堿激發(fā)膠凝材料的研究現(xiàn)狀及其用于裝配式建筑存在的問(wèn)題分析

丁 銳 趙獻(xiàn)偉

（吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引言

通過(guò)近幾十年的研究發(fā)展，裝配式PC構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝不斷進(jìn)行改進(jìn)，但是其所使用的膠凝材料還是以硅酸鹽水泥為主。眾所周知，硅酸鹽水泥生產(chǎn)中的“兩磨一燒”，不僅消耗了大量的自然資源，而且排放大量的CO2、SO2等污染性氣體；相關(guān)調(diào)查指出，水泥產(chǎn)業(yè)的CO2排放量已占全球CO2排放量的6%～7%[1]。因模具周轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)、需要蒸汽養(yǎng)護(hù)、水泥價(jià)格上漲等因素，使PC構(gòu)件的生產(chǎn)成本一直居高不下。另外，由于傳統(tǒng)硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物特征及結(jié)構(gòu)的缺陷，使PC構(gòu)件的耐久性較差。對(duì)此，亟需一種低碳環(huán)保，能夠替代傳統(tǒng)硅酸鹽水泥的新型膠凝材料，用以生產(chǎn)裝配式PC構(gòu)件。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：堿激發(fā)膠凝材料不僅可以提供硅酸鹽水泥具有的同等性能，而且有著更低的水化熱[2]、更高的力學(xué)性能[3]、更好的耐久性[4]；同時(shí)又有著碳排放低、凝結(jié)硬化快的優(yōu)勢(shì)。相關(guān)的研究調(diào)查表明：采用堿激發(fā)膠凝材料代替普通硅酸鹽水泥制備的混凝土可以減少80%甚至更多的CO2排放[5]。對(duì)此，本文對(duì)堿激發(fā)膠凝材料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并就其用于裝配式建筑存在的問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 裝配式預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)狀分析

裝配式建筑因其節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展、周期縮短、質(zhì)量管控等方面的優(yōu)勢(shì)而受到行業(yè)廣泛關(guān)注，被我國(guó)定為建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的未來(lái)發(fā)展方向[6]。2016年，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》，進(jìn)一步要求在十年時(shí)間，要讓裝配式住宅占新建建筑的比例提高到30%。目前，我國(guó)裝配式建筑的發(fā)展依舊處于初始階段，存在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不健全，施工技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)管理經(jīng)驗(yàn)滯后，PC構(gòu)件生產(chǎn)效率低、成本高等問(wèn)題[7-8]。

由于傳統(tǒng)硅酸鹽水泥在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程中的凝結(jié)硬化時(shí)間較長(zhǎng)，使模板周轉(zhuǎn)周期較長(zhǎng)，模具攤銷成本升高。為提高模板周轉(zhuǎn)率，構(gòu)件廠普遍的做法是采用蒸汽養(yǎng)護(hù)制度。蒸汽養(yǎng)護(hù)雖然減少了構(gòu)件的凝結(jié)硬化時(shí)間，但是對(duì)于帶有保溫材料的預(yù)制構(gòu)件，蒸汽養(yǎng)護(hù)的高溫會(huì)使保溫材料的體積產(chǎn)生膨脹，從而影響其保溫性能；一些有機(jī)類保溫材料（擠塑板、硬泡聚氨酯板等）甚至?xí)l(fā)生蒸爆現(xiàn)象，影響構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量，同時(shí)也會(huì)增加企業(yè)的生產(chǎn)成本。因此，蒸汽養(yǎng)護(hù)雖然降低了模板的攤銷成本，但是對(duì)預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量影響較大，也會(huì)增加構(gòu)件廠的生產(chǎn)成本，并沒(méi)有從根本上解決生產(chǎn)成本較高的問(wèn)題。

