碱激发胶凝材料研究现状及未来发展

孔令炜

（吉林建筑大学材料科学与工程学院，吉林 长春 130118）

碱激发胶凝材料研究现状及未来发展

孔令炜

（吉林建筑大学材料科学与工程学院，吉林 长春 130118）

随着气候变暖环境污染问题的日益加重，环境保护意识的提升，人们对于绿色环保材料的要求与需求也与日剧增。碱激发胶凝材料，它是一种以硅铝质废弃物为原料的低碳胶凝材料。因其能耗低、排放少、强度高、耐久性好等优势性能，被许多研究学者一致认为是一种具有广阔应用前景的绿色胶凝材料。与此同时，绿色建筑材料领域中的碱激发胶凝材料的研究及应用一直成为研究热点。碱激发胶凝材料作为一种绿色胶凝材料，还需要引起更大的社会认知度，本文将从碱激发胶凝材料自身的研究现状及其未来的发展方向展开论述，详细介绍这种绿色胶凝材料。

碱激发胶凝材料 未来发展

在强烈呼吁环境保护的二十一世纪，碱激发胶凝材料因其绿色环保的鲜明特征映入人们的视野，即将在未来的材料市场占据重要地位。在火山灰质类材料和部分工业废弃尾渣中，含有一定数量的二氧化硅、氧化铝等活性组分，当它们与氢氧化钙反应时，就会生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铝硅酸钙和水化硫铝酸钙等的反应产物，通常把这种能生成水化硅酸钙等凝胶，对砂浆起到增强作用的效应称之为火山灰活性效应。把这种加入碱性材料进而使之具备胶凝特性的方法，即所谓的碱激发。通常使用的激发有多种，化学激发是其中一种，也是相对有效的方法，化学激化方法是碱性激发、硫酸盐激发和碳酸盐激发，这种具有热力学活性的材料通过碱性激发的方法得到的具有一定胶凝特性的材料，就称之为碱激发胶凝材料。碱激发胶凝材料作为一种绿色胶凝材料，还需要引起更大的社会认知度，因而本文将从碱激发胶凝材料自身的研究现状及其未来的发展方向展开论述，详细介绍这种绿色胶凝材料。

一、碱激发胶凝材料的制作

我们都知道，在工业产出时都会产生很多含有SiO2、Al2O3、CaO等的工业废渣材料，如果对它们置之不理，不仅由于这些工业废渣材料自身没有或有很微弱胶凝性，不能自发形成有用的产品，还可能造成严重的环境污染。为了降低污染性，一般人们通过急冷方式将其形成玻璃体，再利用其具有热力学活性的属性，通过机械、热力、化学方法等方式使其激活从而具有相应的胶凝性，从而制得碱激发胶凝材料[1]。

二、碱激发胶凝材料的优势及应用领域

传统的通用胶凝材料，以硅酸盐水泥为高钙体系的水泥为代表，水化后Ca(OH)2 含量很高。用水泥构筑的混凝土，在其服役环境下，表现出耐久性不足的缺点，其中，硬化后的水泥石及其混凝土的结构因素和化学组分因素，在服役环境中，极易导致其结构破坏和化学组分的改变，进而影响耐久性。与通用硅酸盐类胶凝材料相比，碱激发材料的优势包含如下方面：绿色环保，按化学成分计算，1吨通用硅酸盐水泥，而产生二氧化碳0.4吨左右，而碱激发胶凝材料95%的原料是工业废料，不需要以牺牲矿山和土地资源为代价来作为原料，也不需要烧制，“绿色化”生产过程，不涉及烟、粉尘、废水等污染物的排放；在同等条件下，碱激发胶凝材料的胶结粘土细沙的能力、低温下抗冻的能力、特殊环境中抗酸碱腐蚀的能力，普遍超出同等级硅酸盐水泥，由此，可以看出碱激发胶凝材料的性能优势。

在许多领域，碱激发胶凝材料均有应用，如民用建筑领域、交通工程领域、工业建设安装领域、海洋工程、矿业工程、水利工程以及农业等多个应用领域。

三、碱激发胶凝材料的理论研究现状及存在的问题

3.1 碱激发胶凝材料的理论研究成果

关于碱激发胶凝材料的其反应机理研究仍然进一步有待解决，尤其是组成相对复杂的体系更是如此。碱激发胶凝材料系统包含含钙和无钙两种体系。在初级阶段，主要针对含钙体系做出相应的研究。

