堿激發(fā)膠凝材料的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用分析

李華偉，范家俊，孫浩旭，潘 鴻，謝汶樺

(武夷學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，武夷山 354300)

“十四五”期間，“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)將帶來一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革，意味著需要以前所未有的力度貫徹綠色、低碳、循環(huán)的發(fā)展理念，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)亟待進(jìn)一步推進(jìn)[1]。堿激發(fā)材料是一種以工業(yè)固廢作為主要原材料的膠凝材料，其CO2排放量不到傳統(tǒng)硅酸鹽水泥的40%，同時(shí)，堿激發(fā)材料具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能與耐久性能，尤其能夠在海洋土木工程中發(fā)揮巨大的作用，具有良好的發(fā)展前景[2]。然而，用于配置堿激發(fā)膠凝材料的工業(yè)固廢與堿性激發(fā)劑種類繁多，造成堿激發(fā)膠凝材料品質(zhì)相對(duì)不穩(wěn)定的后果[3]。為此，該文主要從堿激發(fā)材料的力學(xué)性能、耐久性能與水化微結(jié)構(gòu)三個(gè)方面綜述了堿激發(fā)膠凝材料目前的研究現(xiàn)狀，探討堿激發(fā)材料的工程應(yīng)用并總結(jié)其瓶頸問題，最后對(duì)進(jìn)一步深入研究堿激發(fā)材料進(jìn)行展望。

1 堿激發(fā)膠凝材料的力學(xué)性能

堿激發(fā)材料的力學(xué)性能的相關(guān)研究主要圍繞其強(qiáng)度方面展開。通常而言，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為堿激發(fā)材料的力學(xué)性能主要與原材料的本征屬性、堿性激發(fā)劑、養(yǎng)護(hù)條件這三個(gè)方面相關(guān)。

1.1 原材料本征屬性的影響

肖珊珊[4]研究了原材料理化性質(zhì)對(duì)粉煤灰/礦渣堿激發(fā)材料體系的影響，研究表明粉煤灰細(xì)度與其CaO含量和礦渣的堿度系數(shù)對(duì)材料力學(xué)性能具有顯著影響。宋維龍[5]開展了多元工業(yè)固廢對(duì)堿激發(fā)材料力學(xué)性能影響的研究，試驗(yàn)以粉煤灰、礦渣與鋼渣作為主要原材料，水玻璃與氫氧化鈉為激發(fā)劑制備了膠凝材料，結(jié)果表明復(fù)合使用粉煤灰、礦渣與鋼渣對(duì)堿激發(fā)材料力學(xué)性能發(fā)展具有促進(jìn)作用，尤其是粉煤灰與礦渣具有很好的協(xié)同效應(yīng)，能夠增加膠凝材料內(nèi)部膠結(jié)強(qiáng)度，提升整體力學(xué)性能。

1.2 堿性激發(fā)劑的影響

金磊[6]研究了NaOH溶液對(duì)礦渣基堿激發(fā)材料抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明NaOH的摻量能夠顯著影響其抗壓強(qiáng)度，并且隨著摻量的增大呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，其中28 d最高抗壓強(qiáng)度達(dá)到56.8 MPa。湯州龍[7]采用NaOH、Na2CO3與水玻璃配置礦渣堿激發(fā)材料，結(jié)果表明，水玻璃的激發(fā)效果最好，同時(shí)提高堿激發(fā)劑中的堿含量能夠提升材料的抗壓強(qiáng)度。

1.3 養(yǎng)護(hù)條件的影響

劉倩[8]研究了高溫作用下礦渣堿激發(fā)材料的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明，當(dāng)堿濃度為4%與6%時(shí)，高溫作用后的堿激發(fā)材料強(qiáng)度隨著水玻璃模數(shù)增大而減小，當(dāng)堿濃度為8%時(shí)，模數(shù)為2的堿激發(fā)材料高溫后相對(duì)殘余抗壓強(qiáng)度最高。李福海[9]研究了養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)堿激發(fā)粉煤灰砂漿強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，養(yǎng)護(hù)溫度影響了膠凝材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，并且養(yǎng)護(hù)溫度促進(jìn)了粉煤灰水化進(jìn)程，內(nèi)部微結(jié)構(gòu)隨著齡期的增長而逐步完善，宏觀上表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。

綜上所述，影響堿激發(fā)材料力學(xué)性能的因素有諸多方面，但對(duì)其抗壓強(qiáng)度與各組分最優(yōu)摻量方面仍存在分歧，需要進(jìn)一步開展深入研究。