PC構(gòu)件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝上不斷進(jìn)行迭代更新，但所使用的膠凝材料還是以硅酸鹽水泥為主。隨著自然資源的不斷消耗和各地對(duì)能源雙控政策的逐漸落實(shí)，傳統(tǒng)硅酸鹽水泥產(chǎn)能受限，使水泥價(jià)格不斷攀升，直接導(dǎo)致PC構(gòu)件生產(chǎn)成本的增加。目前，PC構(gòu)件的生產(chǎn)成本始終居高不下，這在很大程度上阻礙了裝配式建筑的推廣和使用。

另外，由于傳統(tǒng)硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物特征及結(jié)構(gòu)的缺陷，使硅酸鹽水泥建筑構(gòu)件耐久性較差。眾所周知，硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物主要包括：C-S-H凝膠體、水化鐵酸鈣凝膠體、水化鋁酸鈣晶體、水化硫鋁酸鈣晶體、Ca(OH)2晶體及少量的未水化水泥顆粒。其中，凝膠體賦予水泥石強(qiáng)度，晶體產(chǎn)物則是水泥石強(qiáng)度及耐久性不良的重要影響因素，而Ca(OH)2晶體對(duì)水泥石的耐久性能的影響尤為突出。主要是由于Ca(OH)2晶體易溶于水，在水泥漿體凝結(jié)硬化后，會(huì)隨著混凝土內(nèi)孔隙中水份的蒸發(fā)不斷析出，造成體系堿度降低；然而C-S-H凝膠體必須在較高的堿性條件下才能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定存在，隨著Ca(OH)2晶體的不斷析出，C-S-H凝膠穩(wěn)定存在的條件得不到滿足，最終分解破壞結(jié)構(gòu)，影響混凝土的耐久性，這也是硅酸鹽水泥混凝土易受淡水侵蝕的原理。

2 堿激發(fā)膠凝材料的應(yīng)用研究

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，堿激發(fā)膠凝材料是由堿激發(fā)劑和具有火山灰活性或潛在水硬性的原料在常溫下反應(yīng)生成的一種水硬性膠凝材料[9]。堿激發(fā)膠凝材料通常使用苛性堿或堿性的鹽來(lái)作為堿性激發(fā)劑，最常用的堿性激發(fā)劑為NaOH、Na2SiO3及兩者配制的復(fù)合激發(fā)劑；膠凝組分主要是一些含有鋁硅酸鹽的天然礦物或工業(yè)固體廢渣組成[10]。其中，天然礦物主要為黏土類礦物、長(zhǎng)石等，如偏高嶺土、燒黏土等；固體廢渣主要為具有鋁硅酸鹽玻璃體結(jié)構(gòu)的?；郀t礦渣、粉煤灰、煤矸石等。其中根據(jù)膠凝組分鈣含量的多少，分為高鈣、低鈣兩類激發(fā)體系；高鈣體系的主要反應(yīng)產(chǎn)物為C-A-S-H型凝膠，低鈣體系的主要反應(yīng)物是N-A-S-H型凝膠[11-12]。

近年來(lái)，堿激發(fā)膠凝材料的研究被認(rèn)為是一項(xiàng)極具應(yīng)用潛力的研究方向，引起了國(guó)內(nèi)外專家的廣泛關(guān)注，并對(duì)其性能特點(diǎn)展開(kāi)了相關(guān)研究。Chi等[13]以水玻璃、氫氧化鈉為激發(fā)劑，制備出的堿礦渣/粉煤灰復(fù)合膠凝材料，28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)105MPa。梁健俊等[14]也對(duì)堿礦渣/粉煤灰膠凝材料的力學(xué)性能展開(kāi)了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：所有試件均具有較好的力學(xué)性能，28d抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)78MPa。周梅、王傳洲等[15]以水玻璃、氫氧化鉀為激發(fā)劑，制備出的自燃煤矸石-礦渣-粉煤灰地質(zhì)聚合物，28d膠砂抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)65MPa。堿激發(fā)膠凝材料除了后期強(qiáng)度高之外，同時(shí)也具有快硬早強(qiáng)的特點(diǎn)。韓丹等[16]以煅燒后的偏高嶺土為原料，以NaOH、水玻璃為激發(fā)劑，激發(fā)劑模數(shù)調(diào)制為1.3，用以制備偏高嶺土基地質(zhì)聚合物，試驗(yàn)表明：膠砂試件3d抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)56.8MPa。X Gao等[17]以水玻璃為激發(fā)劑，以礦渣和粉煤灰為原料制備膠凝材料，7d抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)82.18MPa。

