堿激發(fā)膠凝材料研究進(jìn)展及工程應(yīng)用研究

李靈煌,洪雪穎,吳達(dá)鵬,樓 瑛

(福建江夏學(xué)院 工程學(xué)院，福建 福州 350108)

0 前 言

混凝土需求的增長引起了人們對自然資源和普通硅酸鹽水泥消耗的擔(dān)憂。20世紀(jì)末，在各國強(qiáng)烈呼吁環(huán)境保護(hù)的背景下，堿激發(fā)膠凝材料因其綠色環(huán)保的鮮明特征引起了各國學(xué)者們的關(guān)注，它具有抗腐蝕性、熱穩(wěn)定性、防火性、耐磨性和早強(qiáng)快硬等優(yōu)點(diǎn)，并且生產(chǎn)過程中的能耗和二氧化碳排放量也遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)硅酸鹽水泥，因此將其視為膠凝材料發(fā)展的未來方向。堿激發(fā)膠凝材料是指通過使用具有火山灰活性或者水硬性的原材料與一定量的堿性激發(fā)劑進(jìn)行中和化學(xué)反應(yīng)，最終得到一種具有良好特性的膠凝材料。近年來，隨著世界各國工業(yè)化進(jìn)程的迅猛發(fā)展，產(chǎn)生了大量的工業(yè)廢棄物，如粉煤灰、工業(yè)礦渣、鋼渣、釩尾渣等，對環(huán)境產(chǎn)生很大污染和隱患，而許多工業(yè)廢棄物含有大量的硅鋁酸鹽或者氧化物，能作為堿激發(fā)膠凝材料的原材料，可實(shí)現(xiàn)固廢資料的有效再利用，因此，國內(nèi)外部分學(xué)者對如何利用工業(yè)固廢生產(chǎn)優(yōu)良性能的堿激發(fā)膠凝材料進(jìn)行了大量的研究，隨著堿激發(fā)材料的研究深入，該膠凝材料也開始在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用，如建筑工程、水利工程、道路工程等方面，對節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境產(chǎn)生了重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文對堿激發(fā)膠凝材料的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行探討，并論述其應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 堿激發(fā)膠凝材料國外研究進(jìn)展

國外對于堿激發(fā)膠凝材料研究起步較早，特別是發(fā)達(dá)國家，已開展了一系列的深入研究。

Mousavinejai等[1]研究了基于磨碎的高爐礦渣(GGBFS)堿激發(fā)膠凝材料，摻入鋼纖維(SF)和聚丙烯纖維(PPF)，使用了9種混合物來研究纖維對UHPGC力學(xué)性能的影響，包括抗壓強(qiáng)度、劈裂抗張強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及彈性模量，結(jié)果表明，向含有SF的樣品中添加PPF可以改善機(jī)械性能和耐久性能，用PPF代替SF的百分比會導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度的降低，但是卻導(dǎo)致耐久性的提高。

Zerzouri等[2]通過高能研磨粉煤灰和堿性活化劑的干燥混合物來制備預(yù)地質(zhì)聚合物粉末(PGP)，結(jié)果指出，機(jī)械力制備的地聚物漿體(MGP)結(jié)構(gòu)主要是非晶態(tài)的，具有沸石晶體的外觀，這取決于所選擇的配方和研磨時(shí)間。原位衰減全反射傅里葉變換紅外光譜(ATR-FTIR)分析表明，粉煤灰特征譜帶(1027 cm-1)向更低的波數(shù)偏移，在20℃和50%的相對濕度下固化7 d后，抗壓強(qiáng)度結(jié)果顯示MGP的最佳值為28 MPa，比未采用機(jī)械研磨的地聚物高87%。Zerzouri等[2]還研究了不同鈣鎂(Ca-Mg)比例對粉煤灰基堿激發(fā)膠凝材料物理性能和力學(xué)性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用Mg/Ca改性的地聚物可以提高保水能力。當(dāng)鎂鈣比為1∶1時(shí)，地聚合物的抗壓強(qiáng)度提高。當(dāng)MgO和礦渣占據(jù)133%的粉煤灰時(shí)，地聚合物的峰值抗壓強(qiáng)度達(dá)到43.7 MPa，爐渣可以明顯改善地質(zhì)聚合物的機(jī)械性能，適當(dāng)?shù)拟}鎂比例可以使地質(zhì)聚合物凝膠的機(jī)械性能提高52%～1461%。