2 堿激發(fā)材料的耐久性能

目前對(duì)堿激發(fā)材料耐久性能的研究集中于收縮性、抗侵蝕性與抗凍融能力幾個(gè)方面。

2.1 收縮性能

王宿楨[10]系統(tǒng)研究了礦渣堿激發(fā)材料的自收縮性能，結(jié)果表明，NaOH激發(fā)的礦渣堿激發(fā)材料的自收縮呈先增大后減小趨勢(shì)，而水玻璃/NaOH激發(fā)的材料的自收縮隨著堿當(dāng)量的增加不斷增大，MgO/NaOH激發(fā)的礦渣堿激發(fā)材料的自收縮隨著MgO/NaOH摩爾比的減小表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。王東平[11]開展粉煤灰摻量對(duì)礦渣堿激發(fā)砂漿的收縮性能，結(jié)果表明，粉煤灰的摻入能夠顯著改善堿激發(fā)材料的收縮問題。同時(shí)，薛恒岳[12]的研究也發(fā)現(xiàn)了上述規(guī)律。

2.2 抗侵蝕性能

鮑玖文[13]開展了干濕交替作用下堿激發(fā)材料的氯鹽侵蝕性能研究，結(jié)果表明，堿激發(fā)材料表面氯離子濃度與表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著干濕循環(huán)時(shí)間比的增加呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，同時(shí)該研究也建立并驗(yàn)證了相應(yīng)的氯離子傳輸模型。金宇[14]開展了侵蝕介質(zhì)作用下堿激發(fā)礦渣混凝土耐久性試驗(yàn)，結(jié)果表明，氫氧化鉀配制的堿激發(fā)礦渣材料較水玻璃具有更好的抗侵蝕介質(zhì)的性能。

2.3 抗凍融性能

李琦[15]研究了凍融條件下礦渣堿激發(fā)混凝土的質(zhì)量與強(qiáng)度損失，結(jié)果表明隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，強(qiáng)度損失率上升幅度明顯，同時(shí)，會(huì)引起材料內(nèi)部裂縫擴(kuò)展，引發(fā)進(jìn)一步的侵蝕作用。孫科科[16]制備了偏高嶺土堿激發(fā)混凝土，抗凍性能與其Na2O與Al2O3物質(zhì)的量比相關(guān)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，與OPC混凝土相比，當(dāng)抗壓強(qiáng)度為30～50 MPa時(shí)，偏高嶺土堿激發(fā)混凝土性能更優(yōu)異。

綜上，堿激發(fā)材料無論在抗氯離子侵蝕、硫酸根離子侵蝕與抗凍融性能方面均有著較為優(yōu)異的表現(xiàn)，但仍存在著難以調(diào)控的自收縮問題。因此，需要結(jié)合堿激發(fā)材料收縮特性開展相應(yīng)的科學(xué)研究，以保證其在實(shí)際工程中發(fā)揮更優(yōu)異的作用。

3 堿激發(fā)材料的水化微結(jié)構(gòu)

通常而言，堿激發(fā)材料是一種具有由硅氧四面體與鋁氧四面體交互形成的三維網(wǎng)絡(luò)凝膠體結(jié)構(gòu)，此節(jié)從水化熱、孔隙結(jié)構(gòu)與水化產(chǎn)物三個(gè)方面分析堿激發(fā)材料的水化微結(jié)構(gòu)。

3.1 水化熱

龍武劍[17]研究羥基乙叉二膦酸四鈉(HEDP.Na4)對(duì)堿激發(fā)材料新拌性能與硬化性能的影響變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)HEDP.Na4會(huì)延遲堿激發(fā)材料漿體的初凝和終凝時(shí)間，并能夠顯著降低材料的總體水化放熱量。劉奎生[18]采用水玻璃制備鋼渣基堿激發(fā)材料并探究了其水化放熱變化規(guī)律，結(jié)果顯示隨著水玻璃模數(shù)增大，鋼渣基堿激發(fā)材料體系的第二個(gè)水化放熱峰產(chǎn)生延遲現(xiàn)象，同時(shí)降低了峰值反應(yīng)速率。

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)

李曉麗[19]開展了砒砂巖地聚物的微觀結(jié)構(gòu)研究，研究顯示凝膠的生產(chǎn)量促進(jìn)了材料內(nèi)部10 nm以下孔徑的占比，同時(shí)砒砂巖地聚物的總孔隙率達(dá)到最低值。張文艷[20]探討了減縮劑對(duì)堿激發(fā)煤矸石-礦渣膠凝材料力學(xué)性能與孔隙結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明減縮劑不會(huì)對(duì)膠凝材料體系的水化產(chǎn)物類型發(fā)生影響，但由于材料早期聚合反應(yīng)受到抑制作用，材料的孔隙率產(chǎn)生了增大的趨勢(shì)。李福海[9]也開展了堿激發(fā)材料的孔隙結(jié)構(gòu)特征研究，結(jié)果顯示隨著齡期增長，孔結(jié)構(gòu)分布由離散型的大孔結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉植季鶆虻男】捉Y(jié)構(gòu)。

