堿激發膠凝材料的研究現狀及其用于裝配式建筑存在的問題分析

丁 銳 趙獻偉

（吉林建筑大學材料科學與工程學院，吉林 長春 130118）

0 引言

通過近幾十年的研究發展，裝配式PC構件的結構設計和施工工藝不斷進行改進，但是其所使用的膠凝材料還是以硅酸鹽水泥為主。眾所周知，硅酸鹽水泥生產中的“兩磨一燒”，不僅消耗了大量的自然資源，而且排放大量的CO2、SO2等污染性氣體；相關調查指出，水泥產業的CO2排放量已占全球CO2排放量的6%～7%[1]。因模具周轉周期長、需要蒸汽養護、水泥價格上漲等因素，使PC構件的生產成本一直居高不下。另外，由于傳統硅酸鹽水泥水化產物特征及結構的缺陷，使PC構件的耐久性較差。對此，亟需一種低碳環保，能夠替代傳統硅酸鹽水泥的新型膠凝材料，用以生產裝配式PC構件。

通過研究發現：堿激發膠凝材料不僅可以提供硅酸鹽水泥具有的同等性能，而且有著更低的水化熱[2]、更高的力學性能[3]、更好的耐久性[4]；同時又有著碳排放低、凝結硬化快的優勢。相關的研究調查表明：采用堿激發膠凝材料代替普通硅酸鹽水泥制備的混凝土可以減少80%甚至更多的CO2排放[5]。對此，本文對堿激發膠凝材料的研究現狀進行介紹，并就其用于裝配式建筑存在的問題進行分析。

1 裝配式預制構件現狀分析

裝配式建筑因其節能減排、可持續發展、周期縮短、質量管控等方面的優勢而受到行業廣泛關注，被我國定為建筑業轉型升級的未來發展方向[6]。2016年，國務院辦公廳印發了《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，進一步要求在十年時間，要讓裝配式住宅占新建建筑的比例提高到30%。目前，我國裝配式建筑的發展依舊處于初始階段，存在規范標準不健全，施工技術與現場管理經驗滯后，PC構件生產效率低、成本高等問題[7-8]。

由于傳統硅酸鹽水泥在預制構件生產過程中的凝結硬化時間較長，使模板周轉周期較長，模具攤銷成本升高。為提高模板周轉率，構件廠普遍的做法是采用蒸汽養護制度。蒸汽養護雖然減少了構件的凝結硬化時間，但是對于帶有保溫材料的預制構件，蒸汽養護的高溫會使保溫材料的體積產生膨脹，從而影響其保溫性能；一些有機類保溫材料（擠塑板、硬泡聚氨酯板等）甚至會發生蒸爆現象，影響構件的生產質量，同時也會增加企業的生產成本。因此，蒸汽養護雖然降低了模板的攤銷成本，但是對預制構件的質量影響較大，也會增加構件廠的生產成本，并沒有從根本上解決生產成本較高的問題。

PC構件在結構設計和施工工藝上不斷進行迭代更新，但所使用的膠凝材料還是以硅酸鹽水泥為主。隨著自然資源的不斷消耗和各地對能源雙控政策的逐漸落實，傳統硅酸鹽水泥產能受限，使水泥價格不斷攀升，直接導致PC構件生產成本的增加。目前，PC構件的生產成本始終居高不下，這在很大程度上阻礙了裝配式建筑的推廣和使用。

另外，由于傳統硅酸鹽水泥水化產物特征及結構的缺陷，使硅酸鹽水泥建筑構件耐久性較差。眾所周知，硅酸鹽水泥水化產物主要包括：C-S-H凝膠體、水化鐵酸鈣凝膠體、水化鋁酸鈣晶體、水化硫鋁酸鈣晶體、Ca(OH)2晶體及少量的未水化水泥顆粒。其中，凝膠體賦予水泥石強度，晶體產物則是水泥石強度及耐久性不良的重要影響因素，而Ca(OH)2晶體對水泥石的耐久性能的影響尤為突出。主要是由于Ca(OH)2晶體易溶于水，在水泥漿體凝結硬化后，會隨著混凝土內孔隙中水份的蒸發不斷析出，造成體系堿度降低；然而C-S-H凝膠體必須在較高的堿性條件下才能夠長期穩定存在，隨著Ca(OH)2晶體的不斷析出，C-S-H凝膠穩定存在的條件得不到滿足，最終分解破壞結構，影響混凝土的耐久性，這也是硅酸鹽水泥混凝土易受淡水侵蝕的原理。

2 堿激發膠凝材料的應用研究

簡單來說，堿激發膠凝材料是由堿激發劑和具有火山灰活性或潛在水硬性的原料在常溫下反應生成的一種水硬性膠凝材料[9]。堿激發膠凝材料通常使用苛性堿或堿性的鹽來作為堿性激發劑，最常用的堿性激發劑為NaOH、Na2SiO3及兩者配制的復合激發劑；膠凝組分主要是一些含有鋁硅酸鹽的天然礦物或工業固體廢渣組成[10]。其中，天然礦物主要為黏土類礦物、長石等，如偏高嶺土、燒黏土等；固體廢渣主要為具有鋁硅酸鹽玻璃體結構的粒化高爐礦渣、粉煤灰、煤矸石等。其中根據膠凝組分鈣含量的多少，分為高鈣、低鈣兩類激發體系；高鈣體系的主要反應產物為C-A-S-H型凝膠，低鈣體系的主要反應物是N-A-S-H型凝膠[11-12]。

