超细粉制备低碳胶凝材料硏究

PAGEI摘要随着社会经济的发展，建筑企业生产过程中排放了大量二氧化碳和有害气体，而传统水泥生产排放的CO2占绝大多数，约占全球排放的8%，引发了巨大的环保压力。在“双碳”的背景下，引出了用超细粉低碳替代水泥材料的必要性。本文以质量比（5：5）的矿渣粉和粉煤灰为主要基体，制备了一种超细粉低碳胶凝材料，同时掺加不同配合比含量的碱性激发剂（0%、4%、5%、6%的NaOH），以此制备净浆试件，展开了对其力学性能的研究。采用扫描电镜SEM光谱衍射图对超细粉胶凝材料碱激发过程进行微观分析。结果表明，随着碱性激发剂掺量的增加，不同养护时间碱激发粉煤灰混凝土的抗折、抗压强度均呈先增加后减小的趋势。碱性激发剂掺量为5%时混凝土抗折、抗压强度最高，可以有效促进超细粉胶凝材料的水化反应，增加胶凝材料的水化产物含量，改善混凝土的力学性能和耐久性能。研究结果可为水泥行业减碳、固废提供参考。关键词：超细粉，低碳，胶凝材料，力学性能，碱性激发剂

AbstractWiththedevelopmentofsocialeconomy,alargeamountofcarbondioxideandharmfulgasesareemittedintheproductionprocessofconstructionenterprises,whileCO2emittedfromtraditionalcementproductionaccountsforthevastmajority,accountingforabout8%ofglobalemissions,whichhascausedgreatenvironmentalpressure.Underthebackgroundof'doublecarbon',thenecessityofreplacingcementmaterialswithultra-finepowderwithlowcarbonisintroduced.Inthispaper,akindofultra-finepowderlow-carboncementitiousmaterialwaspreparedbyusingslagpowderandflyashwithmassratio(5:5)asthemainmatrix.Atthesametime,alkalineactivatorswithdifferentmixingratios(0%,4%,5%,6%NaOH)wereaddedtopreparepastespecimens,andtheirmechanicalpropertieswerestudied.Thealkaliexcitationprocessofultrafinepowdercementitiousmaterialswasanalyzedbyscanningelectronmicroscopy(SEM).Theresultsshowthatwiththeincreaseofthecontentofalkalineactivator,theflexuralandcompressivestrengthofalkali-activatedflyashconcreteatdifferentcuringtimeincreasedfirstandthendecreased.Whenthecontentofalkalineactivatoris5%,theflexuralandcompressivestrengthofconcreteisthehighest,whichcaneffectivelypromotethehydrationreactionofultrafinepowdercementitiousmaterials,increasethecontentofhydrationproductsofcementitiousmaterials,andimprovethemechanicalpropertiesanddurabilityofconcrete.Theresearchresultscanprovidereferenceforcarbonreductionandsolidwasteincementindustry.Keywords:Ultrafinepowder，Lowcarbon，Bindingmaterial，Mechanicalproperty，Alkaliactivator

目录TOC\o"1-3"\h\u11263摘要 226459Abstract 313723前言 5146691绪论 6216541.1研究背景 6313771.2研究目的及意义 682701.3工业固废现状 7108771.3.1矿渣 747151.3.2粉煤灰 874511.4国内外研究现状 8296451.5现有研究中存在的问题 943201.6研究内容与技术路线 1015041.6.1研究内容 10294801.6.2技术路线 11296042实验材料与方法 11209032.1.原材料选择 12122682.1.1矿渣 12102732.1.2粉煤灰 13211552.1.3超细粉 14299972.1.4水 1521777 1555852.2实验仪器设备及化学试剂 16198332.2.1仪器设备 16100392.2.2化学试剂 1632142.3实验方法 16263132.3.1粉磨方式及化学成分测试方法 16213812.3.2碱激发剂的配置 1731942.3.3SEM测试方法 17204372.3.4净浆抗折及抗压测试方法 17143393净浆试件的制备与养护 18127763.1试验配合比设计 1844453.1.2试件的制备 1877433.2试件的养护 20321974净浆试件的力学性能分析 21299194.1抗折强度 2156334.2抗压强度 2223034.3结果分析 24122325超细粉胶凝材料的微观分析 2529520结论 307038参考文献 3115189致谢 32前言在“双碳”战略背景下，水泥行业亟待解决高碳排放与资源消耗问题。本研究聚焦工业固废资源化利用技术路径，以粉煤灰与矿渣（5:5质量比）为基材开发超细粉低碳胶凝材料。针对此类固废活性低导致的早期强度不足问题，创新性引入碱性激发剂进行活化改性，系统探究激发剂掺量对材料力学性能及耐久性的影响机制。通过SEM微观形貌分析和元素检测技术，揭示了固废基胶凝体系的水化产物演变规律。实验表明，经活化处理的材料在7天、28天龄期均呈现优异抗压强度发展，其硬化体具备致密化微观结构特征。研发材料在混凝土应用中展现出良好和易性，同时满足高强度与抗冻融耐久性要求，为工业固废高值化利用提供了新的技术方案。该成果实现了固废资源化与建材低碳化的协同创新，经工程验证兼具经济效益与环境效益，对推动建筑行业绿色转型具有重要实践意义。

