碱激发胶凝材料研究进展及工程应用研究

李灵煌,洪雪颖,吴达鹏,楼 瑛

(福建江夏学院 工程学院，福建 福州 350108)

0 前 言

混凝土需求的增长引起了人们对自然资源和普通硅酸盐水泥消耗的担忧。20世纪末，在各国强烈呼吁环境保护的背景下，碱激发胶凝材料因其绿色环保的鲜明特征引起了各国学者们的关注，它具有抗腐蚀性、热稳定性、防火性、耐磨性和早强快硬等优点，并且生产过程中的能耗和二氧化碳排放量也远低于传统硅酸盐水泥，因此将其视为胶凝材料发展的未来方向。碱激发胶凝材料是指通过使用具有火山灰活性或者水硬性的原材料与一定量的碱性激发剂进行中和化学反应，最终得到一种具有良好特性的胶凝材料。近年来，随着世界各国工业化进程的迅猛发展，产生了大量的工业废弃物，如粉煤灰、工业矿渣、钢渣、钒尾渣等，对环境产生很大污染和隐患，而许多工业废弃物含有大量的硅铝酸盐或者氧化物，能作为碱激发胶凝材料的原材料，可实现固废资料的有效再利用，因此，国内外部分学者对如何利用工业固废生产优良性能的碱激发胶凝材料进行了大量的研究，随着碱激发材料的研究深入，该胶凝材料也开始在实际工程中进行应用，如建筑工程、水利工程、道路工程等方面，对节约资源和保护环境产生了重要的现实意义。本文对碱激发胶凝材料的国内外研究现状进行探讨，并论述其应用现状。

1 碱激发胶凝材料国外研究进展

国外对于碱激发胶凝材料研究起步较早，特别是发达国家，已开展了一系列的深入研究。

Mousavinejai等[1]研究了基于磨碎的高炉矿渣(GGBFS)碱激发胶凝材料，掺入钢纤维(SF)和聚丙烯纤维(PPF)，使用了9种混合物来研究纤维对UHPGC力学性能的影响，包括抗压强度、劈裂抗张强度、弯曲强度以及弹性模量，结果表明，向含有SF的样品中添加PPF可以改善机械性能和耐久性能，用PPF代替SF的百分比会导致机械强度的降低，但是却导致耐久性的提高。

Zerzouri等[2]通过高能研磨粉煤灰和碱性活化剂的干燥混合物来制备预地质聚合物粉末(PGP)，结果指出，机械力制备的地聚物浆体(MGP)结构主要是非晶态的，具有沸石晶体的外观，这取决于所选择的配方和研磨时间。原位衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)分析表明，粉煤灰特征谱带(1027 cm-1)向更低的波数偏移，在20℃和50%的相对湿度下固化7 d后，抗压强度结果显示MGP的最佳值为28 MPa，比未采用机械研磨的地聚物高87%。Zerzouri等[2]还研究了不同钙镁(Ca-Mg)比例对粉煤灰基碱激发胶凝材料物理性能和力学性能的影响，实验结果表明，采用Mg/Ca改性的地聚物可以提高保水能力。当镁钙比为1∶1时，地聚合物的抗压强度提高。当MgO和矿渣占据133%的粉煤灰时，地聚合物的峰值抗压强度达到43.7 MPa，炉渣可以明显改善地质聚合物的机械性能，适当的钙镁比例可以使地质聚合物凝胶的机械性能提高52%～1461%。

2 碱激发胶凝材料国内研究进展

目前，我国对碱激发胶凝材料的研究正处于上升阶段，虽然相较国外起步较晚，但也取得了不少研究成果，其中力学性能和微观性能表征方面研究较多，工作性能方面研究较少。蒲心诚等[3]对碱矿渣混凝土的耐久性进行了试验研究，结果表明碱矿渣在抗冻、抗渗等方面都有较优异的性能。祝云华等[4]通过正交试验方法，对不同配合比的粉煤灰矿渣基碱激发混凝土透水性进行了试验研究，最终通过实验数据分析，得到了粉煤灰矿渣基双掺的碱激发透水高强度混凝土的最佳配合比。

Pengfei Ma等[5]以磷石膏粉、矿渣粉、粉煤灰和水泥为主要粘结材料，以硅酸钠为碱激发活化剂，制备了磷石膏复合粘结材料，研究了水泥含量0、5%、10%、15%以及0%、2%、4%碱当量的变化对胶结材料力学性能的影响，还研究了适用于磷石膏胶凝材料掺合料的类型和含量，计算并分析了所用材料的成本。结果表明，水泥含量和碱含量的增加将改善胶凝材料的力学性能，强度可达到23.0 MPa。碱含量的变化对胶结材料的早期(1 d)力学性能的影响比水泥更明显，当这两个因素协同作用时，水泥含量不应超过10%，否则材料的机械性能会下降；萘系减水剂的使用效果优于聚羧酸系减水剂，同时使用水泥、硅酸钠和萘系减水剂时，最大抗压强度7 d达到24.4 MPa，高于不使用减水剂的样品的39.4%。本实验所用的比例成本较低，对工业副产品磷石膏的综合利用具有很大的参考价值。党海笑等[6]进行了水玻璃模数对碱激发赤泥胶凝材料性能影响研究，总结出水玻璃模数对碱激发胶凝材料的性能有较大的影响，当模数为0.96时的碱激发效果较好，材料的强度达到最高。Qing Su等[7]通过压缩试验研究了三种不同类型的碱(氢氧化钠、硫酸钠和水玻璃)激发剂对矿渣水泥材料力学性能的影响。结果表明，硅酸钠的激发效果优于氢氧化钠和硫酸钠，随碱含量激发剂的增加，砂浆试样的抗压强度显着提高，而碱含量为4.65%和6.2%的砂浆试样28 d抗压强度相较碱含量为3.1%的砂浆试样，分别提高了140%和31.5%。

