Narayanan Neithalath，亚利桑那州立大学
我们将讨论以显著减少、几乎不消耗或不消耗工艺能量生产的粘合剂的优势，这些粘合剂的碳足迹小，由可回收和/或可再生资源组成，对环境的影响极小。
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## 介绍
以下演讲中表达的观点仅代表发言者的意见，并不一定反映美国混凝土协会（ACI）或其委员会的观点。
ACI网络会议在ACI大会或其他混凝土行业活动中录制，并将在一周内免费提供观看。此后，它们将归档在ACI网站上，或根据内容添加到ACI的在线继续教育（CEU）项目中。
您可以通过ACI的在线CEU项目获得继续教育学分。请访问 www.concrete.org 注册。ACI大会提供了一个网络交流的机会，并使您能够了解混凝土技术和实践的最新动态。
接下来是Narayanan Nathalia。
谢谢大家，下午好。我会很快的，书中的标题略有不同。我注意到很多关于动力学和早期年龄的内容，所以我想专注于耐久性方面，给您提供一些不同的视角。基本思路是我们正在研究矿渣的碱激活及其耐久性特性。我们关注的是可持续性方面的内容，大家之前也讨论过这些，我就不再赘述。
我们早上讨论过，激活类型和化学成分会影响过程。通常使用钠和钾硅酸盐，反应产物是低钙硅比的钙铝硅酸盐胶凝体，钠和钾被纳入系统中。这是基本思路。但我们尝试研究的是，这种材料的微观结构如何随时间变化，以及这如何影响氯离子的迁移。我们知道，氯离子的迁移受到后结构、孔溶液成分和外部电场的影响，无论您使用什么加速测试方法来测试氯离子迁移。
本次演讲探讨了两种不同类型的激活碱，通常使用钠硅酸盐和钾硅酸盐溶液，因为它们是更好的激活剂。从施工的便利性来看，粉末也是更好的选择，因为您可以制造单组分系统，只需加水即可。因此，我们研究了可以将粉末激活剂与矿渣混合的配合比，以形成单组分系统，但如果采用这种激活方式，微观结构会如何变化？
我们研究了材料的微观结构，实验研究使用了汞侵入法、对称性和电阻抗测量，以及相关的基于模型的解释，显示在迁移之前和过程中微观结构实际发生了什么。然后，我们提供了一种简单的方法来预测迁移系数，这适用于所有类型的混凝土，我展示的是碱激活混凝土的案例。
我们研究了两种不同的矿渣含量和总碱含量。粉末的钠硅酸盐的硅模数为2，氢氧化钠可以将其降低到1.5，液态钠硅酸盐的硅模数为2、1.5和1。我们进行了三种不同的实验，但这两种是常用的数值。
如果您查看压缩强度，粉末激活的混合物大约只能达到30兆帕，而液体激活则可以达到80兆帕甚至更高，具体取决于矿渣的类型。原因在于，固体激活剂的溶液较少，所得到的妥协是可以快速工作的系统，而无需将液体单独存储。
我们进行了加速传输测试，包括快速氯离子渗透性测试和非稳态迁移，以获取扩散系数。尽管我们知道RCPT存在缺陷，但其优势在于两者都是电加速的，因此我们将利用这些相似性来理解它们的作用。
这里是RCPT和稳态迁移值。您可以看到，粉末激活剂和液体激活剂之间的差异。粉末激活剂的强度较低，但氯离子迁移值也较低。稳态非稳态迁移之间的差异不大，除非碱度非常低。由此可见，这两种激活材料之间存在微观结构差异，这表明RCPT并不是很好地表征这些变化的混合物。
普通波特兰水泥混凝土在56天时的氯离子渗透率大约是这里的值，而含6%硅灰的混凝土在56天时大约是这里的值。因此，对于粉末激活混合物，液态钠硅酸盐的氯离子迁移值可以达到20至6%硅灰的范围，实际上可以获得非常可比的值，甚至在氯离子迁移方面更好。
