提高低熟料水泥和混凝土的早期强度

演讲者：Dhanush Bejjarapu，EPFL

降低水泥和混凝土的熟料含量对于降低其碳足迹至关重要。主要的技术限制是保持现有施工进度所需的 1 或 2 天早期强度。在本演讲中，我们将探讨改善早期强度发展的策略，包括优化研磨和颗粒填充、播种和加速器。

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大家好，我是一名在卡伦·斯克里尔教授的实验室工作的第二年博士生，研究方向是建筑材料。我的主要研究领域是低碳水泥和混凝土的耐久性表征，但今天我将讨论如何提高当地低能耗水泥和混凝土的早期强度。由于卡伦·斯克里尔教授这次无法参加ACI会议，所以我将尽力代替她。

让我们从众所周知的迈向净零排放的多维度方法开始。我将向大家展示如何在不同尺度上减少二氧化碳排放。在水泥尺度上，我们可以通过低熟料混合料来降低熟料系数。但这方面也存在一些挑战，尤其是在早期强度和和易性方面，我们将在演示中对此进行探讨。当我们进入混凝土尺度时，我们的重点将是减少混凝土中使用的水泥量。这可以通过低粘合剂混凝土配方来实现。最后，在结构层面，我们尝试将混凝土放置在需要的地方，换句话说，我们尝试优化结构设计，从而减少二氧化碳排放。这就是多维度方法。然而，今天我们将讨论水泥尺度和低熟料混合料的早期强度。

当我们谈论低熟料混合料时，我们需要谈论补充胶凝材料（SCMs）。这张图显示了不同种类补充胶凝材料的成分范围，包括传统、未来和新兴的补充胶凝材料。从反应性和可用性的角度来看，我们在实验室里最常使用的是石灰石钙质粘土（LC3）。LC3基本上是用钙质粘土和石灰石代替熟料。以下是LC3 50和LC3 35的常见配方，其中50%和35%的熟料被钙质粘土和石灰石替代，替代比例可以是2:1、1:1等等。

首先，我们应该问自己，当我们用其他材料代替水泥时，为什么会出现早期强度问题？答案在于，与水泥或AET相比，补充胶凝材料的反应程度较低。如图所示，补充胶凝材料的反应程度比AET慢，虽然它们最终会赶上，但由于补充胶凝材料反应速度慢而导致的问题是早期强度不足。此图显示了矿渣、粉煤灰和炉渣的反应程度包络线，这些包络线是根据30%到50%的熟料替代率生成的。可以看出，补充胶凝材料的反应速度慢会导致早期强度低的问题。如果我们看看不同龄期（2天、7天和28天）的抗压强度数据，LC3 50和LC3 35体系的强度比普通4号水泥（100% OPC）和Juroeo3（一种商业混合水泥）低得多。在2天和7天时，问题尤其突出，但在28天时，LC3体系的强度发展赶了上来。因此，我们正在寻找提高低熟料体系早期强度的策略，本次报告的主要重点是基于LC3的体系，以及我们实验室采用的策略，例如：CSS晶种、使用商业晶种、碱醇胺和碱式硫酸盐的组合，以及我们实验室最先进的研磨设备。

让我们从CSS晶种开始。提高早期强度的其中一个方法是添加市面上可用的商业CSS晶种。对于那些不知道的人来说，CSH晶种充当次级成核位点，促进CSH远离熟料颗粒的形成。这减少了对Alite溶解的抑制，可以增加Alite溶解，也可以增加铝酸盐反应，从而提高强度。我将展示的结果使用了2%剂量的Master Xceed。这些是LC3 50体系的水化动力学结果。黑色曲线是LC3 50参考体系，红色曲线是添加2%晶种的LC3 50。可以清楚地看到，第一个峰值加速了，铝酸盐反应增强了，所有龄期的累积热量都增加了。这是我们可以利用CSS晶种来改善水化动力学的一种方法。然而，当我们观察抗压强度时，结果有点喜忧参半。因为，如果我们观察LC3 50参考体系和添加2%晶种的LC3 50的结果，在3天内，晶种的结果几乎与参考LC3 50相当，甚至略低；在7天时，使用晶种的性能略好；在28天时，强度有所下降，但满足了标准的要求。使用晶种的目的在于，我们确实有商业解决方案，即CSS晶种，来改善LC3 50的早期水化。但是，让我们来看第二个解决方案，即碱醇胺和碱式硫酸盐。许多从事研磨工作的人可能会将碱醇胺识别为研磨助剂，因为它们被用作更好的熟料细度的研磨助剂。但在这里，我谈论的是将碱醇胺作为加速剂直接添加到混合物中，不仅是胺，还有碱式硫酸盐，这些也是人们常用的加速剂。研究还表明，当两者组合使用时，碱醇胺和碱式硫酸盐都能获得更好的加速效果。有许多种碱醇胺，但这里我将展示有关二异丙胺（DIPA）和硫酸钾的结果。这是因为我们已经对不同的碱醇胺和不同的碱式硫酸盐进行了中试研究，并将所有内容缩小到这两种化学物质。我们通常优化体系的方法是，首先有一个参考体系，然后添加不同百分比的DIPA，以及不同剂量的DIPA和硫酸钾的组合，并尝试确定使用这些不同剂量时的最佳强度。

