文献精读
Constr. Build. Mater.: 海泡石和粉煤灰的二元掺合对改性水泥砂浆抗碳化和抗氯离子的影响
背景介绍
水泥熟料生产过程中排放的CO2占全球人为排放量的7%，使用矿物掺合料是降低硅酸盐水泥产量的有效途径之一。随着环境变化和海洋工程快速发展，混凝土结构的耐久性面临着一些挑战，结构的抗碳化性和抗氯离子性能是评价混凝土结构耐久性的两个重要指标。已有研究表明用矿物掺合料代替水泥可能会降低混凝土的抗碳化性能。
研究出发点
海泡石是由水化硅酸镁组成的粘土矿物，具有多孔纤维结构，比表面积大，吸附性能好。在催化剂载体、离子吸附、调湿材料等方面得到了广泛的应用，但在水泥基材料中的应用研究较少。在矿物掺合料作为水泥基材料的辅助材料广泛应用的背景下，海泡石作为一种潜在的矿物掺合料将发挥重要作用。然而目前，海泡石在水泥基材料中的研究主要集中在力学性能方面，而在水泥基材料中的耐久性研究相对缺乏。
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石家庄铁道大学材料科学与工程学院王彩辉课题组将海泡石作为矿物掺合料，与其他辅助胶凝材料比较，研究其水化过程、强度发展及结构耐久性。在本研究中，将海泡石、粉煤灰及其二元复合体系的作用进行了比较。相关论文以“Effect of binary admixture of sepiolite and fly ash on carbonation and chloride resistance of modified cement mortar”为题，于2021年发表在Construction and Building Materials上。
图文解析
（1）海泡石和粉煤灰对改性水泥砂浆强度的影响
表1 海泡石与粉煤灰二元掺合料改性水泥砂浆配合比设计
图1 海泡石与粉煤灰掺量对改性水泥砂浆强度的影响
与不含海泡石的对照砂浆(S-1/JZ)比较，随着养护龄期的增长，试件强度逐渐增大，且各试件早期强度发展较快，养护龄期后期强度增长速度放缓。在相同养护龄期下，随着海泡石含量的增加，改性砂浆的抗弯强度和抗压强度都有逐渐增大的趋势，其中海泡石改性砂浆的抗弯强度提高更为显著。当海泡石含量较高时，其增加幅度相对较小。当海泡石掺量为25%时，S-6试样的抗弯强度最高。养护56d的试件，S-6的抗弯强度比S-1/JZ高34.8%。几个原因可能有助于强度发展。一方面海泡石吸水性强，可减少自由水，使砂浆强度增加；另一方面，海泡石的纤维结构和火山灰活性增强了砂浆基质。然而加入海泡石降低了单位有效水泥量，并增加了由于纤维海泡石分散不良而导致基质密度降低的风险。
粉煤灰改性水泥砂浆的强度发展情况如图1(c)、(d)所示。龄期较早时，随着粉煤灰置换量的增加，砂浆强度下降明显。但随着养护龄期的增加，不同试件之间的强度差异逐渐减小。随着养护龄期的延长，在粉煤灰的最佳掺量20%下可获得最佳抗弯强度和抗压强度。这种强度发展与粉煤灰早期活性低、形态效应和微集料填充效应有关。
图2 海泡石与粉煤灰二元掺合料改性水泥砂浆的抗弯抗压强度发展
在粉煤灰存在的情况下，海泡石的掺入有利于强度的提高。养护龄期为3 d时，25%海泡石(FS-5)配制的改性海泡石-粉煤灰砂浆抗弯强度最高。与F-5组相比，FS-5的抗弯强度提高了69%。随着养护龄期的增加，不同海泡石含量的砂浆抗弯强度差距逐渐减小。如图2(b)所示，海泡石和粉煤灰二元掺合料制备的改性砂浆的抗压强度发展与抗弯强度发展相似，海泡石对后期抗压强度的提高有明显的作用。
（2）改性水泥砂浆的抗碳化性能
图3 用海泡石和20%粉煤灰配制的砂浆碳化深度
图3为海泡石和20%粉煤灰配制的砂浆碳化深度变化情况。可以发现，当海泡石含量从0%增加到30%时，可显著提高其抗碳化性能。采用海泡石和粉煤灰二元掺合料，获得最佳抗碳化性能的海泡石含量为5% ~ 15%。当海泡石含量大于15%时，砂浆的碳化深度增大。尽管如此，它仍然比用单一粉煤灰制成的砂浆低得多。
（3）改性水泥砂浆的氯离子渗透
图4 浸泡28 d的氯离子总量和氯离子在砂浆中的扩散情况
扩散实验中每组氯离子浓度均随采样深度的增加而降低，且在采样深度小于15 mm处显著降低。在长期的氯离子浸泡下，氯离子主要通过层间浓度梯度实现扩散。三种不同体系改性水泥砂浆中总氯离子含量如图4 (a)所示。可以发现，在使用单一外加剂时，F系列(粉煤灰)优于S系列(海泡石)，FS系列(海泡石-粉煤灰)砂浆中总氯离子含量最低。总的来说，随着海泡石含量的增加，砂浆中游离氯的总含量逐渐降低。
随着海泡石含量的增加，砂浆不同深度氯离子含量和总游离氯离子含量均低于S-1(JZ)。海泡石的高比表面积、纤维结构特性和离子吸附特性，可能是海泡石提高耐氯性能的重要因素。研究发现在混凝土中加入海泡石，不仅改善了混凝土的抗渗性，还增强了混凝土中重金属离子的吸附效果。随着粉煤灰掺量的增加，抗氯化物侵蚀能力也增强。粉煤灰可以改变砂浆颗粒级配，优化砂浆孔隙结构，减少氯盐扩散通道。另一方面，粉煤灰掺入也被证明更有效地固化氯离子和阻碍氯离子的扩散。在二元掺合体系中，海泡石和粉煤灰的双重作用会使砂浆的抗氯离子性能得到提高。
总结
通过上述实验结果与讨论，能够得出如下结论：掺入海泡石可以大大提高砂浆在不同养护时期的强度。海泡石潜在的吸水和内养护作用有助于强度的发展。
(1) 使用海泡石可以提高砂浆的抗碳化性能，其抗碳化最佳含量为15%，养护28 d后，其碳化深度比对照组S-1(JZ)降低了37.8%。同时，二元海泡石-粉煤灰体系可以显著改善传统粉煤灰改性砂浆抗碳化性能较差的问题；
(2) 通过氯离子渗透试验可知，随着海泡石和粉煤灰掺量的增加，砂浆中游离氯离子总含量逐渐降低。二元海泡石-粉煤灰复合体系发挥了良好的协同作用；
(3) 从本研究的系统分析可以推断，游离氯离子含量的降低是海泡石的吸附与粉煤灰的火山灰活性下双重作用造成的；
(4) 海泡石在水化过程中对水泥砂浆的水化产物影响不大。综合强度测试结果和水化热可以发现，海泡石在复合体系中的水化诱导期明显缩短，水泥水化过程加快，累计水化热释放减少；
(5) 通过系统分析，特别是微观形貌检测可知，海泡石在砂浆中的均匀分散是提高砂浆强度的关键因素之一，海泡石纤维与水化产物的紧密结合是影响砂浆性能的另一个关键因素。
本期编者简介
翻译：
余 阳 硕士生 深圳大学
审核：
李雪琪 硕士生 深圳大学
排版：
于坷坷 硕士生 深圳大学
本期学术指导
何 闯 博士后 深圳大学
龙武剑 教 授 深圳大学
文献链接：
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.122509
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