“十四五”期间,“碳达峰、碳中和”目标将带来一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,意味着需要以前所未有的力度贯彻绿色、低碳、循环的发展理念,产业结构的转型升级亟待进一步推进。碱激发材料是一种以工业固废作为主要原材料的胶凝材料,其CO2排放量不到传统硅酸盐水泥的40%,同时,碱激发材料具有十分优异的力学性能与耐久性能,尤其能够在海洋土木工程中发挥巨大的作用,具有良好的发展前景。然而,用于配置碱激发胶凝材料的工业固废与碱性激发剂种类繁多,造成碱激发胶凝材料品质相对不稳定的后果。为此,该文主要从碱激发材料的力学性能、耐久性能与水化微结构三个方面综述了碱激发胶凝材料目前的研究现状,探讨碱激发材料的工程应用并总结其瓶颈问题,最后对进一步深入研究碱激发材料进行展望。

1 碱激发胶凝材料的力学性能

碱激发材料的力学性能的相关研究主要围绕其强度方面展开。通常而言,大多数学者认为碱激发材料的力学性能主要与原材料的本征属性、碱性激发剂、养护条件这三个方面相关。

1.1 原材料本征属性的影响

肖珊珊研究了原材料理化性质对粉煤灰/矿渣碱激发材料体系的影响,研究表明粉煤灰细度与其CaO含量和矿渣的碱度系数对材料力学性能具有显著影响。宋维龙开展了多元工业固废对碱激发材料力学性能影响的研究,试验以粉煤灰、矿渣与钢渣作为主要原材料,水玻璃与氢氧化钠为激发剂制备了胶凝材料,结果表明复合使用粉煤灰、矿渣与钢渣对碱激发材料力学性能发展具有促进作用,尤其是粉煤灰与矿渣具有很好的协同效应,能够增加胶凝材料内部胶结强度,提升整体力学性能。

1.2 碱性激发剂的影响

金磊研究了NaOH溶液对矿渣基碱激发材料抗压强度的影响,结果表明NaOH的掺量能够显著影响其抗压强度,并且随着掺量的增大呈现先增加后减少的趋势,其中28d最高抗压强度达到56.8MPa。汤州龙采用NaOH、Na2CO3与水玻璃配置矿渣碱激发材料,结果表明,水玻璃的激发效果最好,同时提高碱激发剂中的碱含量能够提升材料的抗压强度。

1.3 养护条件的影响

刘倩研究了高温作用下矿渣碱激发材料的抗压强度,结果表明,当碱浓度为4%与6%时,高温作用后的碱激发材料强度随着水玻璃模数增大而减小,当碱浓度为8%时,模数为2的碱激发材料高温后相对残余抗压强度最高。李福海研究了养护温度对碱激发粉煤灰砂浆强度的影响,结果表明,养护温度影响了胶凝材料内部孔隙结构,并且养护温度促进了粉煤灰水化进程,内部微结构随着龄期的增长而逐步完善,宏观上表现为抗压强度显著增强。综上所述,影响碱激发材料力学性能的因素有诸多方面,但对其抗压强度与各组分最优掺量方面仍存在分歧,需要进一步开展深入研究。

2 碱激发材料的耐久性能

目前对碱激发材料耐久性能的研究集中于收缩性、抗侵蚀性与抗冻融能力几个方面。

2.1 收缩性能

王宿桢系统研究了矿渣碱激发材料的自收缩性能,结果表明,NaOH激发的矿渣碱激发材料的自收缩呈先增大后减小趋势,而水玻璃/NaOH激发的材料的自收缩随着碱当量的增加不断增大,MgO/NaOH激发的矿渣碱激发材料的自收缩随着MgO/NaOH摩尔比的减小表现出先增大后减小的趋势。王东平开展粉煤灰掺量对矿渣碱激发砂浆的收缩性能,结果表明,粉煤灰的掺入能够显著改善碱激发材料的收缩问题。同时,薛恒岳的研究也发现了上述规律。

2.2 抗侵蚀性能

鲍玖文开展了干湿交替作用下碱激发材料的氯盐侵蚀性能研究,结果表明,碱激发材料表面氯离子浓度与表观氯离子扩散系数随着干湿循环时间比的增加呈现先增大后减小趋势,同时该研究也建立并验证了相应的氯离子传输模型。金宇开展了侵蚀介质作用下碱激发矿渣混凝土耐久性试验,结果表明,氢氧化钾配制的碱激发矿渣材料较水玻璃具有更好的抗侵蚀介质的性能。

2.3 抗冻融性能

李琦研究了冻融条件下矿渣碱激发混凝土的质量与强度损失,结果表明随着冻融循环次数增加,强度损失率上升幅度明显,同时,会引起材料内部裂缝扩展,引发进一步的侵蚀作用。孙科科制备了偏高岭土碱激发混凝土,抗冻性能与其Na2O与Al2O3物质的量比相关,同时发现,与OPC混凝土相比,当抗压强度为30~50MPa时,偏高岭土碱激发混凝土性能更优异。综上,碱激发材料无论在抗氯离子侵蚀、硫酸根离子侵蚀与抗冻融性能方面均有着较为优异的表现,但仍存在着难以调控的自收缩问题。因此,需要结合碱激发材料收缩特性开展相应的科学研究,以保证其在实际工程中发挥更优异的作用。