让我们看看1天、2天和28天的结果。当我们添加DIPA时，与LC3 50相比，强度略有提高，但当组合添加DIPA和硫酸钾时，1天的强度显著提高，几乎提高了137%。如果我们看一下2天的强度，与使用DIPA和硫酸钾的参考LC3 50相比，它又提高了75%。另一个有趣的事情是，在28天时强度没有下降，因为文献中有一些工作发现，使用DIPA或硫酸钾可能会降低强度。在这里，我们没有看到强度下降，这是一个有趣的选项。如果您想知道为什么强度会增加，已经发表了很多工作，弗朗哥伊诺教授也做了这方面的工作，其机制基本上是，使用碱性物质实际上增强了铁酸盐和C3A反应，这促进了铝酸盐的溶解，也促进了铝酸盐水化产物的形成。

让我们来看最后一个解决方案，即我们拥有的最先进的研磨设备，我们称之为FID技术低碳研磨机。但在那之前，我们也应该看看研磨技术的有趣发展。我认为球磨机已经存在一百多年了，它的工作原理是，使用钢球作为研磨介质，这些钢球作为研磨介质，将颗粒压碎在旋转磨机的壁上。几十年来，这是一种流行的选择，因为它投资相对较低，而且使用简单。但问题是，使用球磨机的能量效率非常低，这种高能耗导致了21世纪初其他技术的出现。在21世纪初，垂直辊磨机现在相当普遍，它的工作原理是，物料被送入旋转台的中心，物料实际上通过旋转力分布到这些研磨区域，然后研磨物料被送到颗粒分离器，最终馏分被过滤出来，但粗馏分又被送回中心，并循环到研磨区，依此类推，这发生在多个循环中。与球磨机相比，垂直辊磨机有很多优点，但仍然存在一些问题，因为由于旋转力不均匀，颗粒不均匀地分布到研磨区，导致效率降低，需要更多的循环才能达到一定的细度。还有一点是，当我们有不同硬度材料的混合物时，使用垂直辊磨机很难获得优化的粒度分布。我们还有高压辊磨机，这也是一项相对较新的技术，我们有反向旋转的辊子，可以将水泥压碎，当它通过中间时，它像蛋糕一样出来。但高压辊磨机的问题是，它不用于耐磨材料，因此它不适用于这种情况。我们实验室拥有的FID技术低碳研磨机的工作原理是，与垂直辊磨机不同，物料直接送入研磨区。它被送入研磨区，并且有不同的工艺设置来获得最终材料，例如，您还可以放入不同硬度的材料，并获得具有更好细度的输出。这样做的好处是，我们减少了将材料研磨到一定细度所需的循环次数，提高了能量效率，我们还可以将其作为一种可持续的替代方案，因为我们可以提高当地低能耗体系的反应性，我们还可以提高早期强度等等。

这是我们实验室的原型机，其能力为每小时150公斤，但FID技术公司也有更高能力的完整运行机器。如果我们看看使用FID磨机的抗压强度，正如我们所预期的那样，在1天和2天时抗压强度都有所提高，但更有趣的是，当我们观察比表面积与中值粒径的关系时，结果显示，黑线对应于商业研磨水泥，蓝线对应于FID磨机水泥。可以清楚地看到斜率的变化，使用FID磨机，对于中值粒径的类似下降，比表面积的增加更大。您可能会好奇，为什么使用FID低碳磨机时比表面积的增加更大？这要归结于扫描电镜图像。这是使用FID低碳磨机研磨的水泥的扫描电镜图像，在这里可以清楚地看到，与传统研磨相比，使用FID低碳磨机对材料进行了剪切断裂，传统研磨主要发生冲击断裂。这是使用FID低碳磨机的一个优势，这就是为什么比表面积更高的原因。

总之，我首先介绍了一些更通用的解决方案，例如商业晶种，但使用LC3体系的人也可以探索使用碱醇胺和碱式硫酸盐，您可以自己确定剂量，并尝试优化剂量。最后，这种最先进的研磨技术是我们实验室特有的，它被证明可以提高LC3体系的早期强度。这就是我今天的全部内容，谢谢大家，如果您有任何问题，我很乐意解答。谢谢。

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