堿激發(fā)混凝土耐久性研究進(jìn)展

夏茂鐘

(重慶交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 重慶 400074)

一、引言

普通水泥的生產(chǎn)消耗大量的資源和能源，帶來大量的二氧化碳排放，因此，低碳足跡的建筑材料在世界范圍內(nèi)受到越來越多的關(guān)注[1]。由于對環(huán)境的友好影響和優(yōu)異的性能，在過去的幾十年中，專家學(xué)者對使用硅鋁酸鹽和堿性活化劑制備的堿激發(fā)混凝土進(jìn)行了廣泛的研究[2]。目前，堿激發(fā)混凝土在建筑結(jié)構(gòu)，鋪路和廢物固化方面表現(xiàn)出令人滿意的性能，但是，在廣泛的應(yīng)用中仍然存在問題，例如原材料的成本和長期耐久性的未知性能[3]。抗碳化，抗氯化物滲透和抗硫酸鹽侵蝕是三個關(guān)鍵的耐久性因素，因?yàn)樗鼈冊谇治g性環(huán)境下會對堿激發(fā)混凝土產(chǎn)生不利影響[4]，而這些因素與材料的吸水率和滲透性有關(guān)。

二、吸水率和滲透率

就吸水率和滲透率而言，堿激發(fā)混凝土與普通混凝土的性能存在顯著爭議。Palomo等研究表明硅酸鈉活化礦渣砂漿的混凝土的水滲透性低于普通混凝土。然而，Singh等報道堿活化礦渣混凝土的吸水率和滲透率高于普通硅酸鹽水泥混凝土。還有Albitar等發(fā)現(xiàn)，與堿活化的粉煤灰和礦渣混凝土相比，普通混凝土的吸水率和滲透率更低。實(shí)際上，堿激發(fā)混凝土的吸水率和滲透率受許多因素影響，包括前體，活化劑，樣品成熟度。

堿激發(fā)混凝土的吸水率和滲透率與許多因素有關(guān)，例如前體的含量和類型。在堿激發(fā)爐渣混凝土中，Bernal等發(fā)現(xiàn)高爐礦渣含量的增加可以顯著降低毛細(xì)孔的吸附性。與300 kg/m3的渣含量相比，渣含量為400 kg/m3的堿激發(fā)混凝土具有較低的總孔隙率和較高的耐水滲透性。然而，當(dāng)?shù)V渣含量增加到500 kg/m3時，耐水滲透性幾乎沒有變化，這可能是由于在混凝土中使用高含量的粘合劑時，由于水化熱增加而引起的微裂紋增加。還發(fā)現(xiàn)在堿活化的礦渣與偏高嶺土的混合物中，偏高嶺土在一定范圍內(nèi)的替代會降低吸水率和滲透率。

堿激發(fā)混凝土的水滲透性受水與粘合劑比值(w/b，此處的粘合劑是指固體前體)的影響。由于孔隙體積和孔徑較大，地質(zhì)聚合物的w/b越高，吸水速度越快。在低鈣聚合物混凝土中，吸水率也隨著總w/b的增加而增加[11]。在研究稻殼-樹皮灰與粉煤灰混合生產(chǎn)的無機(jī)聚合物混凝土?xí)r，當(dāng)w/b最大時，水的滲透率最高，這取決于微結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙和裂紋的數(shù)量。

三、抗碳化性能

盡管堿激發(fā)混凝土和普通混凝土的耐久性都受其吸水率和基質(zhì)滲透性的影響，但它們的降解機(jī)理卻不同。就碳化而言，孔隙溶液中溶解的CO2也可能與堿激發(fā)混凝土的反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，從而降低孔隙溶液的pH值，并由于去鈍化而增加了鋼筋的腐蝕風(fēng)險。但是，Bakharev等人發(fā)現(xiàn)，通過加速碳化試驗(yàn)評估，堿活化礦渣的碳化速率比普通水泥快。加速碳酸化試驗(yàn)可能不適用這種情況。事實(shí)上，堿激發(fā)爐渣混凝土的自然碳酸化速率僅比普通混凝土的自然碳酸化速率稍快。因此，用于普通水泥的加速碳化試驗(yàn)不能完全代表堿激發(fā)混凝土的自然碳化行為。

前體的含量和類型對堿激發(fā)混凝土的碳化過程有很大的影響。由于形成了致密的基體，堿激發(fā)爐渣混凝土中爐渣含量的增加可以降低CO2的滲透率和碳化深度。但是，當(dāng)爐渣含量從400 kg/m3增加到500 kg/m3時，w/b開始成為另一個嚴(yán)重影響碳化速率的因素。這是由于微裂紋的發(fā)展和自干效應(yīng)。因此，堿激發(fā)爐渣混凝土中的爐渣含量應(yīng)在最佳范圍內(nèi)使用，以降低碳化速率和風(fēng)險。

