【摘 要】
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21世纪是海洋的世纪,人工鱼礁作为海洋牧场的核心和主要基础设施,在世界范围内得到大量研究和应用。目前,制备海洋人工鱼礁的主要材料为水泥混凝土。一方面随着资源日益匮乏、工业副产物大量堆存和全球气候变化,普通水泥能耗大,已经不适应当下绿色低碳循环可持续经济的发展;另一方面,普通水泥混凝土人工鱼礁碱性较强,与海洋生物的相容性较差,且成本较高,同时海洋环境中的氯离子和硫酸根离子对普通水泥混凝土结构性能的侵
【基金项目】
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辽宁省科学技术厅.辽宁省重点研发计划项目:粉煤灰基地聚物人工鱼礁制备技术及机理研究（2020JH2/10100016）,起止时间2021.01-2023.05
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21世纪是海洋的世纪,人工鱼礁作为海洋牧场的核心和主要基础设施,在世界范围内得到大量研究和应用。目前,制备海洋人工鱼礁的主要材料为水泥混凝土。一方面随着资源日益匮乏、工业副产物大量堆存和全球气候变化,普通水泥能耗大,已经不适应当下绿色低碳循环可持续经济的发展;另一方面,普通水泥混凝土人工鱼礁碱性较强,与海洋生物的相容性较差,且成本较高,同时海洋环境中的氯离子和硫酸根离子对普通水泥混凝土结构性能的侵蚀破坏巨大,难以保证人工鱼礁的结构稳定性和耐久性。因此,低排放、低碱度、低成本、高耐久新型生态人工鱼礁礁体材料的开发成为目前亟待解决的问题。本文采用粉煤灰作为原材料,采用钠水玻璃与氢氧化钠复配溶液作为碱激发剂,制备以粉煤灰地聚物（Fly Ash Geopolymer,FAG）作为胶凝基质的混凝土人工鱼礁礁体材料（Fly Ash Geopolymer Concrete,FGC）。在实现大宗工业固体废弃物高效利用的基础上,保证鱼礁具有良好的结构性能稳定性与环境相容性,显著延长人工鱼礁在海洋环境中的使用寿命,为FGC在海洋人工鱼礁制备领域的推广应用夯实理论基础、提供科学指导,并推动海洋建设工程领域的节能减排,促进双碳目标的达成。本文的主要研究内容和研究结果如下:（1）通过研究碱掺量（A/F）、激发剂模数（Ms）、水胶比（W/B）和养护制度等因素对FAG结构性能的影响作用,确定了FAG最佳配比,并在此基础上制备出不同强度等级FGC。研究表明FAG最优配合比为A/F 7%、Ms 1.2、W/B 0.30,对应90d抗压强度和抗折强度分别为43.5MPa和7.32MP。最优养护制度为75℃高温养护1d后常温养护至规定龄期,其7d抗压和抗折强度分别达到90d的97.18%和89.65%。确定最优骨胶比、砂率、水胶比为3:1、34%、0.30,并通过调整每立方米激发剂用量制得强度等级为C30、C40、C50的FGC,其28d抗压强度为41.2MPa、49.9MPa和59.9MPa。（2）从流动度、凝结时间、流变特性和坍落度等方面系统研究了FAG与FGC的工作特性。研究表明FAG浆体的凝结时间主要受到A/F和Ms的显著影响,当Ms＜1.4、A/F＞6%时凝结时间显著缩短;当Ms≥1.4、A/F＞6%时凝结时间显著延长,适当增大W/B可以改善粉煤灰地聚物浆体液相环境的传输能力,缩短凝结时间。Na2Si O3/Na OH复合激发FAG新拌浆体符合Herschel-Bulkey流变模型,浆体屈服应力和稠度系数均随碱掺量和水玻璃模数的增大而增大,随水胶比的增大而减小,并且A/F、Ms、W/B的变化不改变浆体的流变模型。FGC的坍落度随骨胶比和砂率的增大而减小,随水胶比的增大而增大。（3）基于干湿循环、电通量与RCM实验方法,以及海水环境仿真模拟,深入研究了FGC的抗硫酸盐侵蚀、抗氯离子渗透和抗海水侵蚀性能。研究表明FGC抗硫酸盐侵蚀设计等级可达到K150以上,实验组最大电通量为300.76C,并且FGC抗海水侵蚀能力强,具有良好的海洋环境相容性。高温养护可以提升FGC的抗硫酸盐性能,降低电通量和氯离子渗透深度,并提高FGC的海洋环境相容性。（4）采用X射线衍射（XRD）、红外光谱分析（FTIR）、差热分析（TG/DTG）、压汞分析（MIP）、场发射扫描电镜（SEM）、背散射扫描电镜（BSE）以及能谱分析（EDS）等技术手段揭示了FAG的水化反应特性与结构性能发展规律。研究表明FAG的水化产物主要为N-A-S-H凝胶体和少量C-A-S-H凝胶体。A/F、W/B、Ms和养护制度对反应进程以及凝胶的生成量具有显著影响,但不改变FAG的物相组成。FGC基体孔隙率随抗压强度等级的提高而减小,孔隙结构变得更加致密,并且钙质骨料中富有活性的含钙成分会在强碱环境下参与地聚物反应,在界面过渡区生成富钙凝胶,进而提高FGC界面过渡区的致密度和力学性能。
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