Reaction kinetics and microstructural evolution of alkali-activated electric arc furnace slag
本研究阐明了钠基和钾基激发剂的化学性质如何支配碱激发电弧炉渣的反应动力学、微观结构演变及力学性能，并揭示了虽然钠体系具有更高的早期反应活性和强度，但钾体系能提供持续的发展，且孔隙连通性和凝胶组织在除单纯孔隙率之外也起着至关重要的作用。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
钢铁生产会留下被称为电弧炉渣的大量废料。几十年来，这种材料一直是制造钢铁过程中的副产品，通常最终进入填埋场或用于低价值的应用。然而，科学家们长期以来一直怀疑，这种富含钙、铁和玻璃态硅酸盐的矿渣可以被转化为更有用的东西：一种不需要水泥的建筑粘合剂。这个想法是将这种工业废料与化学溶液混合，以触发一种反应，将固体颗粒转化为坚硬的类石材物质。这种被称为碱激发的过程，提供了一种既能回收废料又能减少传统水泥生产所带来的巨大碳足迹的方法。挑战在于准确理解这种转化是如何发生的，特别是当起始材料含有如此高含量的铁时——铁是一种其行为方式与水泥中更常见成分不同的元素。
来自加泰罗尼亚理工大学的一个研究小组致力于详细绘制这一转化过程。他们采集了细小的电弧炉渣颗粒，并将其与含有钠或钾的不同液体溶液混合。通过仔细调整这些液体的化学性质，他们创造了一系列浆体和砂浆，以观察哪些组合硬化效果最好，以及材料的内部结构随时间如何变化。他们的目标不仅是测量最终形成的块体有多强，还要观察那些无形的进程是如何展开的：反应启动的速度有多快，构成材料支撑作用的微观凝胶如何演变，以及这些变化如何影响材料抵抗水性和干燥收缩的能力。
研究人员发现，所使用的化学溶液类型在反应初期会产生显著差异。使用钠激活的混合物往往反应迅速，在最初几天内就会产生热量并快速获得强度。相比之下，使用钾激活的混合物反应较慢，需要时间来积累强度，但在数月内会持续发展。一种特定的钠基混合物（使用了更高浓度的化学物质）在短短7天内就达到了17.23兆帕的抗压强度，而具有相似化学性质的钾基混合物在7天内达到了12.83兆帕。然而，故事并未就此结束。在120天的时间里，反应较慢的混合物赶上来了，在某些情况下甚至超过了早期的领先者，达到了超过30兆帕的强度。这表明，虽然快速起步令人印象深刻，但缓慢且持续的反应可以带来更致密、更耐用的最终产品。
为了理解为什么会发生这种情况，团队使用了一种通过测量材料吸收红外光来揭示原子间化学键的技术进行了内部观察。他们观察到，凝胶中的主要化学键随着时间的推移缓慢移动了位置，向较低的频率移动。这种偏移表明，凝胶在形成后并非只是静止不动，而是随着月复一月的流逝，不断进行着自我重组，变得更加有序且复杂。这种内部重组是材料性能的关键。研究人员发现，材料的强度和耐久性不仅仅取决于内部存在多少空隙或孔隙。两个样本可能具有完全相同的开孔率，但其中一个会比另一个强得多，且抗水性能好得多。
区别在于这些孔隙是如何连接的。表现最好的材料拥有一种更加扭曲、难以穿行的孔隙网络，从而有效地捕捉离子并减缓水分的移动。这种结构的精细化与红外扫描中观察到的化学重组直接相关。随着凝胶网络变得更加精细和均匀，即使总空隙体积没有显著变化，材料也会变得更强且渗透性更低。这一发现挑战了关于强度仅取决于填充孔洞的普遍假设；相反，强度取决于固体结构围绕这些孔洞是如何排列的。
该研究还考虑了矿渣中极高的铁含量，铁占材料重量的三分之一以上。虽然研究人员无法利用现有工具直接证明铁原子是否成为了主要凝胶结构的一部分，但他们注意到，铁可能在材料的长期演变中发挥作用。铁的存在可能会影响凝胶随时间组织自身的方式，从而可能为这些富铁粘结剂的独特属性做出贡献。研究人员得出结论，这种材料的行为是由持续的凝胶形成和结构精细化过程所支配的，而非简单的干燥或硬化事件。这一见解有助于解释为什么某些混合物表现更好，并表明这些可持续建筑材料的长期稳定性取决于其微观构建模块微妙且持续的重新排列。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。