1绪论1.1研究背景习近平总书记在第75届联合国大会提出“双碳”战略目标，向国际社会作出庄严承诺，中国将实施碳达峰与碳中和的阶段性目标[4]。“双碳”目标有利于推动构建绿色、低碳、可持续的循环经济发展，助推绿色生产方式和生活方式，实现经济社会高质量发展。在全球碳中和战略驱动下，水泥作为传统建筑行业的一种重要基础原材料，但其生产过程中的碳排放量较高，大宗固废仍将面临产生强度高、利用不充分、综合利用产品附加值低的严峻挑战。1.2研究目的及意义传统水泥工业因高能耗、高碳排放（占全球人为CO₂排放量8%）面临严峻转型压力，亟需开发低碳替代胶凝材料。与此同时，我国钢铁、电力等行业年产超10亿吨冶金渣、矿渣等工业固废，其综合利用率不足40%，大量堆存引发土地资源侵占与环境污染问题[5]。研究表明，矿渣、粉煤灰等富含硅铝酸盐的固废经超细粉磨后可呈现火山灰活性，但其胶凝性能受限于颗粒细度、组分协同效应及水化激发效率。现有研究虽验证了超细粉替代水泥的可行性，但仍存在替代率低（通常≤30%）、激发剂适配性差（单组分激发效果有限）及碳排放核算体系缺失等问题。传统水泥的硬化主要依赖于硅酸盐水泥熟料的水化反应。而低碳胶凝材料可能使用矿渣或粉煤灰等材料，这些材料本身可能不具备足够的活性，需要某种激发剂来促进其反应。这时候，碱性激发剂可能起到促进这些材料中的潜在活性成分发生反应，形成胶凝物质的作用。氢氧化钠作为碱性激发剂对复合水泥基材的力学属性和耐久性具有显著的增益效果，通过掺加不同含量的碱性激发剂对矿渣和粉煤灰进行活性处理，提高混凝土的力学性能和耐久性。碱性激发剂发挥作用的机制包括：提供碱性环境，促进矿渣或粉煤灰中的铝硅酸盐玻璃体的解聚；与材料中的活性成分（如SiO2和Al2O3）反应，生成水化硅酸钙（C-S-H）凝胶等产物；调节反应速度，影响材料的凝结时间和强度发展。力学强度-早期强度提升：强碱激发剂可显著提高3天强度（达20MPa以上）；后期强度稳定：缩聚反应持续，28天强度比传统水泥提高10%-30%。耐久性-致密化结构：C-A-S-H凝胶孔隙率低（<10nm），抗氯离子渗透性提高50%以上；耐酸腐蚀：高碱度延缓酸性介质侵蚀。收缩性-化学收缩降低：无钙矾石（AFt）生成，干燥收缩比普通混凝土减20%-40%。环保性-固废利用率提升：激发剂可使矿渣/粉煤灰掺量达70%-90%，减少水泥用量，降低碳排放。在超细粉低碳胶凝材料制备过程中，加入碱性激发剂（如氢氧化钠、硅酸钠、碳酸钠等）是激活工业固废（如矿渣、粉煤灰、钢渣等）潜在胶凝活性的关键步骤[6]。超细粉胶凝材料的低碳化制备基于材料科学、胶凝化学与可持续发展理论的深度融合，其核心是通过物理细化、化学激发与固废协同三大机制，实现传统水泥的高效替代与碳排放削减。因此，开发高活性超细粉协同活化技术、优化固废基胶凝体系设计、建立“性能-环境”双导向评价方法，成为实现建材行业绿色低碳转型的关键突破口。利用廉价固废制备超细粉，减少水泥用量，降低材料成本。促进可持续发展：通过低碳胶凝材料推广，助力建筑行业实现“双碳”目标（2030碳达峰、2060碳中和），提升企业ESG竞争力。1.3工业固废现状首先，工业固废指的是工业生产过程中产生的固体废物，比如矿渣、炉渣、粉煤灰等等。这些废物如果处理不当，会对环境造成污染，比如土壤、水体和空气污染。所以现状可能包括产生量、处理技术、政策法规等方面。根据世界银行数据，全球每年产生的工业固废超过120亿吨，其中中国、美国、印度等制造业大国占比显著。例如，中国工业固废年产生量已超过40亿吨（2022年数据），占全球总量的30%以上。