白应华等[8]研究了偏硅酸钠激发矿渣-粉煤灰的水化机理。通过显微形貌探究了在不同碱当量下胶凝材料的微观结构和水化产物的变化。结果表明，掺入偏硅酸钠可提高胶凝材料的强度，增加浆体中C-S-H含量。此外，掺入8%偏硅酸钠可使水化产物不断增加，浆体内部结构更加致密化,浆体内部微裂纹减少。卢祎苗等[9]通过对粉煤灰和矿渣基地聚合物性能的实验研究，结果表明矿渣的含量越多，地聚合物的抗压强度将会越大，而粉煤灰的含量越多，地聚合物的抗压强度反而会有所降低。吴俊等[10]对矿渣-粉煤灰基地质聚合物固化淤泥质黏土的抗压强度试验研究，探究硅铝原材料之比和固体激发剂与原材料之比及水胶比对固化黏土抗压强度的影响规律，实验结果表明粉煤灰和矿渣基对与地聚合物固化淤泥质黏土的抗压强度具有加强作用。

国内关于碱激发胶凝材料的研究聚焦点主要有：①非常见原料制备碱激发胶凝材料，即想通过碱激发技术变废为宝，充分利用;②制备技术的研究，即针对特定的功能需求，探索其原料、配比、搅拌、养护等参数对产物的影响，拟探索出一种最优的制备技术;③产物及微观结构的研究，即明确各原材料初始成分和成型后稳定的材料成分，用以反推所掺原材料在碱激发作用下的反应过程和反应机理;④改性及应用技术，考虑将成熟的碱激发胶凝材料用以实际工程中去。

3 碱激发胶凝材料在实际工程中的应用

3.1 在沥青路面修复上的应用

据中华人民共和国运输部统计，我国的公路建设在前十几年的建设上取得了卓越的成绩。截至2020年底，我国已有395万km的里程，国家每年在公路修建上的投入资金高达2 000亿元。早期，我国就对废旧沥青料的再利用进行研究和实践。1982年，山西省结合油路大中修工程就利用80多km的路面进行了再生试验。湖北省也铺设了80多km的沥青路面用于研究各等级路面的各项参数，以及各因素对于重生路面的影响。1983—1988年，昆洛、贵昆等多干道路面试验研究也开始进行。传统公路都是沥青公路，但是沥青公路存在易损、易坏、寿命短的缺点，经常10年左右就出现开裂、拥包、沉陷等一系列问题，而且按照传统的维修沥青道路的方式，会产生大量的沥青混合废弃物，既造成了资源浪费，又造成环境污染。如果在修复沥青时采用新的维修技术——就地冷再生技术，即在翻修沥青路面时加入一定比例的碱激发胶凝材料进行混合再造，既可提高沥青的再利用率，也可减少环境污染。

3.2 在油田岩屑固化上的应用

汽油田开采过程中会产生各种各样的废弃物，这些废弃物会造成环境的大范围污染，甚至对人的健康造成危害，因此需要一种技术将采油过程中对人和环境的危害降低，因此有了固化采油废物的方法，以此降低采油过程对人和环境的危害。相比于国内现有的普通硅酸盐水泥的废弃物固化，碱激发胶凝材料具有环保、低碳、固化性能稳定的优点，制备成型的固化物各项性能良好，满足了环保性和安全性的要求。

因此，在一定的配合比下，碱激发胶凝材料可以对西南油田的开采做出一定的贡献，并为废弃物利用提出新思路。

4 结论与展望

碱激发胶凝材料混凝土比普通的波特兰混凝土具有更好的机械性能和环境优势，目前国内外相关研究人员都在不断探索和发掘其应用的可行性和广泛性，使其有望成为常规水泥混凝土的可持续替代品。但是，地聚合物表现出脆性较大，为了克服这一弱点，目前很多研究集中在纤维增强的地质聚合物和水泥基复合材料的开发、表征和实施上，望使其具有广泛的应用范围，如对交通基础设施的适应性、水下工程应用、结构的修复以及3D打印等。

随着人们环保意识的不断增强，大众越来越提倡使用环保型材料。作为人类基础设施建设的设计者，土木工程师更应该注重材料的环保性，在注重经济效益的同时，更要在源头，即材料选择方面慎重考虑材料的环保效益。在国家倡议全球绿色环保的理念和政策下，未来碱激发胶凝材料将会在建筑业占据举足轻重的地位，带领我国建筑业迈入新纪元，开创环保型材料的新时代。

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