此外，堿激發(fā)膠凝材料有著良好的耐高溫性能。Celikten等[18]測(cè)試研究了堿礦渣/粉煤灰復(fù)合砂漿、硅酸鹽水泥砂漿分別在25℃、400℃、600℃、800℃下力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的變化情況，試驗(yàn)表明：在高溫環(huán)境下，堿礦渣/粉煤灰復(fù)合砂漿的力學(xué)性能優(yōu)于硅酸鹽水泥砂漿，并且耐高溫性能隨著礦渣摻量的提高而提升。Rovnaník等[19]將堿礦渣制備出砂漿試件置于200℃～1200℃高溫環(huán)境內(nèi)加熱1h，當(dāng)溫度加載到600℃時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度僅下降15%；當(dāng)試件暴露在800℃下時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度降到最低值；在1000℃和1200℃時(shí)，材料的力學(xué)性能并沒(méi)有進(jìn)一步下降，抗壓強(qiáng)度反而逐漸提高到未加熱試件強(qiáng)度的60%。Türker[20]、Murri等[21]也發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)膠凝材料耐高溫性能優(yōu)于普通硅酸鹽水泥。

堿激發(fā)膠凝材料也有著不錯(cuò)的耐久性。Bakharev等[22]對(duì)普通硅酸鹽水泥混凝土和堿礦渣水泥混凝土耐酸腐蝕性進(jìn)行了對(duì)比，將兩種試件放入pH=4的醋酸溶液中浸泡12個(gè)月；通過(guò)對(duì)試件抗壓強(qiáng)度、微觀結(jié)構(gòu)的分析，OPC試件在試驗(yàn)中有明顯的膨脹、開(kāi)裂和強(qiáng)度損失，而AAS試件在試驗(yàn)中并沒(méi)有出現(xiàn)膨脹裂縫，強(qiáng)度損失也小于OPC試件。FU等[23]以水玻璃為激發(fā)劑制備出的堿礦渣水泥混凝土具有優(yōu)良的抗凍性能，抗凍等級(jí)最低為F300；經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)后，相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量下降10%，質(zhì)量損失小，表面凍融損傷層非常薄。

3 用于PC構(gòu)件存在問(wèn)題的分析

與傳統(tǒng)硅酸鹽水泥相比，堿激發(fā)膠凝材料可在常溫、并且不使用速凝劑的情況下，迅速凝結(jié)硬化達(dá)到拆模強(qiáng)度，減少預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)周期，提高模具的周轉(zhuǎn)率；同時(shí)可以免去蒸養(yǎng)流程，減少了能源消耗，提高了制品質(zhì)量，可大大降低生產(chǎn)成本。然而，堿激發(fā)膠凝材料過(guò)快的凝結(jié)硬化，使得在實(shí)際生產(chǎn)中缺乏充分的振搗時(shí)間，骨料之間的分散性較差，混凝土的密實(shí)度較低，進(jìn)而使PC構(gòu)件的產(chǎn)品質(zhì)量不及預(yù)期。這就需要添加一定的緩凝劑，由于硅酸鹽水泥與堿激發(fā)膠凝材料水化機(jī)理的不同，適用于硅酸鹽水泥的緩凝劑對(duì)于堿激發(fā)膠凝材料來(lái)說(shuō)幾乎沒(méi)有效果。研究發(fā)現(xiàn)硼砂[24]、磷酸[25]、磷酸鈉[26]等可有效減緩堿激發(fā)膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間，但同時(shí)降低了構(gòu)件的力學(xué)性能。