以下是我刚才提到的观察结果。重要的一点是，粉末激活在28天和56天之间没有显著变化，似乎没有进一步的变化。在压缩强度结果中也观察到了相同的趋势。非稳态迁移的结果与预期更为一致，没有某种类型混凝土的剧烈下降，但液体激活或溶液激活的钠硅酸盐的减少与硅模数或硅含量的增加有关，超过了RCPT值的下降。
所有值都与相应的普通波特兰水泥混凝土的非稳态迁移值可比或更低，这表明您可以使其耐久性水平与普通波特兰水泥混凝土相当或更好。请记住，矿渣含量为每立方米300公斤或400公斤，但大多数为每立方米300公斤，因此胶凝材料的值非常低。
需要注意的一点是，我们有两种不同的激活参数，一个是钠氧化物含量（n值），另一个是硅酸钠比（ms），即硅酸盐与钠氧化物的比率。如果您基本上将它们相乘，可以有效得到激活剂的硅含量。您可以很方便地将28天和56天的非稳态迁移值与激活剂的硅含量进行趋势分析，而不考虑钠氧化物含量，这为您在设计混合物之前提供了一种目标非稳态迁移值的参考。
后结构是相当有趣的，您在这里看到的是粉末钠硅酸盐激活混合物在28天时的后结构。总孔体积约为16%或每克16-17立方厘米，但当碱度较高时，孔径会减小。您可以看到，特征孔径从0.07微米下降到1.01微米。因此，可以认为氯离子渗透性和非稳态迁移值的降低归因于孔径的减小，稍后我会提供一些证据。
如果查看液体激活的混凝土，您可以看到孔隙率远低于16%，现在约为12%，但孔径较大。由此可见，孔隙率较低但孔径较大的这两种情况对传输的影响是不同的。
以下是一些关于常规混凝土的数据，探讨了哪些因素对传输的影响。您可以看到，硅灰混合物在同一孔隙率范围内，具有极低的孔连接性，而粉煤灰混合物的孔隙率范围较宽，孔连接性变化不大。这些数据来自我们的电阻抗测量。
基本观点是，如果您从三减少到一或降低孔隙率，您的传输值实际上变化不大；但是如果您降低孔连接性，您会看到非稳态迁移值从8.6降到1.6。因此，孔连接性在传输中更为重要，而孔连接性更受孔径的影响，而不是孔隙率。这些都是基于模型的结果，因此即使看起来复杂，最终还是比较简单的。
在粉末钠硅酸盐混凝土中，孔径减小的一个原因是我们对此进行了大量研究。以下是粉末和液体混凝土的傅里叶变换红外光谱，您可以看到所有液体混凝土在970 cm^-1处显示出Si-O Si伸缩振动带，这是低聚合度凝胶的特征，典型的C-S-H在水泥系统中的表现。而在粉末激活混合物中，这个波数会向更高的波数移动，约为1010 cm^-1，表明更高聚合度的凝胶。
您所获得的是由于分辨率不足，形成的钠硅酸盐凝胶与C-S-H凝胶相互交融，后者的聚合度更高。这种钠硅酸盐凝胶在显微镜下呈现出非常均匀的非多孔凝胶，因而使整体孔隙率降低，从而降低了孔径。因此，粉末钠硅酸盐激活混合物的孔径减小，强度显著降低，但由于其较低的孔径，它们可以提供更好的传输性能。
即使这种分离不是完全的，使用粉末激活的钠硅酸盐仍然有优势。
## 氯离子浓度变化
氯离子浓度在深度上的变化，使用粒子诱导的额外发射光谱可以观察到，粉末和液体的浓度变化很快平稳下来，而液体则需要更长时间才能趋于平稳。您可以利用固定的扩散定律来计算扩散系数等许多其他参数。这是一个非常简单的测试，因为您只需对整个样本进行不同深度的质子发射测量，就可以得到浓度分布。