同时我国固废处置能力较发达国家有所不足，固废处理的理论基础底子薄，企业管理能力相对欠缺、环保意识不足等诸多原因，导致我国仍依赖填埋或露天堆放，截至2022年，全国工业固废累计堆存量超600亿吨，占用土地超过200万公顷，环境风险突出。在工业固废处置与管理面临许多问题，如何对工业固废进行综合利用、减少排放、资源化利用，进行合理的规范化管理已成为社会关注的重点。我国大部分企业都采用堆存工业固体废弃物的方式处理，企业环保意识薄弱，偷排、非法倾倒现象屡禁不止。具有长期性、呆滞性等特征，重金属、有毒化学物质渗入土壤和地下水，威胁人体健康（如镉、铅污染）；扬尘、废气排放加剧雾霾和气候变化。大量含金属、稀有元素的固废未被回收，加剧资源短缺（如稀土尾矿、锂电池废料）造成资源浪费。工业固废造成的污染和破坏又总是在一定的条件下产生的，所以使人难以察觉。目前我国工业固体废物综合利用的规模远远不能满足绿色环保、可持续发展的经济要求。工业固废治理是生态文明建设的关键环节，需通过技术、政策和市场协同发力，推动“减量化、资源化、无害化”。未来随着“双碳”目标推进和新能源产业发展（如光伏板、动力电池回收），工业固废管理将面临新挑战，但也将催生万亿级环保产业机遇。1.3.1矿渣矿渣（Slag）是金属冶炼过程中产生的固体废弃物，是一种活性较高的矿物掺合料，也是目前利用率最好的一种矿物掺合料。主要成分为CaO、SiO2、Al2O3、FeO、MgO等，含少量金属（如铜渣含0.5-2%Cu），硅酸盐、氧化物及少量金属残留物。结构上，水淬渣多呈玻璃体，活性高；缓冷渣结晶度高，稳定性强。作为工业固废的重要组成部分。全球年产量超10亿吨，钢铁渣占比超70%，中国、印度、日本是主要产渣国。中国2022年钢铁渣产量约4亿吨，铜渣、铝渣等有色金属渣超1亿吨。炉矿渣磨细成“矿渣微粉”，可替代30-50%水泥熟料，降低碳排放，钢渣破碎后用作路基材料或混凝土骨料；从铜渣中回收铜（湿法冶金）、从铅锌渣中提取铅锌（火法冶炼）等有价金属：碱性矿渣可中和土壤酸度，补充钙、镁等营养元素，矿渣制成吸附剂，去除废水中重金属（如砷、镉）对环境进行修复。，矿渣具有资源与污染双重属性，重金属（Pb、As、Cd）渗漏风险，碱性矿渣可能污染土壤和水体。其合理利用对环境保护和资源循环至关重要。1.3.2粉煤灰粉煤灰（FlyAsh）是燃煤电厂在煤炭燃烧过程中产生的细颗粒粉末状固体废弃物。主要产生于燃煤发电的烟气除尘环节，煤燃烧时其中的一些小体积无机物随着烟气排出，并通过除尘系统收集起来就成为粉煤灰。占燃煤总质量的15%-40%。主要成分为硅、铝、铁等氧化物。作为全球产量最大的工业固废之一，按颗粒细度分为Ⅰ级灰（45μm筛余≤12%）、Ⅱ级灰（≤25%）、Ⅲ级灰（≤45%）；按用途分为建材用灰（需符合GB/T1596标准）、填充材料、环境修复材料等。全球年产量超10亿吨，中国占60%以上（2022年约6.5亿吨），印度、美国次之。在建材上全球约65%粉煤灰用于水泥、混凝土、陶粒等；新兴领域则用于土壤改良、稀有金属提取（如锗、镓）、CO2封存材料等。但其利用过程中也存在诸多挑战，如燃煤来源差异导致粉煤灰质量不稳定导致成分波动大、部分粉煤灰被列为危废（如Hg含量＞0.2mg/kg）造成重金属风险、部分地区仍允许低价填埋，抑制企业资源化动力政策壁垒等问题。综上所述，粉煤灰兼具环境风险与资源价值，其高效利用对减少碳排放和推动循环经济具有重要意义。1.4国内外研究现状超细粉胶凝材料在减碳、固废的同时实现建材企业的降本增效，可以明显提高混凝土试件的早期强度和耐久性，解决固废堆积问题，符合循环经济理念。其低碳化制备基于材料科学、胶凝化学与可持续发展理论的深度融合，其核心是通过物理细化、化学激发与固废协同三大机制，实现传统水泥的高效替代与碳排放削减，减少传统水泥煅烧二氧化碳及污染物的排放，以及矿渣、粉煤灰等固体废弃物的有效处理，实现资源的循环利用，是材料绿色全生命周期的一环，助力我国“双碳”目标实现的重大举措之一。