碱活化粘合剂开发的进展综述

碱活化粘合剂开发的进展综述

杨栋

山东建筑大学山东济南250101

摘要：碱活化在全球研究和发展领域中处于一个高度活跃和快速发展的状态。全球各个国家迅速推进碱活化的商业规模部署。碱活化工艺的引入对镀层结合力无显著影响，但镀速显著减小。这是因为经碱活化后基体表面会生成一层多孔的碱性薄膜，多孔的出现有利于镀层结合力的提升，但薄膜的形成使得基体表面的催化活性点减小，最终致使镀速减小。碱活化过程中，粘合剂对促进镀速起到了关键性作用。本文总结了粘合剂对碱活化进程中的促进作用，重点研究了其粘结剂的前体和活化方法，还确定了未来研究和发展的重要需求，以支持将碱活化材料作为未来可持续建筑材料工业的重要组成部分。

关键词：碱活化材料，粘合剂前体，镀速

粘合剂开发的早期研究和应用主要采用如高炉矿渣，粉煤灰和偏高岭土等前体;这些前体的化学和物理特性以及由它们得到的材料在文献中有详细描述。如本文所简述的，最近的研究大大拓宽了前体的来源和类型。

1.硅锰炉渣

硅锰渣是硅锰冶炼的排放物，它由不规则的多孔无定形颗粒组成，钙含量略低于高炉矿渣，并且在其玻璃相中含有大量的锰。与比较基本的高炉矿渣相比，这降低了其反应性。库马尔等人使用氢氧化钠作为催化剂，并在27±2℃下密封固化28天后获得强度高达101MPa的碱激活水泥浆。然而，高能铣削被认为对实现这一性能非常重要，因为通过该工艺所获得的强度是通过常规球磨工艺处理的相同炉渣的碱活化所获得的强度的三倍以上。

2.矿物尾矿加工

2.1.煤矸石

煤矸石是煤炭开采和清洗过程中排放的矿物废物。它本质上是硅铝酸盐，其主要矿物成分是高岭土，石英和长石。中国煤矸石累计已达38亿吨，处理这么大量的废弃物需要占用大量的土地，并且造成了许多严重的环境问题。AAMs可以使用具有高无定形硅铝酸盐含量的煅烧煤矸石，与化学活化剂结合使用来制备。发现硅酸钠活化煅烧煤矸石浆体的抗压强度在90℃固化24小时后可以达到42.5MPa。

2.2.赤泥

赤泥也称为铝土矿渣，是通过拜耳法从铝土矿中提取氧化铝时产生的废物。它主要由SiO2,Al2O3和Fe2O3组成，主要矿物相为石英，含钠和钙的沸石以及粘土、赤铁矿等。尽管有时热预处理是有利的，但所有这些成分都是AAM生产的合适原料，而来自Al2O3含量低的高效炼油厂的赤泥倾向于在碱活化中相对无反应。使用赤泥和稻壳灰制备抗压强度高达20.5MPa的AAM，长时间固化明显增加了抗压强度和杨氏模量，但降低了延展性。

2.3.矿山尾矿

在中国，超过87％的钒资源存在于硬煤中。从煤中提取钒后留下的尾矿主要由石英、长石、沸石和硅酸钠组成。焦等利用硅酸钠为原料，活化了钒尾矿和粉煤灰的混合物，其目的是生产一种耐火的产品;机械性能在暴露于高达900℃的温度后保持不变，并且在600℃以下未观察到明显的微观结构损伤。张等人也使用F级粉煤灰将铜矿尾矿的Si/Al比调整到适用于碱活化的水平，并使用NaOH溶液作为活化剂来制备具有适当物理性质的AAM以用作常规建材。

3.催化剂残留

全球石油炼油厂以流体催化裂化（FCC）装置中处理原油，每年生产16万吨FCC催化剂残渣。废催化剂是由包括无定形二氧化硅和粘土的铝硅酸盐基质结合在一起的沸石（八面沸石）晶体的附聚物。Tashima等人研究了由FCC催化剂残余物生产的AAM砂浆的合成和机械性能，其在65℃下固化3天后产生约68MPa的抗压强度。罗德里格斯等人也使用FCC催化剂残余物和硅酸钠溶液合成AAM粘结剂以形成高度致密且交联的硅铝酸盐型凝胶。然而，在使用这种残余物作为碱活化的前体时，重要的是要考虑催化剂（特别是镍、钒或镧）的重金属含量，因为这些可能影响AAM材料的性能，在某些条件下也可能浸出。来自不同来源和工艺的催化剂在组成和反应性上也有所不同，这意味着是一种多样化的材料，可以提供一系列性能水平的碱活化产品。