关于运输变化的模型，这里有一个非常简化的模型。这里是电阻抗谱，展示了实际电阻抗与虚拟电阻抗的关系。测试频率范围从一赫兹到十兆赫兹。对于混凝土的模型，基本上您有电解质，氯离子从阴极移动到电池内部。在非稳态迁移过程中，您不会在这里检测到氯离子，因为突破点尚未达到，因此您的氯离子仅在样本内部，而不会完全转移。您可以说，您的样本现在只是电阻和电容的组合，孔溶液是电阻，固体界面是电容。如果我使用这种类比来分析电阻。
如果我单独查看总体电阻在RCPT或非稳态迁移测试前后的变化，您会发现一般来说，RCPT测试后总体电阻下降，而非稳态迁移测试后电阻稍微上升。我将进一步解释为什么会发生这种情况。
电阻的变化方面，总体电阻几乎没有变化，因为只有很少量的氯离子进入。如果您查看测试前后的有效电阻，几乎没有变化，但如果将其分解为连接孔和未连接孔，您会发现连接孔的电阻上升，这意味着连接孔的连接性增强，而未连接孔的电阻则下降。因此，连接孔的数量和连接性减少，这与我之前提到的连接性变化相一致。
由此导致连接孔电阻的减少，因为一些连接孔转变为未连接孔，固体产物开始沉积。我们使用简单模型来展示电阻的变化，这可以解释在非稳态迁移前后的情况。连接孔在氯离子运输后变得更具导电性，但电阻性更强。经过更长期的迁移测试后，这开始逐渐改变孔结构的特性，尤其是在孔径较小的系统中。
电容的变化也很有趣。如果您跟踪电容及其随时间的变化，可以了解界面处固体产物的形成。您可以看到电容的变化，这里是界面电容，经过非稳态迁移测试后，界面电容变化约为50%。
如果您观察到碱激活矿渣和普通波特兰水泥混凝土在非稳态迁移测试中的表现，您会发现它们表现出非常相似的趋势。因此，如果您在进行RCPT测试时使用碱激活混合物，请务必小心，因为它们的结果可能并不准确，因为这些结果依赖于孔溶液的导电性、微观结构和电气特性。我们喜欢使用RCPT，因为它快速且结果良好，但对于碱激活混凝土，RCPT可能使它们看起来比实际更好，正如我提到的，硅灰混凝土也会出现类似情况。
非稳态迁移测试提供了更好的指示，能够更好地反映孔结构的变化，特别是在与普通波特兰水泥和碱激活矿渣的比较中，您可以观察到微观结构随时间的变化。
## 氯离子含量预测
预测氯离子含量的快速方法适用于所有类型的混凝土，基于迁移数，我们基本上使用通过的总电荷作为电流随时间的积分。您可以说，我在进行非稳态迁移测试时，分析电池单元中没有氯离子，意味着所有氯离子都在阴极或样本中，我可以得出样本中的氯离子浓度远低于阴极的氯离子浓度，因为阴极中的氯离子浓度非常高。
您可以将迁移数进行等同，通过一些简单的操作程序来计算氯离子浓度。氯离子浓度等于氯离子的迁移数乘以电荷量除以法拉第常数。我们进行了一些样本的比较，结果显示出良好的相关性和一致的结果。
如果您想预测非稳态迁移系数，可以参考Fick定律，Frank的扩散书籍提供了所有这些的解决方案。现在有很多软件，例如MATLAB，已有内置的Fick求解器，您可以查看通过的氯离子总量，并找到非稳态迁移系数。您只需测量电荷，如果在实验室中获得相关性，您可以通过快速的RCPT测试或电荷测量进行比较，得到一个校准图表，从而在不进行实际测试的情况下预测迁移系数。
这样可以快速简便地进行测试，您可以利用这些结果预测所需的激活剂和氯离子浓度，以期达到特定的传输特性或强度。这为结合机械性能和耐久性与配合比提供了一个整体视角。
综上所述，粉末混合物在运输性能上表现出一致的优势，与普通波特兰水泥混凝土相比，表现出可比或更好的性能。整体孔体积效应如前所述，孔结构的减少对于降低孔连接性更具影响。基于我展示的结果，可以更快地进行预测。谢谢大家！如果您有任何问题，请随时提问。