水泥材料的力学性能和耐久性上取决于其内部形成的水化硅酸（C-S-H纳米粒子）和其他氧化物，以及浆体与骨料相互间的孔隙结构特征，粉煤灰中含有大量的氧化物，在碱性环境下会发生水化反应，形成更紧密的胶泥物质。通过添加碱性激发剂来创造碱性环境，促使水泥和粉煤灰发生水化反应，提高材料的早期强度和耐久性。因此，越来越多的材料科研工作者开始研究超细粉低碳胶凝材料，并添加碱性激发剂方面的研究。超细粉低碳胶凝材料的研究是近年来全球建材领域的热点方向，其核心目标是通过替代传统水泥熟料、优化材料体系，实现建筑行业低碳化转型。国外方面：在碱激发研究方上，法国GeopolymerInstitute团队Metakaolin基材料（超细偏高岭土（D50=2μm）通过与KOH碱激发，抗压强度达90MPa，耐酸性（5%H₂SO₄浸泡28天强度保留率>90%）。荷兰代尔夫特理工大学开发“HyPaste”胶凝材料（矿渣-粉煤灰体系）28天强度55MPa，已用于阿姆斯特丹某生态建筑墙体；在固废基低碳水泥上，加州大学洛杉矶分校（UCLA）开发超细玻璃粉-石灰体系（玻璃粉D50=8μm），用于3D打印建筑构件，抗压强度65MPa，流动性优于传统水泥。美国国家标准与技术研究院（NIST）建立ASTMC1797标准，规范碱激发胶凝材料的测试方法。麻省理工学院（MIT）通过生命周期评价对低碳胶凝材料LCA研究证明，超细粉基胶凝材料的全球变暖潜值（GWP）仅为普通硅酸盐水泥（OPC）的35%；在超高性能材料开发上，东京大学开发D50=0.1μm的硅灰材料（超细硅灰体系），与纳米SiO2溶胶复合，抗压强度突破120MPa，用于核电站屏蔽结构。国内在超细粉制备低碳胶凝材料领域的研究近年来也发展迅速，主要聚焦于工业固废资源化利用、节能减排技术及胶凝材料性能优化。中国聚焦钢渣、矿渣、粉煤灰、磷石膏等大宗固废的超细粉化利用，以工业固废为主导体系。清华大学徐永模团队（超细钢渣-矿渣体系）钢渣（比表面积600m²/kg）与矿渣复配，28天抗压强度达60MPa，CO2排放降低70%：武汉理工大学李东旭团队（超细粉煤灰-电石渣体系）电石渣（Ca(OH)2）激发粉煤灰活性，固化重金属As、Pb，浸出浓度低于国标限值50%，天然矿物活化体系上，如超细石灰石粉（D50=5μm）与硅灰复配，通过纳米CaCO₃成核效应，C-S-H凝胶生成量提高40%[7]。关键技术突破方面：在超细粉制备技术上，国内企业（如中信重工）开发的立磨+分级机串联工艺，可将钢渣粉磨至D90≤10μm，能耗低于45kWh/t。国内外研究均表明，超细粉低碳胶凝材料已从实验室走向工程应用，但在规模化推广中仍需突破成本、耐久性与标准化的瓶颈。未来需强化多学科交叉（如材料基因组学、环境科学），推动“低碳胶凝材料-固废资源化-碳封存”三位一体的技术革新，通过低碳胶凝材料推广，助力建筑行业实现“双碳”目标（2030碳达峰、2060碳中和），提升企业ESG竞争力，助力全球建材行业碳中和目标，促进全球经济的可持续发展。1.5现有研究中存在的问题环境政策战略已经成为各国发展经济的重点。在今后的研究工作中，如何在“双碳”的环境政策背景下，实现工具的有效性和合理性，将是研究工作中不可忽视的重要因素。毫无疑问随着政策及法规等的实施，致使现有研究的最佳经济模式发生改变。超细粉制备低碳胶凝材料的研究虽然取得显著进展，但在实际应用和理论研究中仍存在以下关键问题，这些问题制约了其规模化推广和技术成熟度。材料性能存在诸多问题。