2 堿激發(fā)膠凝材料國內(nèi)研究進(jìn)展

目前，我國對堿激發(fā)膠凝材料的研究正處于上升階段，雖然相較國外起步較晚，但也取得了不少研究成果，其中力學(xué)性能和微觀性能表征方面研究較多，工作性能方面研究較少。蒲心誠等[3]對堿礦渣混凝土的耐久性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明堿礦渣在抗凍、抗?jié)B等方面都有較優(yōu)異的性能。祝云華等[4]通過正交試驗(yàn)方法，對不同配合比的粉煤灰礦渣基堿激發(fā)混凝土透水性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，最終通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到了粉煤灰礦渣基雙摻的堿激發(fā)透水高強(qiáng)度混凝土的最佳配合比。

Pengfei Ma等[5]以磷石膏粉、礦渣粉、粉煤灰和水泥為主要粘結(jié)材料，以硅酸鈉為堿激發(fā)活化劑，制備了磷石膏復(fù)合粘結(jié)材料，研究了水泥含量0、5%、10%、15%以及0%、2%、4%堿當(dāng)量的變化對膠結(jié)材料力學(xué)性能的影響，還研究了適用于磷石膏膠凝材料摻合料的類型和含量，計(jì)算并分析了所用材料的成本。結(jié)果表明，水泥含量和堿含量的增加將改善膠凝材料的力學(xué)性能，強(qiáng)度可達(dá)到23.0 MPa。堿含量的變化對膠結(jié)材料的早期(1 d)力學(xué)性能的影響比水泥更明顯，當(dāng)這兩個(gè)因素協(xié)同作用時(shí)，水泥含量不應(yīng)超過10%，否則材料的機(jī)械性能會下降；萘系減水劑的使用效果優(yōu)于聚羧酸系減水劑，同時(shí)使用水泥、硅酸鈉和萘系減水劑時(shí)，最大抗壓強(qiáng)度7 d達(dá)到24.4 MPa，高于不使用減水劑的樣品的39.4%。本實(shí)驗(yàn)所用的比例成本較低，對工業(yè)副產(chǎn)品磷石膏的綜合利用具有很大的參考價(jià)值。黨海笑等[6]進(jìn)行了水玻璃模數(shù)對堿激發(fā)赤泥膠凝材料性能影響研究，總結(jié)出水玻璃模數(shù)對堿激發(fā)膠凝材料的性能有較大的影響，當(dāng)模數(shù)為0.96時(shí)的堿激發(fā)效果較好，材料的強(qiáng)度達(dá)到最高。Qing Su等[7]通過壓縮試驗(yàn)研究了三種不同類型的堿(氫氧化鈉、硫酸鈉和水玻璃)激發(fā)劑對礦渣水泥材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，硅酸鈉的激發(fā)效果優(yōu)于氫氧化鈉和硫酸鈉，隨堿含量激發(fā)劑的增加，砂漿試樣的抗壓強(qiáng)度顯著提高，而堿含量為4.65%和6.2%的砂漿試樣28 d抗壓強(qiáng)度相較堿含量為3.1%的砂漿試樣，分別提高了140%和31.5%。

白應(yīng)華等[8]研究了偏硅酸鈉激發(fā)礦渣-粉煤灰的水化機(jī)理。通過顯微形貌探究了在不同堿當(dāng)量下膠凝材料的微觀結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物的變化。結(jié)果表明，摻入偏硅酸鈉可提高膠凝材料的強(qiáng)度，增加漿體中C-S-H含量。此外，摻入8%偏硅酸鈉可使水化產(chǎn)物不斷增加，漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密化,漿體內(nèi)部微裂紋減少。盧祎苗等[9]通過對粉煤灰和礦渣基地聚合物性能的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明礦渣的含量越多，地聚合物的抗壓強(qiáng)度將會越大，而粉煤灰的含量越多，地聚合物的抗壓強(qiáng)度反而會有所降低。吳俊等[10]對礦渣-粉煤灰基地質(zhì)聚合物固化淤泥質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究，探究硅鋁原材料之比和固體激發(fā)劑與原材料之比及水膠比對固化黏土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明粉煤灰和礦渣基對與地聚合物固化淤泥質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度具有加強(qiáng)作用。

