堿激發膠凝材料的研究現狀與應用分析

李華偉，范家俊，孫浩旭，潘 鴻，謝汶樺

(武夷學院土木工程與建筑學院，武夷山 354300)

“十四五”期間，“碳達峰、碳中和”目標將帶來一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革，意味著需要以前所未有的力度貫徹綠色、低碳、循環的發展理念，產業結構的轉型升級亟待進一步推進[1]。堿激發材料是一種以工業固廢作為主要原材料的膠凝材料，其CO2排放量不到傳統硅酸鹽水泥的40%，同時，堿激發材料具有十分優異的力學性能與耐久性能，尤其能夠在海洋土木工程中發揮巨大的作用，具有良好的發展前景[2]。然而，用于配置堿激發膠凝材料的工業固廢與堿性激發劑種類繁多，造成堿激發膠凝材料品質相對不穩定的后果[3]。為此，該文主要從堿激發材料的力學性能、耐久性能與水化微結構三個方面綜述了堿激發膠凝材料目前的研究現狀，探討堿激發材料的工程應用并總結其瓶頸問題，最后對進一步深入研究堿激發材料進行展望。

1 堿激發膠凝材料的力學性能

堿激發材料的力學性能的相關研究主要圍繞其強度方面展開。通常而言，大多數學者認為堿激發材料的力學性能主要與原材料的本征屬性、堿性激發劑、養護條件這三個方面相關。

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對粉煤灰/礦渣堿激發材料體系的影響，研究表明粉煤灰細度與其CaO含量和礦渣的堿度系數對材料力學性能具有顯著影響。宋維龍[5]開展了多元工業固廢對堿激發材料力學性能影響的研究，試驗以粉煤灰、礦渣與鋼渣作為主要原材料，水玻璃與氫氧化鈉為激發劑制備了膠凝材料，結果表明復合使用粉煤灰、礦渣與鋼渣對堿激發材料力學性能發展具有促進作用，尤其是粉煤灰與礦渣具有很好的協同效應，能夠增加膠凝材料內部膠結強度，提升整體力學性能。

1.2 堿性激發劑的影響

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

1.3 養護條件的影響

劉倩[8]研究了高溫作用下礦渣堿激發材料的抗壓強度，結果表明，當堿濃度為4%與6%時，高溫作用后的堿激發材料強度隨著水玻璃模數增大而減小，當堿濃度為8%時，模數為2的堿激發材料高溫后相對殘余抗壓強度最高。李福海[9]研究了養護溫度對堿激發粉煤灰砂漿強度的影響，結果表明，養護溫度影響了膠凝材料內部孔隙結構，并且養護溫度促進了粉煤灰水化進程，內部微結構隨著齡期的增長而逐步完善，宏觀上表現為抗壓強度顯著增強。

綜上所述，影響堿激發材料力學性能的因素有諸多方面，但對其抗壓強度與各組分最優摻量方面仍存在分歧，需要進一步開展深入研究。

2 堿激發材料的耐久性能

目前對堿激發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方面。

2.1 收縮性能

王宿楨[10]系統研究了礦渣堿激發材料的自收縮性能，結果表明，NaOH激發的礦渣堿激發材料的自收縮呈先增大后減小趨勢，而水玻璃/NaOH激發的材料的自收縮隨著堿當量的增加不斷增大，MgO/NaOH激發的礦渣堿激發材料的自收縮隨著MgO/NaOH摩爾比的減小表現出先增大后減小的趨勢。王東平[11]開展粉煤灰摻量對礦渣堿激發砂漿的收縮性能，結果表明，粉煤灰的摻入能夠顯著改善堿激發材料的收縮問題。同時，薛恒岳[12]的研究也發現了上述規律。

2.2 抗侵蝕性能

鮑玖文[13]開展了干濕交替作用下堿激發材料的氯鹽侵蝕性能研究，結果表明，堿激發材料表面氯離子濃度與表觀氯離子擴散系數隨著干濕循環時間比的增加呈現先增大后減小趨勢，同時該研究也建立并驗證了相應的氯離子傳輸模型。金宇[14]開展了侵蝕介質作用下堿激發礦渣混凝土耐久性試驗，結果表明，氫氧化鉀配制的堿激發礦渣材料較水玻璃具有更好的抗侵蝕介質的性能。

2.3 抗凍融性能

李琦[15]研究了凍融條件下礦渣堿激發混凝土的質量與強度損失，結果表明隨著凍融循環次數增加，強度損失率上升幅度明顯，同時，會引起材料內部裂縫擴展，引發進一步的侵蝕作用。孫科科[16]制備了偏高嶺土堿激發混凝土，抗凍性能與其Na2O與Al2O3物質的量比相關，同時發現，與OPC混凝土相比，當抗壓強度為30～50 MPa時，偏高嶺土堿激發混凝土性能更優異。

