本文参加百家号#科学了不起#系列征文赛。燃煤发电站产生的粉煤灰是一个令人头疼的环境问题，巨大的垃圾填埋场和灰坝会造成地下水和空气污染。一些废品可以重新用于聚合物混凝土中，例如用于结构的预制热固化元件。然而，关键的耐久性问题是抗极端碱侵蚀能力低。约翰内斯堡大学的研究人员发现，高温热处理(HTHT)可以将粉煤灰高聚物混凝土中的这种有害机理降低一半。在之前的研究中，我们发现粉煤灰高聚物混凝土在极端碱性条件下会变得脆弱，基于这一研究，建议这种材料不应用于暴露在高碱性介质中的结构中，如一些化工仓储设施等。”AbdolhosseinNaghizadeh博士说：我们的新研究结果表明，将聚合物混凝土暴露在评估温度下，最好是摄氏度，可以显著提高其抗碱能力。极端碱性介质在《CaseStudiesinConstructionMaterials》杂志上发表的研究报告中，将粉煤灰高聚物砂浆块在、、或摄氏度的高温下加热固化6小时。然后将其浸泡在水中、中碱性介质或极端碱性介质中；并在80摄氏度下储存14天或28天，这取决于性能测量结果。长时间加热固化28天，与其他研究中采用相同固化制度的结果进行比较。这种长期固化适合于研究目的，但不建议在实际施工中使用。（中碱培养基为1MNaOH溶液。极端碱性介质为3m的NaOH溶液)。℃下加热固化的硬化块，浸入极碱介质(即/3M块)中，在碱侵袭时保持约50％的残余强度为22.6MPa。“Naghizadeh说：在其他温度下热固化的砌块在10.3至14.6兆帕的残余强度保持得更低。浸泡在极碱介质中的/3M砌块仅显示出有限的细裂纹，其他砌块则显示出严重的裂纹，表明膨胀率低。在/3M块中，硅和铝的浸出率最低。X射线衍射显示，在/3m块的粘结剂相中形成了结晶矿物--白云石和硅铁矿和硅铁矿。对/3m粘结剂的扫描电镜图像显示，/3m粘结剂中存在凝胶状物质，具有碱侵蚀的特征。”他说：热固化明显降低了侵蚀强度，但无法阻止侵蚀。度的高温热处理（HTHT）通过抑制硬化后的高分子混凝土基体内未反应的粉煤灰颗粒的溶解而产生这种效果。然而，高温热处理也使这些砌块的抗压强度降低了26.7%。最适合作为预制件使用粉煤灰胶结剂表现出显著的耐久性能。Naghizadeh说，其中包括高抗碱-硅酸盐反应、优异的耐酸性和高耐火性、低碳化和有限的硫酸盐侵蚀等。粉煤灰高分子水泥大多适用于工厂或车间生产的预制混凝土。原因是，在环境温度下，胶凝材料水泥混合物的强度发展一般比较缓慢。这就使得热固化对于早期强度的提高是必要的或必不可少的。为热固化预制普通硅酸盐水泥（OPC）而建立的实用方法可以适用于此。这使得粉煤灰土工聚合物适用于预制混凝土构件，如建筑物和桥梁的梁或梁架、铁路枕木、墙板、空心板和混凝土管道等。对于普通的粉煤灰高聚物混凝土，在60至80摄氏度的温度下加热24小时就可以达到足够的强度。这种固化制度（温度和时间）在水泥工业中很常见，一些波特兰水泥混凝土也采用这种固化制度。虽然土工布水泥的应用逐年增加，但与OPC相比，土工布水泥的应用并不广泛。在欧洲国家、中国、澳大利亚和美国，土工布作为粘结剂主要应用于住宅结构、桥梁、跑道的粘结剂。新一代水泥自18世纪中叶以来，OPC被广泛用于生产混凝土。它的耐久性能已经被人们所熟知，而且它的长期行为是可以预测的。然而，在某些应用中，新一代的水泥作为OPC的合适替代品正在出现。这些土工聚物水泥（或土工聚物粘结剂）的性质和微观结构与OPC完全不同。用于胶凝剂的起始材料需要含有丰富的氧化铝和硅酸盐含量。根据这一标准，多种工业废弃物或副产品都符合条件，包括稻壳灰、棕榈油燃料灰和电厂粉煤灰。然而，粉煤灰作为土工水泥有两个优点，Naghizadeh说。