碱激发胶凝材料主要研究对象集中在碱矿渣水泥上，并得到了一些理论成果。Purdon提出的最早的“碱激活”理论，就是少量的氢氧化钠在水泥硬化过程中可以起到催化的作用，使得水泥中的硅、铝盐等混合化合物较容易溶解而形成硅酸钠和偏铝酸钠等盐类，与氢氧化钙反应形成硅酸钙和铝酸钙矿物，使水泥硬化并且将重新生成的NaOH在下一轮的激发反应中发挥作用[2]。

前苏联的科学家提出的“碱液反应机理”的理论，其过程中涉及了富钙相的溶解、硅酸盐凝胶的形成、复杂晶态产物的形成等，从而形成的中间产物有雪硅钙石、水化石榴子石等，最终产物谓类沸石与富硅钙石。

在上世纪80年代，Malone研究发现的碱激发炉渣水泥的硬化机理，该理论阐述了碱金属、碱土金属离子进入溶液过程中，会在炉渣颗粒表面形成胶状硅酸钠盐物质层。而铝氧化物溶解于硅酸钠中，直接形成半晶态托贝莫来石；最终生成了水化铝酸钙并水分排出，不同成分组成的沸石及类沸石相从而最终形成。

随着碱激发胶凝材料研究的进一步深入，开始在无钙体系探索，并且对有钙体系的机理进行了相应的补充和加深。该方面提出的理论主要有J.Davidovits等学者通过对矿物聚合物材料的硬化过程的研究提出了相应的理论，他们把矿物聚合反应看做“解聚一缩聚”两个过程。矿物聚合材料的形成过程是由于碱激发效应，使硅氧键和铝氧键形成断裂，进而形成一系列的低聚硅(铝)四面体单元结构，这些低聚结构单元随着反应的进行过程，通过脱水重组聚合反应最终形成了矿物聚合材料。研究也发现碱激发胶凝材料的硬化过程主要涉及碱性材料与矿渣材料的反应，水在过程中起传质媒介作用[3]。而硅酸盐水泥的硬化过程中，水却是作为一种主要反应物。长期以来，碱激发胶凝材料涉及的反应产物一直都是人们研究的热点，但是不同的研究领域的学者的学术观点都很难统一意见。探索其原因牵涉这几个方面，一是不同研究领域的学者使用的研究手段和与之适应的实验条件都不相同，影响的因素多；二是，激发剂体系的不同的原因，激发的化学过程不同，它的反应产物同样会不同。

3.2 碱激发胶凝材料存在的问题

从上面的关于碱激发胶凝材料的分析我们可以看出，碱激发胶凝材料是一种极具未来市场的材料，然而当就其国内外大规模应用的实际工程而言，还不多。为了加快未来发展应用的道路，目前有几方面的问题需要进一步解决：（1）碱激发胶凝材料性能的影响因素多，虽然已经有了一些研究成果，但仍缺乏系统性。（2）不同工业废弃物的成分差别对碱激发胶凝材料的性能波动影响很大。因此，如何提高碱激发工业废渣胶凝材料的性能的稳定性是实现该工程实际应用应解决的关键问题。（3）碱激发胶凝材料的减水剂问题。由于对硅酸盐水泥具有良好减水效应的减水剂通常对碱激发材料无效[4]。因此，需要迫切寻找与碱激发材料适应的减水剂

结语：本文详细介绍了碱激发胶凝材料的理论研究现状及其存在的问题。与传统的硅酸盐水泥对比，碱激发胶凝材料是一种绿色胶凝材料，有其鲜明的优势和多种应用领域的应用，具有光明的市场前景。相信随着相关研究的不断深入，碱激发胶凝材料在工程中的应用会越来越多，越来越广泛。

[1]刘文斌,肖雪军. 碱激发胶凝材料研究进展[J]. 商品混凝土,2010,09:23-25+51.

[2]宋旭艳,韩静云,郜志海,杨末丽,盛广宏. 碱激发锰渣胶凝材料的探索研究[J].材料导报,2009,22:70-73.

[3]彭小芹,刘朝,李三,蒋雁,曾路. 碱激发钢渣矿渣胶凝材料凝结硬化性能研究[J]. 湖南大学学报(自然科学版),2015,06:47-52.

[4]Zhang Shuzheng, Gong Kecheng. J Mater Sci Eng(in Chinese),2003,21(3):430-436.

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1007-6344（2015）11-0091-01