3 碱激发材料的水化微结构

通常而言,碱激发材料是一种具有由硅氧四面体与铝氧四面体交互形成的三维网络凝胶体结构,此节从水化热、孔隙结构与水化产物三个方面分析碱激发材料的水化微结构。

3.1 水化热

龙武剑研究羟基乙叉二膦酸四钠(HEDP.Na4)对碱激发材料新拌性能与硬化性能的影响变化规律,研究发现HEDP.Na4会延迟碱激发材料浆体的初凝和终凝时间,并能够显著降低材料的总体水化放热量。刘奎生采用水玻璃制备钢渣基碱激发材料并探究了其水化放热变化规律,结果显示随着水玻璃模数增大,钢渣基碱激发材料体系的第二个水化放热峰产生延迟现象,同时降低了峰值反应速率。

3.2 孔隙结构

李晓丽开展了砒砂岩地聚物的微观结构研究,研究显示凝胶的生产量促进了材料内部10nm以下孔径的占比,同时砒砂岩地聚物的总孔隙率达到最低值。张文艳探讨了减缩剂对碱激发煤矸石-矿渣胶凝材料力学性能与孔隙结构的影响,结果表明减缩剂不会对胶凝材料体系的水化产物类型发生影响,但由于材料早期聚合反应受到抑制作用,材料的孔隙率产生了增大的趋势。李福海也开展了碱激发材料的孔隙结构特征研究,结果显示随着龄期增长,孔结构分布由离散型的大孔结构逐步转变为分布均匀的小孔结构。

3.3 水化产物

刘树龙采用矿渣、钢渣、脱硫石膏与生石灰配置了碱激发材料,结果表明该体系下水化产物主要以钙矾石与C-S-H凝胶为主,且产物结构结晶度交联度随着龄期增长不断提升。马倩敏采用水玻璃配置矿渣碱激发材料并探究其水化产物变化规律,研究结果表明,水化产物以C-S-H与C-A-S-H为主,并伴随着少量的斜方钙沸石与水滑石,另外,当激发剂模数较高时,更有利于C-A-S-H的产生。对于碱激发材料的水化微结构,碱激发材料普遍以硅铝酸钙凝胶产物为主,但其微结构特性仍难以精确调控。因此,为了进一步了解其水化过程与微观结构特性,仍需要开展大量的研究工作。

4 碱激发材料的工程应用及其瓶颈问题

碱激发材料是一种绿色低碳型胶凝材料,不仅能够极大程度消纳电力、化工与钢铁制造行业生产过程中排放出的固体废弃物,也能进一步降低硅酸盐水泥的使用量,对国民经济与建设工程行业的可持续发展具有重要意义。然而,随着目前碱激发材料的不断发展,结合现代建筑工程行业的发展背景,在其工程应用方面仍存在许多问题需要解决。

首先,碱激发材料的原材料来源难以控制,以致所配置的碱激发材料在结构性能方面常常出现较大波动,暂时难以实现稳定的制备方法。同时,其凝结硬化特征常常难以调控,而该问题是碱激发材料在工程建设行业应用面临的重要问题,因此,进一步推广碱激发材料需要合理选择其原料来源。其次,碱激发材料的强度形成原理不同于一般水泥胶凝材料,其配合比设计仍需进一步进行研究;并且由于材料的多样性与养护条件的多样性,如何设计出高性能的碱激发材料以满足其工程应用也是一项十分重要的问题。最后,在耐久性能方面,碱激发材料通常认为具有十分优异的抗侵蚀能力,但对于其抗侵蚀机理与抗侵蚀过程的研究仍十分缺乏,为此,进一步探究碱激发材料的抗侵蚀性能提升机理是实现其在复杂耦合工程环境下应用的重要方向。

5 展望

实现碱激发材料的高性能化发展是一项十分有意义的研究内容,为构建高性能碱激发胶凝材料体系,未来碱激发材料可以从以下几个方面展开:

1)进一步完善粉煤灰、矿渣、钢渣等配置碱激发材料工业固废的性能评估标准,尤其需要严格控制其化学与矿物组成、玻璃相活性、细度与活性指数等指标,以保证碱激发材料高质量且稳定的原材料。

2)进一步探究碱激发材料水化过程及其微结构形成机理,可以采用数学建模等科学方法建立碱激发材料的反应过程与机理,进而得到碱激发材料胶凝组成、微观结构及其宏观性能之间的本质关系。

3)基于目前碱性激发剂的研究基础,进一步开发更为环保低碳的天然碱性激发剂,降低碱激发材料的制备成本,为碱激发材料的工业化产生奠定良好的物质基础。

作者：李华伟,范家俊,孙浩旭,潘鸿,谢汶桦

来源：《建材世界》