4.煤底灰

煤底灰（CBA）是煤燃烧的副产品，燃烧炉在产生蒸汽和电力的同时在其底部产生煤底灰;粉煤灰也是同时产生的，但产生在炉膛顶部。煤底灰往往比粉煤灰粗，粒径从细砂到细砂砾不等，因此在碱活化中使用前需要先研磨。它只含有少量的半球形颗粒和较少的玻璃，因此往往会导致产生的AAM强度较低。然而，由于底灰在硅酸盐水泥混合物中通常是不反应的，因为其反应性较低并且通常具有明显的重金属含量。虽然重金属问题有影响，但CBA的形态，粒度，表面性质和非晶相含量也影响其在合成碱激活粘合剂中反应的能力。Sathonsaowaphak等人发现，当材料被研磨到足够的细度并且以合适的模量与硅酸钠结合时，可以实现高达58MPa的强度，而Donatello等人使用煤底灰作为混合碱性水泥的高容量组分。

5.稻壳灰

稻壳灰（RHA）是通过燃烧稻壳产生的废物，主要用于发电或其他目的。灰的主要成分是二氧化硅，主要以无定形和部分结晶相存在于高表面积的颗粒中，残余碳为主要杂质（取决于燃烧条件）和其他微量元素如钾和钙。RHA中的无定形二氧化硅是反应性的，可以用作火山灰;其在碱活化中的用途需要额外的的铝，因为RHA的铝含量接近于零。Detphan和Chindaprasirt用煤粉煤灰和RHA制备，NaOH和硅酸钠作为活化剂制备AAM，发现RHA制备AAM的最佳燃烧温度为690℃。根据FA/RHA，RHA细度和活化剂模量的比率，抗压强度高达56MPa。Bernal等人也使用RHA作为替代二氧化硅的来源，用于从NaOH水溶液生产低成本硅酸盐活化溶液，与商业水玻璃相比具有同等或更好的性能，但同时具有环境和经济效益。

6.棕榈油燃料灰

棕榈油燃料(POFA)是棕榈油工业生产的副产品，在世界上许多地方都有大量生产，东南亚的研究人员对其尤其感兴趣，因为它被用作PC混凝土和碱活化的火山灰添加剂。萨利赫等人使用POFA结合硅酸钠、氢氧化钠制备alkali-activated,在60℃条件下养护28天后实现抗压强度高达32.5MPa。其他方面也利用POFA和铝硅酸盐材料，如矿渣和稻壳灰，使碱活化的粉浆或砂浆提高性能。

7.废玻璃

从消费者和工业使用过程中回收废玻璃对世界各地的市政当局来说是一个重大问题。Tashima等人以NaOH和KOH溶液为催化剂，研究碱活化玻璃纤维废弃物的性质和微观结构。在65℃10mol/L氢氧化钠溶液作为催化剂的条件下经过三天的固化，灰浆样品显示抗压强度77MPa。BalaguerPascual等人使用metakaolin(MK)代替玻璃粉的一部分，在系统中引入铝并稳定碱离子。随着MK含量的增加，抗压强度增加到8%。相比之下，没有MK或MK含量低于3%时，抗压强度随时间而降低。在废玻璃的碱活化中，对额外铝源的需求相对常见，因为很少有商业玻璃系统含有足够的铝来产生稳定的AAM。

Bajare等研究了利用回收铝、煅烧高岭土和回收的铅--二氧化硅玻璃(LSG)组合制备泡沫碱活化粘合剂。渣中残留的铝金属与硅酸钠激活剂反应时产生氢气，产生低密度材料(460-550kg/m3)，总孔隙率82-83%，压缩强度从1.1MPa到2.3MPa。这项工作中一个有趣之处是使用废料作为发泡剂;与使用精细分割的金属粉末、过氧化物或基于表面活性剂的泡沫方法相比，这提供了潜在的商业和环境效益。

葛尔泰和Torres-Carrasco用商业水玻璃、NaOH/Na2CO3混合物，以及在NaOH/Na2CO3中溶解废玻璃的解决方案。用NaOH/Na2CO3混合物和玻璃废料混合溶液作为激活剂，28天后的抗压强度超过60MPa，这表明这种玻璃有可能替代商用硅酸盐溶液作为补充硅源。

8.陶瓷废料

陶瓷废料是在砖石建筑的拆除过程中产生的，是瓷器和白制品生产或处置的副产品。陶瓷废料主要由SiO2和Al2O3组成，除了玻璃相外，石英(SiO2)和albite(NaAlSi3O8)是主要晶体相。metakaolin的概念模型可能被用来描述陶瓷废料的碱活化，尽管陶瓷通常在高于metakaolin形成所需的温度下燃烧，因此材料的反应性不高。氢氧化钠和硅酸钠溶液作为活化剂,在65℃条件下固化7天后的最大抗压强度为41MPa。

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