CO2的含量對堿激發(fā)混凝土的碳化過程也有很大的影響。H?kkinen發(fā)現(xiàn)，堿激發(fā)爐渣混凝土在3%CO2下的碳化速度比礦渣摻合普通水泥和普通水泥混凝土要快得多。Rodríguez等發(fā)現(xiàn)，堿激發(fā)爐渣混凝土在7%CO2下的碳酸化率約為普通混凝土的3倍，這與抗壓強(qiáng)度損失大得多有關(guān)，在20%CO2的測試中也發(fā)生了類似的結(jié)果。

四、氯化物滲透

氯化物的進(jìn)入是造成鋼筋腐蝕的主要因素。暴露在海洋環(huán)境中的鋼筋混凝土和除冰鹽會遭受氯化物的侵蝕。盡管氯化物通常不會嚴(yán)重?fù)p害混凝土基質(zhì)，但這種侵蝕會通過鈍化過程導(dǎo)致鋼腐蝕，最終降低結(jié)構(gòu)的承載能力。

在許多情況下，在相同的強(qiáng)度下，堿激發(fā)混凝土的耐氯化物性能均類似于或優(yōu)于普通混凝土。Chaparro等發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)爐渣混凝土的鋼在3.5%NaCl溶液中的腐蝕概率等于普通混凝土，并且鋼/AAS界面上達(dá)到的氯化物會降低耐蝕性。

普通混凝土中氯離子結(jié)合過程中弗里德爾鹽的形成可以抑制氯離子的遷移并降低孔溶液中的[Cl-]/[OH-]。該機(jī)制用于評估鋼筋的腐蝕風(fēng)險。在堿活化礦渣砂漿中，NaCl可能會影響凝固時間和強(qiáng)度發(fā)展。然而，沒有觀察到新的結(jié)晶產(chǎn)物(特別是弗里德爾鹽)，將堿活化的粉煤灰砂漿在NaCl溶液中浸泡2年后，沒有形成新的結(jié)晶相。Ismail等認(rèn)為，弗里德爾鹽的形成與堿激發(fā)混凝土的氯化物結(jié)合無關(guān)。實(shí)際上，氯離子的結(jié)合主要取決于反應(yīng)產(chǎn)物的物理吸收，而不是化學(xué)反應(yīng)。

五、耐硫酸鹽

硫酸鹽侵蝕也是引起混凝土結(jié)構(gòu)退化的重要因素。除了鹽結(jié)晶的物理作用外，海水中還存在硫酸鹽，地下水和土壤還可以與硅酸鹽水泥中的氫氧化鈣和鋁酸鈣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的石膏和鈣礬石會導(dǎo)致混凝土體積膨脹。為了便于研究，通常分為兩種凝膠體系，一種是高鈣體系，主要由具有鈣鐵礦狀結(jié)構(gòu)的硅酸鋁水合物(CASH)凝膠組成。另一個是低鈣體系，具有假沸石結(jié)構(gòu)的堿金屬硅鋁酸鹽(N-A-S-H)凝膠是主要產(chǎn)品，例如堿活化的粉煤灰和其他低鈣粘合劑。

堿活化渣是研究最多的高鈣堿活化體系。Nicolas等研究了堿激發(fā)爐渣混凝土和普通混凝土的耐硫酸鹽性，發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)爐渣混凝土在5%Na2SO4溶液中浸泡90天后其抗壓強(qiáng)度基本恒定。相比之下，由于形成了石膏和鈣礬石，普通混凝土嚴(yán)重劣化，普通混凝土的強(qiáng)度損失高達(dá)43%，膨脹值為ASC的6倍。

與高鈣堿活化體系不同，低鈣堿活化體系的MgSO4耐受性通常優(yōu)于Na2SO4耐受性。Bakharev研究了F級粉煤灰基地質(zhì)聚合物在5%Na2SO4、5%MgSO4和5%Na2SO4+ 5%MgSO4溶液中浸泡5個月的耐硫酸鹽性。在Na2SO4溶液中，Na2SiO3活化的地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度降低了18%，NaOH + KOH活化的樣品降低了65%；相反，在MgSO4溶液中，NaOH和NaOH + KOH活化的樣品的抗壓強(qiáng)度分別提高了12%和35%，而Na2SiO3活化的地質(zhì)聚合物降低了24%。在5%Na2SO4+ 5%MgSO4溶液中，普通混凝土樣品嚴(yán)重劣化，但地質(zhì)聚合物的強(qiáng)度和質(zhì)量變化最小。

六、總結(jié)與展望

目前，國內(nèi)外學(xué)者對堿礦渣混凝土的碳化、氯離子滲透、化學(xué)侵蝕及堿-骨料反應(yīng)等問題進(jìn)行了一些研究，但還存在一些不充分的地方。對于堿礦渣混凝土的耐久性，筆者認(rèn)為可以在以下幾個方面做進(jìn)一步的研究：(1)吸水率和滲透性與耐久性之間的聯(lián)系關(guān)系評價機(jī)制(2)建立考慮多種離子影響下的氯離子擴(kuò)散模型。(3)對硫酸鹽侵蝕機(jī)理進(jìn)行深入研究。