首先，粉煤灰在全球范围内有数百万吨的粉煤灰，包括发展中国家。将粉煤灰作为建筑材料进行再利用，有可能减少其对环境的一些影响。目前，粉煤灰被丢弃在燃煤电厂附近的大型粉煤灰坝和垃圾填埋场中，会产生空气和地下水污染。粉煤灰作为高分子水泥的起始材料的第二个优势是其化学成分。通常情况下，粉煤灰中含有足够丰富的活性硅和铝氧化物，这使得胶凝材料的胶凝效果更好。这反过来，与使用其他含铝硅酸盐的废品制成的土工水泥相比，可得到具有优异的机械、物理和耐久性能的粘结剂。更为复杂的混合料设计工程师在设计建筑时，需要保证结构中使用的混凝土在使用年限内具有预期的强度。但是，混凝土和其他建筑材料的物理力学性能会随着时间的推移而发生变化。这种变化会影响材料在建筑使用年限内的性能。一般情况下，OPC混凝土混合料包括水泥、水和骨料。土木工程师根据这三种成分的特定比例来制定OPC混合料的设计方案，以达到预期的结构效果。对于由硅酸钠和氢氧化钠激活的粉煤灰基高分子聚合物混凝土，混合料设计比OPC要复杂得多。Naghizadeh说。涉及到更多的参数：粉煤灰、硅酸钠、氢氧化钠、水和骨料的用量；以及氢氧化钠的浓度；碱内玻璃的比例和质量。粉煤灰坝的粉煤灰StephenEkolu教授说，在南非，使用粉煤灰作为土工水泥的研究非常有限。Ekolu是该研究的共同作者，也是约翰内斯堡大学土木工程与建筑环境学院前院长。现有的粉煤灰高聚物混凝土研究使用的是直接从发电站提供的粉煤灰。关于利用垃圾填埋场和灰坝中的粉煤灰（技术上称为底灰）生产土工水泥，还需要进一步研究。目前最大的研究问题是材料质量、混合料设计以及开发出允许在环境条件下固化的技术，而不是目前在高温下固化的做法。一旦这三个科学问题得到解决，粉煤灰乃至大多数其他形式的胶凝材料水泥就可以更好地作为OPC的替代品在全球范围内推广。Ekolu说。不是混凝土扩展剂目前，少量的粉煤灰被用作普通的水泥稀释剂。在南非，这一用量占每年生产的3,万吨水泥的10%。粉煤灰与熟料混合生产波佐兰酸波特兰水泥（PPC）。虽然粉煤灰作为常用的OPC外加剂，但粉煤灰基高聚物混凝土（FA-GC）并没有与OPC基混凝土结合。原因在于OPC的水化过程与FA-GC的胶凝反应完全不同。而且，OPC基混凝土和土工聚物混凝土所需要的养护条件也各不相同。与OPC的生产方式不同OPC生产中的主要阶段是煅烧和研磨过程。与OPC不同的是，土工聚物生产不需要这些阶段。以粉煤灰为基础的胶凝材料粘结剂由两部分组成。粉煤灰和一种碱活化剂。通常情况下，粉煤灰按发电站生产的方式使用，不需要进一步处理。碱活化剂溶液，如硅酸钠、氢氧化钠等碱活化剂溶液在行业内也被大量生产。如洗涤剂、纺织品生产等，这些都有多种用途。绿色混凝土在不同的环境条件下，土工布水泥的长期耐久性需要进一步研究。同时，全球建筑行业缺乏对土工聚合物生产的技术知识。为了采用土工聚物粘结剂，工程师、技术人员和建筑工人需要接受培训，以设计和生产出具有所需性能的土工聚物混凝土混合料设计。Naghizadeh说。毫无疑问，由于波特兰水泥对环境的巨大影响，未来需要限制波特兰水泥的生产。这其中包括约5％至8％的全球人为二氧化碳排放到大气中，造成了气候变化。Ekolu说。包括约翰内斯堡大学的研究在内的多项研究表明，粉煤灰胶凝材料可以表现出与波特兰水泥的优异或类似的性能。这使得它在某些应用中成为替代波特兰水泥的合适选择。此外，粉煤灰在全球范围内，特别是在发展中国家，从潜在的问题废品再利用的角度来看，粉煤灰的可利用性为生产比普通波特兰水泥更经济的绿色混凝土提供了机会。

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