3.3 水化產(chǎn)物

劉樹龍[21]采用礦渣、鋼渣、脫硫石膏與生石灰配置了堿激發(fā)材料，結(jié)果表明該體系下水化產(chǎn)物主要以鈣礬石與C-S-H凝膠為主，且產(chǎn)物結(jié)構(gòu)結(jié)晶度交聯(lián)度隨著齡期增長不斷提升。馬倩敏[22]采用水玻璃配置礦渣堿激發(fā)材料并探究其水化產(chǎn)物變化規(guī)律，研究結(jié)果表明，水化產(chǎn)物以C-S-H與C-A-S-H為主，并伴隨著少量的斜方鈣沸石與水滑石，另外，當(dāng)激發(fā)劑模數(shù)較高時(shí)，更有利于C-A-S-H的產(chǎn)生。

對(duì)于堿激發(fā)材料的水化微結(jié)構(gòu)，堿激發(fā)材料普遍以硅鋁酸鈣凝膠產(chǎn)物為主，但其微結(jié)構(gòu)特性仍難以精確調(diào)控。因此，為了進(jìn)一步了解其水化過程與微觀結(jié)構(gòu)特性，仍需要開展大量的研究工作。

4 堿激發(fā)材料的工程應(yīng)用及其瓶頸問題

堿激發(fā)材料是一種綠色低碳型膠凝材料，不僅能夠極大程度消納電力、化工與鋼鐵制造行業(yè)生產(chǎn)過程中排放出的固體廢棄物，也能進(jìn)一步降低硅酸鹽水泥的使用量，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)與建設(shè)工程行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。然而，隨著目前堿激發(fā)材料的不斷發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)代建筑工程行業(yè)的發(fā)展背景，在其工程應(yīng)用方面仍存在許多問題需要解決。

首先，堿激發(fā)材料的原材料來源難以控制，以致所配置的堿激發(fā)材料在結(jié)構(gòu)性能方面常常出現(xiàn)較大波動(dòng)，暫時(shí)難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的制備方法。同時(shí)，其凝結(jié)硬化特征常常難以調(diào)控，而該問題是堿激發(fā)材料在工程建設(shè)行業(yè)應(yīng)用面臨的重要問題，因此，進(jìn)一步推廣堿激發(fā)材料需要合理選擇其原料來源。其次，堿激發(fā)材料的強(qiáng)度形成原理不同于一般水泥膠凝材料，其配合比設(shè)計(jì)仍需進(jìn)一步進(jìn)行研究；并且由于材料的多樣性與養(yǎng)護(hù)條件的多樣性，如何設(shè)計(jì)出高性能的堿激發(fā)材料以滿足其工程應(yīng)用也是一項(xiàng)十分重要的問題。最后，在耐久性能方面，堿激發(fā)材料通常認(rèn)為具有十分優(yōu)異的抗侵蝕能力，但對(duì)于其抗侵蝕機(jī)理與抗侵蝕過程的研究仍十分缺乏，為此，進(jìn)一步探究堿激發(fā)材料的抗侵蝕性能提升機(jī)理是實(shí)現(xiàn)其在復(fù)雜耦合工程環(huán)境下應(yīng)用的重要方向。

5 展 望

實(shí)現(xiàn)堿激發(fā)材料的高性能化發(fā)展是一項(xiàng)十分有意義的研究內(nèi)容，為構(gòu)建高性能堿激發(fā)膠凝材料體系，未來堿激發(fā)材料可以從以下幾個(gè)方面展開：

1)進(jìn)一步完善粉煤灰、礦渣、鋼渣等配置堿激發(fā)材料工業(yè)固廢的性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，尤其需要嚴(yán)格控制其化學(xué)與礦物組成、玻璃相活性、細(xì)度與活性指數(shù)等指標(biāo)，以保證堿激發(fā)材料高質(zhì)量且穩(wěn)定的原材料。

2)進(jìn)一步探究堿激發(fā)材料水化過程及其微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理，可以采用數(shù)學(xué)建模等科學(xué)方法建立堿激發(fā)材料的反應(yīng)過程與機(jī)理，進(jìn)而得到堿激發(fā)材料膠凝組成、微觀結(jié)構(gòu)及其宏觀性能之間的本質(zhì)關(guān)系。

3)基于目前堿性激發(fā)劑的研究基礎(chǔ)，進(jìn)一步開發(fā)更為環(huán)保低碳的天然堿性激發(fā)劑，降低堿激發(fā)材料的制備成本，為堿激發(fā)材料的工業(yè)化產(chǎn)生奠定良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。