國內(nèi)關(guān)于堿激發(fā)膠凝材料的研究聚焦點(diǎn)主要有：①非常見原料制備堿激發(fā)膠凝材料，即想通過堿激發(fā)技術(shù)變廢為寶，充分利用;②制備技術(shù)的研究，即針對特定的功能需求，探索其原料、配比、攪拌、養(yǎng)護(hù)等參數(shù)對產(chǎn)物的影響，擬探索出一種最優(yōu)的制備技術(shù);③產(chǎn)物及微觀結(jié)構(gòu)的研究，即明確各原材料初始成分和成型后穩(wěn)定的材料成分，用以反推所摻原材料在堿激發(fā)作用下的反應(yīng)過程和反應(yīng)機(jī)理;④改性及應(yīng)用技術(shù)，考慮將成熟的堿激發(fā)膠凝材料用以實(shí)際工程中去。

3 堿激發(fā)膠凝材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用

3.1 在瀝青路面修復(fù)上的應(yīng)用

據(jù)中華人民共和國運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)，我國的公路建設(shè)在前十幾年的建設(shè)上取得了卓越的成績。截至2020年底，我國已有395萬km的里程，國家每年在公路修建上的投入資金高達(dá)2 000億元。早期，我國就對廢舊瀝青料的再利用進(jìn)行研究和實(shí)踐。1982年，山西省結(jié)合油路大中修工程就利用80多km的路面進(jìn)行了再生試驗(yàn)。湖北省也鋪設(shè)了80多km的瀝青路面用于研究各等級路面的各項(xiàng)參數(shù)，以及各因素對于重生路面的影響。1983—1988年，昆洛、貴昆等多干道路面試驗(yàn)研究也開始進(jìn)行。傳統(tǒng)公路都是瀝青公路，但是瀝青公路存在易損、易壞、壽命短的缺點(diǎn)，經(jīng)常10年左右就出現(xiàn)開裂、擁包、沉陷等一系列問題，而且按照傳統(tǒng)的維修瀝青道路的方式，會產(chǎn)生大量的瀝青混合廢棄物，既造成了資源浪費(fèi)，又造成環(huán)境污染。如果在修復(fù)瀝青時(shí)采用新的維修技術(shù)——就地冷再生技術(shù)，即在翻修瀝青路面時(shí)加入一定比例的堿激發(fā)膠凝材料進(jìn)行混合再造，既可提高瀝青的再利用率，也可減少環(huán)境污染。

3.2 在油田巖屑固化上的應(yīng)用

汽油田開采過程中會產(chǎn)生各種各樣的廢棄物，這些廢棄物會造成環(huán)境的大范圍污染，甚至對人的健康造成危害，因此需要一種技術(shù)將采油過程中對人和環(huán)境的危害降低，因此有了固化采油廢物的方法，以此降低采油過程對人和環(huán)境的危害。相比于國內(nèi)現(xiàn)有的普通硅酸鹽水泥的廢棄物固化，堿激發(fā)膠凝材料具有環(huán)保、低碳、固化性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，制備成型的固化物各項(xiàng)性能良好，滿足了環(huán)保性和安全性的要求。

因此，在一定的配合比下，堿激發(fā)膠凝材料可以對西南油田的開采做出一定的貢獻(xiàn)，并為廢棄物利用提出新思路。

4 結(jié)論與展望

堿激發(fā)膠凝材料混凝土比普通的波特蘭混凝土具有更好的機(jī)械性能和環(huán)境優(yōu)勢，目前國內(nèi)外相關(guān)研究人員都在不斷探索和發(fā)掘其應(yīng)用的可行性和廣泛性，使其有望成為常規(guī)水泥混凝土的可持續(xù)替代品。但是，地聚合物表現(xiàn)出脆性較大，為了克服這一弱點(diǎn)，目前很多研究集中在纖維增強(qiáng)的地質(zhì)聚合物和水泥基復(fù)合材料的開發(fā)、表征和實(shí)施上，望使其具有廣泛的應(yīng)用范圍，如對交通基礎(chǔ)設(shè)施的適應(yīng)性、水下工程應(yīng)用、結(jié)構(gòu)的修復(fù)以及3D打印等。

隨著人們環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，大眾越來越提倡使用環(huán)保型材料。作為人類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的設(shè)計(jì)者，土木工程師更應(yīng)該注重材料的環(huán)保性，在注重經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，更要在源頭，即材料選擇方面慎重考慮材料的環(huán)保效益。在國家倡議全球綠色環(huán)保的理念和政策下，未來堿激發(fā)膠凝材料將會在建筑業(yè)占據(jù)舉足輕重的地位，帶領(lǐng)我國建筑業(yè)邁入新紀(jì)元，開創(chuàng)環(huán)保型材料的新時(shí)代。

[ID:013279]