碱性激发剂浓度对C类粉煤灰和M砂地聚物砂浆力学性能及微观结构特性的影响

《Scientific Reports》：Influence of alkaline activator concentration on the mechanical, microstructural properties of geopolymer mortar using Class C fly ash and M-sand

　　

摘要

本研究探讨了以C类粉煤灰为唯一前驱体、在常温养护条件下制备的地聚合物砂浆的力学性能及微观结构特征。采用氢氧化钠（NaOH）和硅酸钠（Na₂SiO₃）作为碱性激发剂，NaOH摩尔浓度分别为8 M、10 M、12 M和14 M，硅酸盐与氢氧化物比为1:1至2.5:1。研究了激发剂摩尔浓度、硅酸盐与氢氧化物比、养护制度以及胶结料与骨料比对抗早期龄期力学性能的影响。在28天内评估了抗压强度、抗折强度和直接抗拉强度。结果表明，12 M的NaOH摩尔浓度结合2.5:1的硅酸盐与氢氧化物比可提供优越的性能，28天抗压强度、抗折强度和抗拉强度分别达到40.50 MPa、4.77 MPa和3.70 MPa。8 M导致铝硅酸盐溶解不足；10 M和12 M的摩尔浓度增强了溶解、凝胶形成和力学性能，而更高摩尔浓度14 M促进了晶相形成，但强度提升不显著。微观结构分析证实了地聚合物凝胶的主导形成，XRD结果显示12 M时非晶相强烈且基线偏移增大。FTIR光谱确认了Si–O–T键（T = Si或Al）的形成，SEM图像显示基质更为致密。12 M时的EDAX元素比表明铝硅酸盐网络形成增强，且电荷平衡有效。微观结构分析（XRD、FTIR、SEM和EDAX）证实，12 M时Ca/Si比为0.18、Si/Al比为4.46、Na/Al比为1.18，表明交联铝硅酸盐网络最优且基质更为致密。采用12 M氢氧化钠、硅酸盐与氢氧化物比为2.5:1、在常温条件下养护，其抗压强度分别比8 M、10 M和14 M组高15%、5%和9.5%。抗折强度的提升分别为8.4%、2.6%和6%，而直接抗拉强度相比相同摩尔浓度的组别分别提高了13.9%、5.7%和8.8%。12 M的NaOH浓度促进了硅和铝的溶解，形成了更致密、微结构更紧凑的基质，改善了胶结料与细骨料之间的粘结性能，提供了地聚物化所需的碱性环境，从而获得了更高的强度。