超细粉比表面积大，导致材料孔隙率高，碳化速度比普通水泥快20%-30%（如矿渣基材料碳化深度28天可达5mm），导致碳化和收缩；部分固废（如钢渣）含FeO等活性成分，冻融循环后强度损失率高达15%-20%（普通水泥<5%）导致冻融循环稳定性差；碱激发材料中未反应的Na+易与SO42-生成钠石膏（Na2SO₄·10H2O），受硫酸盐侵蚀敏感易引起膨胀开裂。制备工艺存在瓶颈。超细粉体制备能耗高，现有粉磨技术（如立磨、球磨）制备超细粉（D50<10μm）的单位能耗达50-80kWh/t，占总生产成本的40%-50%，远超传统水泥粉磨能耗（30kWh/t）。超细粉颗粒易团聚，需添加助磨剂（如三乙醇胺），但残留有机物可能影响材料耐久性；反应机理不清晰，超细粉与骨料界面处易形成疏松的C-A-S-H凝胶，而非致密的C-S-H，导致界面强度仅为基体的60%-70%。多尺度结构演化模糊：纳米级超细粉（如硅灰）与微米级颗粒（矿渣）的多尺度反应动力学缺乏原位表征手段，难以精准调控导致反应路径界面过渡区（ITZ）缺陷。环境与成本存在挑战。部分固废（如钢渣含Cr6+、粉煤灰含As）在碱性环境下可能浸出，现有研究多基于短期浸出实验（7-28天），缺乏长期（>50年）安全性验证。碱激发剂污染：强碱性激发剂（如NaOH）生产过程碳排放高（每吨NaOH排放1.5吨CO2），且施工中可能造成土壤碱化（pH>12），有重金属浸出的风险；尽管超细粉材料碳排放比传统水泥低30%-50%，但综合成本（含固废预处理、超细粉磨、激发剂）仍比OPC高20%-40%，缺乏经济竞争力。固废运输半径限制（经济半径<200公里）导致原料供应链不稳定，造成全生命周期成本劣势。标准化与工程应用障碍。标准体系缺失，国内外尚未建立统一的超细粉低碳胶凝材料标准，现有测试方法（如GB/T17671）针对硅酸盐水泥设计，无法准确评价碱激发材料的凝结时间、收缩率等性能，缺乏长期性能数据库，设计规范（如ACI318、Eurocode2）未涵盖此类材料，制约工程应用；施工适应性差，凝结时间不可控：碱激发材料常出现“闪凝”（<30分钟）或“缓凝”（>6小时），难以匹配现场施工节奏。工作性损失快：超细粉基混凝土坍落度1小时内损失率达40%-60%，需高频次添加缓凝剂或减水剂，增加施工复杂度。综上，当前研究需突破材料性能、制备成本、环境风险与标准缺失等多维度瓶颈。未来需通过多学科交叉​（如材料科学、环境工程、人工智能）和全产业链协同​（固废-材料-建筑-回收），推动超细粉低碳胶凝材料从实验室走向规模化应用，最终实现建材行业“双碳”目标。1.6研究内容与技术路线1.6.1研究内容通过对国内外有关文献的阅读、整理，以及对超细粉制备低碳胶凝材料的研究现状进行了调研。本文通过用一种超细粉材料替代传统水泥，具备低碳、固废的效益。针对现有矿渣和粉煤灰全固废胶凝材料体系早期强度低、耐久性能差、原料利用率低等问题，先将矿渣和粉煤灰质量比5：5通过加工磨细进行处理，形成超细粉，以此胶凝材料制备混凝土试件，开展矿渣-粉煤灰固废超细粉胶凝材料的研究。矿渣和粉煤灰中含有大量氧化物，在碱性环境下会发生水化反应，形成更紧密的胶泥物质。[5]故而采用外掺法，在超细粉中添加不同含量的碱性激发剂（4%、5%、6%含量的NaOH）来提高原料的活性，进行超细粉胶凝材料试件的正交试验设计，进行了原材料的检测与配合比设计，采用扫描电镜SEM光谱衍射图对水泥混凝土碱激发过程进行微观分析，对其性能进行进一步深入探索，开展混凝土力学性能和耐久性能的研究。结合试验结果与相关理论，探讨了NaOH碱性激发剂掺量对超细粉低碳胶凝材料强度的影响。1.6.2技术路线根据本文研究内容，确定研究技术路线如图1-1所示图1.1技术路线示意图Fig.1-3Schematicdiagramofthetechnicalroute

