缩振动，1400–1600和3500 cm^?1对应碳酸盐和羟基。水热和微波养护使Si–O–Al和Si–O–Si(Al)谱带增强并向高波数移动，表明聚合程度提高；AAS-20BT谱带强度更高，结构重组更明显。3.5 形貌和微观结构：常规养护AAS形成致密C-A-S-H，AAS-20BT中部分反应BT被凝胶包裹，BT主要起填料和成核作用。EDX显示AAS/28 d的Ca/Si、Si/Al和Ca/Al为1.23、1.69和2.09，AAS-20BT/28 d为1.40、3.09和4.33。水热养护后形成互锁针状、板状和箔状C-S-H/C-A-S-H及球状水榴石/沸石相，AAS-20BT的Na/Al由1.89降至0.70，表明Na被有效结合。微波养护则出现不连续凝胶、非均匀产物和微裂纹。3.6 成本分析和环境影响：生产1吨OPC排放944 kg CO₂、成本90美元；AAS-20BT常规养护排放96.65 kg CO₂、成本62.05美元，较OPC分别降低约89.8%和31.1%。NaOH是主要排放来源，占常规养护总排放约76.5%。水热养护总排放152.20 kg CO₂、成本66.48美元；微波养护总排放137.9 kg CO₂、成本65.35美元，分别较OPC低约85.4%，且微波较水热低约9.4%排放和约1.7%成本。

讨论部分表明，养护制度通过控制反应程度、物相组成、孔隙细化和微裂纹形成决定承载相网络。水热养护在反应动力学、沸石相形成、水合物形貌和微观结构发展间提供最有利平衡；常规养护下BT颗粒作为填料和成核种子，水热养护提高其反应性，促进Si和Al溶解并参与地质聚合物产物。微波养护可快速硬化，但易造成孔隙粗化和微裂纹。结论部分翻译如下：本研究主要目标是可持续利用玄武岩（BT）和磨细粒化高炉矿渣（GGBFS）开发具有满意力学性能的绿色建筑材料。GGBFS被5、10和20 wt% BT部分替代，并研究常规养护、水热养护和微波养护的影响。基于实验结果可得出以下结论：BT掺入碱激发矿渣（AAS）基体轻微降低工作性，AAS-20BT降低11.31%，但对凝结时间无显著影响；BT对常规养护1 d抗压强度有负面影响，然而在后期28 d与GGBFS组合时表现出有利作用，AAS、AAS-5BT、AAS-10BT和AAS-20BT的28 d抗压强度分别为59.0、61.5、55.0和49.5 MPa，AAS-5BT最高；水热养护170 °C/5 h和微波养护450 W/10 min可高效加速强度发展，仅5 h蒸压和10 min微波即可使AAS-20BT达到56 MPa和37 MPa，表明两种技术适合快速生产高性能预制碱激发材料并显著减少养护时间和能耗；BET/BJH、XRD、FTIR和SEM/EDX分析表明，加速养护显著改善孔隙体系、反应程度、物相发展和微观结构细化，促进C-S-H、C-A-S-H和沸石类相形成，提高结晶度并形成更致密基体，从而提高抗压强度；推荐将GGBFS和玄武岩组合用于可持续碱激发材料，5 wt%玄武岩替代获得最高强度，水热养护（170 °C/5 h）和微波养护（450 W/10 min）可实现快速强度发展，是高效预制生产的有前景选择。