綜上，堿激發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異的表現，但仍存在著難以調控的自收縮問題。因此，需要結合堿激發材料收縮特性開展相應的科學研究，以保證其在實際工程中發揮更優異的作用。

3 堿激發材料的水化微結構

通常而言，堿激發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絡凝膠體結構，此節從水化熱、孔隙結構與水化產物三個方面分析堿激發材料的水化微結構。

3.1 水化熱

龍武劍[17]研究羥基乙叉二膦酸四鈉(HEDP.Na4)對堿激發材料新拌性能與硬化性能的影響變化規律，研究發現HEDP.Na4會延遲堿激發材料漿體的初凝和終凝時間，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材料并探究了其水化放熱變化規律，結果顯示隨著水玻璃模數增大，鋼渣基堿激發材料體系的第二個水化放熱峰產生延遲現象，同時降低了峰值反應速率。

3.2 孔隙結構

李曉麗[19]開展了砒砂巖地聚物的微觀結構研究，研究顯示凝膠的生產量促進了材料內部10 nm以下孔徑的占比，同時砒砂巖地聚物的總孔隙率達到最低值。張文艷[20]探討了減縮劑對堿激發煤矸石-礦渣膠凝材料力學性能與孔隙結構的影響，結果表明減縮劑不會對膠凝材料體系的水化產物類型發生影響，但由于材料早期聚合反應受到抑制作用，材料的孔隙率產生了增大的趨勢。李福海[9]也開展了堿激發材料的孔隙結構特征研究，結果顯示隨著齡期增長，孔結構分布由離散型的大孔結構逐步轉變為分布均勻的小孔結構。

3.3 水化產物

劉樹龍[21]采用礦渣、鋼渣、脫硫石膏與生石灰配置了堿激發材料，結果表明該體系下水化產物主要以鈣礬石與C-S-H凝膠為主，且產物結構結晶度交聯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材料并探究其水化產物變化規律，研究結果表明，水化產物以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，當激發劑模數較高時，更有利于C-A-S-H的產生。

對于堿激發材料的水化微結構，堿激發材料普遍以硅鋁酸鈣凝膠產物為主，但其微結構特性仍難以精確調控。因此，為了進一步了解其水化過程與微觀結構特性，仍需要開展大量的研究工作。

4 堿激發材料的工程應用及其瓶頸問題

堿激發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生產過程中排放出的固體廢棄物，也能進一步降低硅酸鹽水泥的使用量，對國民經濟與建設工程行業的可持續發展具有重要意義。然而，隨著目前堿激發材料的不斷發展，結合現代建筑工程行業的發展背景，在其工程應用方面仍存在許多問題需要解決。

首先，堿激發材料的原材料來源難以控制，以致所配置的堿激發材料在結構性能方面常常出現較大波動，暫時難以實現穩定的制備方法。同時，其凝結硬化特征常常難以調控，而該問題是堿激發材料在工程建設行業應用面臨的重要問題，因此，進一步推廣堿激發材料需要合理選擇其原料來源。其次，堿激發材料的強度形成原理不同于一般水泥膠凝材料，其配合比設計仍需進一步進行研究；并且由于材料的多樣性與養護條件的多樣性，如何設計出高性能的堿激發材料以滿足其工程應用也是一項十分重要的問題。最后，在耐久性能方面，堿激發材料通常認為具有十分優異的抗侵蝕能力，但對于其抗侵蝕機理與抗侵蝕過程的研究仍十分缺乏，為此，進一步探究堿激發材料的抗侵蝕性能提升機理是實現其在復雜耦合工程環境下應用的重要方向。

5 展 望

實現堿激發材料的高性能化發展是一項十分有意義的研究內容，為構建高性能堿激發膠凝材料體系，未來堿激發材料可以從以下幾個方面展開：

1)進一步完善粉煤灰、礦渣、鋼渣等配置堿激發材料工業固廢的性能評估標準，尤其需要嚴格控制其化學與礦物組成、玻璃相活性、細度與活性指數等指標，以保證堿激發材料高質量且穩定的原材料。

2)進一步探究堿激發材料水化過程及其微結構形成機理，可以采用數學建模等科學方法建立堿激發材料的反應過程與機理，進而得到堿激發材料膠凝組成、微觀結構及其宏觀性能之間的本質關系。

3)基于目前堿性激發劑的研究基礎，進一步開發更為環保低碳的天然堿性激發劑，降低堿激發材料的制備成本，為堿激發材料的工業化產生奠定良好的物質基礎。