2实验材料与方法2.1.原材料选择试验采用的原材料主要有：矿渣粉、粉煤灰粉、水。其中粉煤灰粉、矿渣粉质量比5：5磨细制成超细粉为凝胶材料，氢氧化钠为原料配置碱激发剂。2.1.1矿渣本试验所用矿渣购自河南某企业，如图2.1，表观颜色为米白色。其化学成分见表2.1，可见其成分主要是CaO、SiO2和Al2O3，此外，含有少量的MgO、SO3和Fe2O3。图2.1矿渣外观形貌Figure2.1SlagMorphology

表2.1矿渣主要化学成分(%)Table2.1MainChemicalComponentsofSlag(wt%)样品种类

等级矿渣粉S95样品数量1000g比表面积≥400(m²/kg)429.00流动比≥95(%)98.00活性指数7d≥70(%)84.20活性指数28d≥95(%)98.50密度≥2.8(g/cm³)3.10烧失量≤1.0(%)0.84含水量≤1.0(%)0.45CaO36.69SiO232.83Al2O317.19SO31.94Fe2O30.38MgO8.20K2O0.37Na2O0.65其他1.75的S95矿渣粉（如图2.1所示），密度为3.1g/cm32.1.2粉煤灰本试验所用粉煤灰购自河南某企业，如图2.2，表观颜色为灰黑色。其化学成分见表2.1，粉煤灰的矿物成分主要有CaO、SiO2、Al2O3等，也含有少量其他杂质。大部分粉煤灰颗粒是实心圆珠状或中空圆珠状。粉煤灰由于其独特的形貌特征被大量用于改善混凝土的流动性，也造成市场上优质的粉煤灰供不应求。图2.2粉煤灰外观形貌Figure2.2MorphologyofFlyAshTable2.2Themaincomponentsofcoalash检测内容检测项目技术要求检测结果单项评定细度筛余(%)5um方孔筛≤18%16合格烧矢量灼烧差减法≤5%2.62合格三氧化二铝(%)≥3036.8合格二氧化硅(%)≤5045.1合格含水量(%)≤1.0%0.40合格氯离子(%)≤0.020.015合格三氧化硫(%)≤31.2合格氧化钙(%)≤104.5合格碱含量(%)≤1.50.75合格铁含量(%)0.8-1.00.85合格游离氧化钙(%)≤1.00.85合格密度(g/cm³)≤2.62.1合格堆积密度(g/cm³)0.63-1.381.10合格2.1.3超细粉本实验所用超细粉由矿渣、粉煤灰质量比5：5磨细制成（如图2.3所示）。矿渣、粉煤灰原料装盘放置于（105±5）℃的干燥箱烘干至恒重，用SM-500*500型试验用小型球磨机粉磨1h制备原料粉。按方案选用矿渣粉、粉煤灰称重，用GZM-5型实验室高频共振研磨机制备超细粉。图2.3超细粉外观形貌​Figure2.3AppearanceandMorphologyofUltrafinePowder2.1.4水2.2实验仪器设备及化学试剂2.2.1仪器设备试验使用的主要仪器为表2-3。表2.3试验中所使用的主要仪器与设备Tab.2.3Themaininstrumentsandequipmentusedinthetest序号仪器名称规格生产厂家1恒应力压力试验机YES-3000济南鑫光试验机制造有限公司2水泥恒温恒湿标准养护箱HBY-40B苏州市东华试验仪器有限公司3水泥抗压夹具40mm×40mm北雪韵仪器设备制造有限公司4水泥净浆搅拌机NJ-160无锡新建仪器科技有限公司5SEM扫描电子显微镜Sigma500日本高新技术公司6电子天平FA2004上海舜宇平科学仪器有限公司7水泥胶砂试体成型振实台ZS-15上海雷韵实验制造有限公司8试验用小型球磨机SM-500*500南昌市力源矿冶设备有限公司2.2.2化学试剂试验中使用的主要试剂为表2.4。表2.4主要化学试剂Tab.2.4Mainchemicalreagents试件规格厂家NaOH分析纯天津市恒兴化学试剂制造有限公司水2.3实验方法2.3.1粉磨方式及化学成分测试方法矿渣、粉煤灰原料装盘放置于（105±5）℃的干燥箱烘干至恒重，用SM-500*500型试验用小型球磨机粉磨1h制备原料粉。按方案选用矿渣粉、粉煤灰称重，用GZM-5型实验室高频共振研磨机制备超细粉。并按照GB/T176-2017《水泥化学分析方法》进行化学成分测试。2.3.2碱激发剂的配置碱激发剂激发强度原理分析：碱激发剂提供的强碱性环境，破坏矿渣（CaO-Al2O₃-SiO2）和粉煤灰（SiO2-Al₂O₃-Fe₂O₃）玻璃体中的Si-O-Si和Al-O-Al键，释放活性SiO44-和AlO4⁵-单体；离子协同效应，Na+或K+等离子进入玻璃体网络空穴，降低解离活化能，加速粉煤灰中莫来石相的溶解（实验表明，10%NaOH溶液可使粉煤灰溶解速率提高3倍）。强碱环境还会促进水化产物的进行，活性硅铝与激发剂提供的Na+/OH-反应，生成无定形N-A-S-H凝胶（Na₂O-Al₂O₃-SiO2-H₂O）和少量C-A-S-H凝胶（CaO-Al2O₃-SiO2-H₂O）等凝胶相的生成。碱性激发剂在矿渣-粉煤灰（5:5）基低碳胶凝材料中发挥关键活化作用，其核心功能是通过调控体系pH值和离子环境，打破固体废弃物玻璃体结构并促进水化反应，最终实现高强度、低能耗的胶凝体系构建。2.3.3SEM测试方法SEM测试：主要技术指标为Hv3.0nm(30kv)/20nm(1kv）放大倍率为5-30万。测试样品用碳胶黏贴后喷金。2.3.4净浆抗折及抗压测试方法实验按照混凝土力学性能的规定测试混凝土的抗压及抗折强度。抗压强度试验按不同配合比进行拌合，装入40mm×40mm×40mm的模具中成型，每组制作12块试件，放入标准养护室中养护。待养护到规定龄期（7、28d）时，每个龄期每组取3块在恒应力压力试验机上测定试件的抗压强度并记录数据，加荷速度应控制在2400N/s±200N/s速率范围内。抗折强度试验采用中心加荷法测定抗折强度。按不同配合比进行拌合，装入150mm×150mm×150mm的模具中成型，每组制作12块试件，放入标准养护室中养护。待养护到规定龄期（7、28d）时，每个龄期每组取3块放在杠杆式抗折试验机上进行试验，试件放入前，应使杠杆呈水平状态。试件放入后调整夹具，使杠杆在试件折断时尽可能地接近水平位置，抗折试验加荷速度为50N/s±10N/s，直至折断。