在材料制備上，堿激發(fā)膠凝材料制備工藝簡(jiǎn)單、無(wú)需煅燒，在PC構(gòu)件生產(chǎn)中可大大減少CO2的排放，減緩對(duì)溫室效應(yīng)的影響。而且，堿激發(fā)膠凝材料的膠凝組分可以完全由固體廢棄物（如礦渣、粉煤灰）組成，可對(duì)固體廢棄物進(jìn)行再生利用，能夠減少資源消耗。而由于膠凝組分的成分含量并不穩(wěn)定，不同地區(qū)的工廠，甚至相同工廠生產(chǎn)的不同批次原料在化學(xué)成分、理化性質(zhì)上都存在著差異，使堿激發(fā)膠凝材料的基本性能波動(dòng)較大[27-28]。在實(shí)際生產(chǎn)中需要根據(jù)原料組分的不同，提出不同的優(yōu)選配合比，針對(duì)這一問(wèn)題目前并沒(méi)有較好的解決辦法，而硅酸鹽水泥的化學(xué)組分就穩(wěn)定得多。

眾所周知，碳化反應(yīng)是指大氣中的CO2通過(guò)混凝土孔隙擴(kuò)散并溶解在孔隙溶液中，與水泥石中的堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鹽和水，使混凝土堿性降低；當(dāng)碳化深度超過(guò)混凝土的保護(hù)層時(shí)，在水與空氣存在的條件下，就會(huì)使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，鋼筋開(kāi)始生銹。在堿激發(fā)膠凝材料與普通硅酸鹽水泥碳化性能測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，堿激發(fā)膠凝材料對(duì)CO2侵蝕較為敏感，抗碳化性能較差[29]。在實(shí)際應(yīng)用中，堿激發(fā)膠凝材料嚴(yán)重的碳化反應(yīng)容易使PC構(gòu)件中的鋼筋銹蝕，進(jìn)而影響構(gòu)件的承載力；同時(shí)碳化反應(yīng)還會(huì)引起碳化收縮，導(dǎo)致PC構(gòu)件體積縮小，使PC構(gòu)件在施工拼接時(shí)產(chǎn)生不必要的空隙。碳化收縮還會(huì)引起PC構(gòu)件產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致一些有害離子進(jìn)入構(gòu)件內(nèi)部，影響PC構(gòu)件的產(chǎn)品質(zhì)量及耐久性。目前，堿激發(fā)膠凝材料的碳化反應(yīng)并未得到較好的解決。另外，堿激發(fā)膠凝材料存在收縮較大的問(wèn)題[30-31]，較大的收縮率同樣會(huì)使PC構(gòu)件產(chǎn)生裂紋，影響PC構(gòu)件的產(chǎn)品質(zhì)量和耐久性。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，堿激發(fā)膠凝材料作為一種新型膠凝材料，不僅具有快硬早強(qiáng)、低碳環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，而且有著更低的水化熱、更高的力學(xué)性能、更好的耐久性。在生產(chǎn)裝配式PC構(gòu)件時(shí)，進(jìn)一步減少資源消耗、降低碳排放，減少生產(chǎn)周期；提高施工進(jìn)度，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。同時(shí)，對(duì)固體廢棄物的可再生利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，使裝配式建筑更加符合綠色建筑的發(fā)展理念。有利于推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，有利于盡快實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”的目標(biāo)。但目前，堿激發(fā)膠凝材料的原料成分不穩(wěn)定、凝結(jié)過(guò)快、收縮過(guò)大、碳化嚴(yán)重等問(wèn)題制約著其應(yīng)用發(fā)展；隨著研究的不斷深入，相信在不久的將來(lái)，這些問(wèn)題都會(huì)找到合適的解決途徑，使堿激發(fā)膠凝材料能夠替代傳統(tǒng)硅酸鹽水泥生產(chǎn)裝配式PC構(gòu)件而真正應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。