通过数值模拟和实验验证预测双辊铸造AA6061合金带材中的分离现象及其微观结构形成机制

《Materials Chemistry and Physics》：Prediction of segregation and mechanism of microstructure formation in twin roll cast AA6061 alloy strip through numerical simulation and experimental verification

泡沫混凝土通过铜渣碱激发制备及其性能研究。采用机械发泡工艺制备含不同泡沫体积(40%-60%)和硅灰掺量(0%-100%)的铜渣碱激发泡沫混凝土块，发现泡沫体积增加导致孔隙率提升，抗压强度达3-4.75MPa。XRD、TGA和FTIR证实碱激发反应有效，纳米二氧化硅和黄原胶优化了泡沫稳定性。热导率测试表明密度850-1050kg/m3时性能最佳。本研究为工业固废资源化利用提供了绿色建材解决方案。

　　

Dhiraj Surendra Mahajan | Salman Muhammad

印度孟买印度理工学院土木工程系，邮编400076

摘要

蜂窝混凝土块是目前最受欢迎和需求最大的砌块材料之一。传统的蜂窝块是以OPC-石灰为粘合剂的，通过化学发泡或机械发泡工艺生产而成。利用工业废渣进行碱活化可以提供一种可持续的替代方案。本研究探讨了使用碱活化的铜渣（CS，非铁金属渣）制备蜂窝混凝土块的可行性。这些块体采用机械发泡技术制成（使用月桂基硫酸钠SLS作为发泡剂），碱浓度为6%，硅灰模量不同，发泡体积分别为40%、50%和60%。黄原胶（XG）被用作发泡稳定剂。28天固化后的泡沫样品的X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）数据显示，前驱体发生了溶解，并形成了反应产物。当泡沫块密度为1100-1300 kg/m3时，其最大抗压强度达到了约3 MPa至约4.75 MPa。通过添加粒化高炉矿渣（GGBFS）可以调整泡沫块的密度。添加GGBFS不仅提高了强度，还改善了密度、吸水率和干燥收缩性能。在泡沫块密度分别为约1050 kg/m3（50%泡沫）和约850 kg/m3（60%泡沫）的情况下，其热导率分别为0.33 W/mK和0.27 W/mK。4D X射线图像证实了孔隙分布均匀，孔径范围在15至200 μm之间，并与光学显微镜图像分析结果一致。碱活化的铜渣基蜂窝块通过回收废渣为可持续建筑应用提供了一种环保解决方案。

引言

泡沫块中的孔隙是通过两种方法之一机械形成的：预先发泡或混合发泡[1]。与化学发泡相比，机械发泡能够更好地控制泡沫混凝土的性能，从而产生更细小、更稳定的气泡[2][3]。直接发泡方法的主要问题是气泡的稳定性，因为湿泡沫在热力学上不稳定，可能会通过三种机制发生坍塌：排水、奥斯特瓦尔德熟化（粗化或不成比例反应）和聚集[4]。基础混合物的一致性受原材料和水灰比的影响，也会影响泡沫混凝土的稳定性[5]。胶体颗粒通过吸附气泡并降低界面能来帮助稳定泡沫[6]。对于特定的表面活性剂，添加纳米颗粒（纳米SiO?）和增稠剂可以提高泡沫的稳定性，从而获得稳定的泡沫混凝土[7][8]。 泡沫混凝土在建筑领域越来越受欢迎，但通常需要大量的波特兰水泥。最近，人们研究了利用工业废弃物（如粉煤灰和炉渣）作为水泥替代品的碱活化粘合剂[9][10][11]。虽然碱活化剂（尤其是硅酸钠）会带来环境和经济负担，但先前的研究表明，当硅酸钠含量得到优化时，含有大量工业副产品的碱活化系统仍比基于波特兰水泥的材料具有更低的环境影响[10]。硅酸钠的环境足迹和成本也与其生产方法和能源强度密切相关。由于常用的前驱体GGBFS和粉煤灰的广泛应用，迫切需要寻找替代前驱体材料，并更深入地了解它们在特定应用中的潜力[12]。 铜渣（CS）是非铁金属生产过程中的副产品，通常通过填埋处理。研究表明，随着活化溶液中初始硅含量的增加，碱活化材料的抗压强度呈线性提高[13][14]。然而，存在一个最佳的SiO?/Na?O比例，这受到前驱体材料化学成分和矿物学特性的影响。调节机械发泡产生的无机泡沫性能的一种常用方法是调整预成型泡沫的数量和密度，或微调与粘合剂浆料的混合过程[15][16]。然而，无机泡沫的最终性能可能因粘合剂材料的具体反应机制而有所不同[9]。结合不同的前驱体来制备泡沫块也可能产生有潜力的产品。关于使用铜渣作为前驱体的碱活化泡沫混凝土的研究较少，这突显了进一步研究通过碱活化材料（特别是铜渣）制备泡沫混凝土的可行性，以及探讨活化剂用量和泡沫含量对物理、机械和微观结构性能影响的必要性。 本研究利用机械发泡技术，研究了用碱溶液活化的铜渣（CS）制备蜂窝混凝土块的过程。分别添加了粒化高炉矿渣（GGBFS）和黄原胶以增强反应性和泡沫稳定性。对制备的块体进行了物理、机械和热性能以及微观结构特性的评估。研究结果表明，碱活化的铜渣-GGBFS体系可作为高性能蜂窝混凝土应用的可持续替代方案。

材料与方法

用于制备碱活化泡沫混凝土块的铜渣（CS）来自印度古吉拉特邦Dahej的一家铜冶炼厂。原始颗粒状的铜渣在实验室规模的球磨机中研磨至细度约为5000 cm2/g。粒化高炉矿渣（GGBFS）来自印度孟买附近的JSW钢铁厂。氢氧化钠（SH）颗粒和硅酸钠（SS）溶液分别从Loba Chemie Pvt. Ltd和Merck Life Science Pvt. Ltd采购。

物理表征

2显示了铜渣（CS）和粒化高炉矿渣（GGBFS）的比重和比表面积。铜渣的比重为4.08，高于通常用于砂浆和混凝土中的OPC、其他硅酸盐水泥、粉煤灰和GGBFS。较高的比重是由于其中含有大量的FeO[40]。铜渣的布莱恩细度（Blaine fineness）约为5200 cm2/g，高于GGBFS的约3800 cm2/g。为了提高细度，铜渣被进一步研磨。

结论与未来展望

使用黄原胶稳定的SLS生成的泡沫与所有碱活化混合物均兼容，密度变化范围为4–14%。通过光学和4D X射线显微镜观察，确认了泡沫的稳定性以及添加的泡沫含量。硅灰模量的增加提高了反应动力学，这一点通过TGA、XRD和FTIR得到了验证。 抗压强度和干密度受到泡沫体积的显著影响。在100%铜渣的块体中，当泡沫体积为40%时，抗压强度达到了约4.70 MPa和约3.10 MPa。

作者贡献声明

Salman Muhammad: 写作 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源协调、方法论制定、资金获取、概念构思。 Dhiraj Surendra Mahajan: 写作 – 原稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。