3净浆试件的制备与养护3.1试验配合比设计严格按照规范章程进行设计，试验水胶比为40%。试验的各组配合比如表3.1所示。A0为空白对照组，A1、A2、A3中分别掺入4%、5%、6%的碱性激发剂。表3.1碱性激发剂超细粉混凝土配合比Table3.1MixProportionsofAlkaline-ActivatedUltrafinePowderConcrete试验组

kg/m3超细粉

kg/m3碱性激发剂

%水

kg/m3A06000240A16004240A26005240A360062403.1.2试件的制备图3.1试件制备流程图Figure3.1FlowchartofSpecimenPreparation按图3.1所示依次进行称量、搅拌、振捣制备试件。称量的过程分为根据表3.1的材料用量，称量各组分用量，在称量过程中应当仔细准确，减少称量过程中的误差，根据规范要求：水泥称量误差为2g，水分称量误差为1g。拌合的过程称通过图3.1所示NJ-169型水泥净浆搅拌机进行搅拌，首先将水倒入搅拌锅中，然后依次加入超细粉、水、碱性激发剂（NaOH）然后将搅拌锅固定在底座上，并将其上升到固定位置。然后启动搅拌机，先低速搅拌90s使胶凝材料与水搅拌充分，充分混合时切换到高速搅拌,90s时停止搅拌使用刮具将叶片和锅壁上的胶砂刮入锅中后再次开启高速搅拌60s。对于最后1min的搅拌过程，需要特别注意将附着在锅壁上的胶砂全部刮入锅内，以确保混合物的充分均匀。振捣的过程分为通过图3.2为ZS-15型水泥胶砂振实台进行振捣，先将模具进行涂油，然后放到振捣台上，将搅拌锅里的净浆取出，倒到模具内进行振捣，使其内部振捣均匀，孔隙减少。图3.2水泥砂浆搅拌机Figure3.1Cementmortarmixer3.2试件的养护一般情况下，在试件成型后，需在规定温度环境下静置一段时间后再脱模，一般试件静置时间为不少于24h。静置后脱模要注意小心操作，试件未经养护，强度较低避免损坏试件。脱模后放到恒温养护箱中进行养护。确保养护温度保持在（20±1）℃，湿度不低于90%。记录养护周期，本文养护周期为7d和28d符合净浆试件的周期要求，为后续进行力学性能检测做好充分准备。图3.4试件的养护情况图Figure3.3CuringConditionsofSpecimens

4净浆试件的力学性能分析4.1抗折强度抗折强度表征材料在准静态弯曲载荷作用下的断裂韧性，依据中心加荷法测定抗折强度，抗折试验加荷速度为50N/s±10N/s，对试件进行抗折试验，直至试件折断。图4.1抗折试件Figure4.1FlexuralSpecimen

表4.1抗折强度测试结果Table4.2FlexuralStrengthTestResults序号超细粉/g水/g碱性激发剂（NaOH)掺量/%抗折性能/MPa7d28d1A060024000.72.7A10.62.7A20.82.62B060024041.54.0B11.44.0B21.63.93C060024052.75.0C12.74.7C22.65.34D060024062.44.7D12.34.2D22.24.6图4.2不同碱性激发剂掺量对混凝土抗折强度影响规律Figure4.2EffectofAlkalineActivatorDosageonFlexuralStrengthofConcrete4.2抗压强度抗压强度作为表征材料准静态压缩载荷耐受性的核心参数，其物理本质反映材料内部结构抵抗应力集中引发失效的极限承载能力。本实验依据标准测试规程，采用标准立方体试件（40mm3）进行力学性能表征。图4.3抗压试件Figure4.3CompressionTestSpecimen图4.4压力试验机Figure4.4CompressionTestingMachine表4.2抗压强度测试结果Table4.2CompressiveStrengthTestResults序号超细粉/g水/g碱性激发剂（NaOH)掺量/%抗折性能/MPa7d28d1A0600240015.224.6A115.624.4A215.425.42B0600240422.437.4B122.337.5B222.837.63C0600240542.042.0C139.841.9C242.242.14D0600240638.438.2D138.438.5D238.138.1图4.5不同碱性激发剂掺量对混凝土抗压强度影响规律Figure4.5EffectofAlkalineActivatorDosageonCompressiveStrengthofConcrete4.3结果分析由图4.2和图4.5可知，养护时间为7、28d时，碱性激发剂掺量为0的混凝土抗折、抗压强度明显低于掺了碱性激发剂的净浆试件，碱性激发剂的适量掺入可以提高混凝土的力学性能。抗折、抗压强度变化规律为随着碱性激发剂掺量的增加呈现先升高后降低的趋势。养护时间为7d时，与未掺碱性激发剂的混凝土相比，碱性激发剂掺量为4%、5%和6%时混凝土的抗折、抗压强度都有不同程度的提高，碱性激发剂掺量为5%时混凝土的抗折、抗压强度最大。养护时间为28d时，碱性激发剂掺量为4%、5%和6%时混凝土的抗折、抗压强度提高特别显著，碱性激发剂掺量为5%时混凝土的抗折、抗压强度最大，约为未添加碱激发剂的混凝土的2倍。养护龄期的延长对激发超细粉混凝土的抗折、抗压强度有利，7d的力学性能<28d的力学性能[8]。随碱性激发剂掺量的增加，不同养护时间对碱激发超细粉混凝土的抗折、抗压强度均呈先增加后减小的趋势，与罗加辉等［9,10］的研究结果基本一致。产生这种情况的主要原因为早期矿渣粉与粉煤灰与碱性激发剂产生水化反应，促进了具有胶凝性质水化产物的生成，填充了混凝土内部的孔隙，使其更加贴合、紧实，因此碱激发混凝土的力学性能得到提高。但随着碱性激发剂的增加，水化产物也不断增加，导致原本致密的骨架结构被破坏，抗压强度降低。5超细粉胶凝材料的微观分析当养护龄期达28d时，通过扫描电子显微镜（SEM）研究3种碱性激发剂掺量（NaOH)下超细粉胶凝材料微观结构形态和相关水化产物。图5.1扫描电子显微镜Figure5.1scanningelectronmicroscop

图5.1碱性激发剂掺量为0%时的SEM图Figure5.1SEMImageofConcretewithoutAlkalineActivator图5.1为未添加碱性激发剂的超细粉净浆试件SEM扫描电镜图，可见净浆试件在抗折、抗折试验后出现有裂痕出现，长度大约为2μm，旁边分散着各种粒径大小的颗粒，分布不规律且形状、大小各异。表现出分布不均匀，聚集程度分散，未形成C-S-H凝胶，颗粒度不饱满的特征，这与粉煤灰、矿渣粉早期活性低因素有关，也与Thomas等［11］的研究结果相似。等的研究结果一致。图5.2碱性激发剂掺量为4%时的SEM图Figure5.2.SEMImageofConcretewith4%AlkalineActivatorDosage图5.2为碱激发剂掺量为4%时，裂缝减少，超细粉骨料内部排列开始紧密，同时水化产物开始形成，C-S-H凝胶初具雏形但结合不够完整，与未掺加碱性激发剂的净浆试件相比，颗粒表面形