近年來，堿激發膠凝材料的研究被認為是一項極具應用潛力的研究方向，引起了國內外專家的廣泛關注，并對其性能特點展開了相關研究。Chi等[13]以水玻璃、氫氧化鈉為激發劑，制備出的堿礦渣/粉煤灰復合膠凝材料，28d抗壓強度可達105MPa。梁健俊等[14]也對堿礦渣/粉煤灰膠凝材料的力學性能展開了研究，試驗結果表明：所有試件均具有較好的力學性能，28d抗壓強度最高可達78MPa。周梅、王傳洲等[15]以水玻璃、氫氧化鉀為激發劑，制備出的自燃煤矸石-礦渣-粉煤灰地質聚合物，28d膠砂抗壓強度最高可達65MPa。堿激發膠凝材料除了后期強度高之外，同時也具有快硬早強的特點。韓丹等[16]以煅燒后的偏高嶺土為原料，以NaOH、水玻璃為激發劑，激發劑模數調制為1.3，用以制備偏高嶺土基地質聚合物，試驗表明：膠砂試件3d抗壓強度最高可達56.8MPa。X Gao等[17]以水玻璃為激發劑，以礦渣和粉煤灰為原料制備膠凝材料，7d抗壓強度最高可達82.18MPa。

此外，堿激發膠凝材料有著良好的耐高溫性能。Celikten等[18]測試研究了堿礦渣/粉煤灰復合砂漿、硅酸鹽水泥砂漿分別在25℃、400℃、600℃、800℃下力學性能和微觀結構的變化情況，試驗表明：在高溫環境下，堿礦渣/粉煤灰復合砂漿的力學性能優于硅酸鹽水泥砂漿，并且耐高溫性能隨著礦渣摻量的提高而提升。Rovnaník等[19]將堿礦渣制備出砂漿試件置于200℃～1200℃高溫環境內加熱1h，當溫度加載到600℃時，試件的抗壓強度僅下降15%；當試件暴露在800℃下時，試件抗壓強度降到最低值；在1000℃和1200℃時，材料的力學性能并沒有進一步下降，抗壓強度反而逐漸提高到未加熱試件強度的60%。Türker[20]、Murri等[21]也發現堿激發膠凝材料耐高溫性能優于普通硅酸鹽水泥。

堿激發膠凝材料也有著不錯的耐久性。Bakharev等[22]對普通硅酸鹽水泥混凝土和堿礦渣水泥混凝土耐酸腐蝕性進行了對比，將兩種試件放入pH=4的醋酸溶液中浸泡12個月；通過對試件抗壓強度、微觀結構的分析，OPC試件在試驗中有明顯的膨脹、開裂和強度損失，而AAS試件在試驗中并沒有出現膨脹裂縫，強度損失也小于OPC試件。FU等[23]以水玻璃為激發劑制備出的堿礦渣水泥混凝土具有優良的抗凍性能，抗凍等級最低為F300；經過300次凍融循環后，相對動態彈性模量下降10%，質量損失小，表面凍融損傷層非常薄。

3 用于PC構件存在問題的分析

與傳統硅酸鹽水泥相比，堿激發膠凝材料可在常溫、并且不使用速凝劑的情況下，迅速凝結硬化達到拆模強度，減少預制構件的生產周期，提高模具的周轉率；同時可以免去蒸養流程，減少了能源消耗，提高了制品質量，可大大降低生產成本。然而，堿激發膠凝材料過快的凝結硬化，使得在實際生產中缺乏充分的振搗時間，骨料之間的分散性較差，混凝土的密實度較低，進而使PC構件的產品質量不及預期。這就需要添加一定的緩凝劑，由于硅酸鹽水泥與堿激發膠凝材料水化機理的不同，適用于硅酸鹽水泥的緩凝劑對于堿激發膠凝材料來說幾乎沒有效果。研究發現硼砂[24]、磷酸[25]、磷酸鈉[26]等可有效減緩堿激發膠凝材料的凝結時間，但同時降低了構件的力學性能。

在材料制備上，堿激發膠凝材料制備工藝簡單、無需煅燒，在PC構件生產中可大大減少CO2的排放，減緩對溫室效應的影響。而且，堿激發膠凝材料的膠凝組分可以完全由固體廢棄物（如礦渣、粉煤灰）組成，可對固體廢棄物進行再生利用，能夠減少資源消耗。而由于膠凝組分的成分含量并不穩定，不同地區的工廠，甚至相同工廠生產的不同批次原料在化學成分、理化性質上都存在著差異，使堿激發膠凝材料的基本性能波動較大[27-28]。在實際生產中需要根據原料組分的不同，提出不同的優選配合比，針對這一問題目前并沒有較好的解決辦法，而硅酸鹽水泥的化學組分就穩定得多。

眾所周知，碳化反應是指大氣中的CO2通過混凝土孔隙擴散并溶解在孔隙溶液中，與水泥石中的堿性物質發生化學反應生成碳酸鹽和水，使混凝土堿性降低；當碳化深度超過混凝土的保護層時，在水與空氣存在的條件下，就會使混凝土失去對鋼筋的保護作用，鋼筋開始生銹。在堿激發膠凝材料與普通硅酸鹽水泥碳化性能測試中發現，堿激發膠凝材料對CO2侵蝕較為敏感，抗碳化性能較差[29]。在實際應用中，堿激發膠凝材料嚴重的碳化反應容易使PC構件中的鋼筋銹蝕，進而影響構件的承載力；同時碳化反應還會引起碳化收縮，導致PC構件體積縮小，使PC構件在施工拼接時產生不必要的空隙。碳化收縮還會引起PC構件產生裂紋，導致一些有害離子進入構件內部，影響PC構件的產品質量及耐久性。目前，堿激發膠凝材料的碳化反應并未得到較好的解決。另外，堿激發膠凝材料存在收縮較大的問題[30-31]，較大的收縮率同樣會使PC構件產生裂紋，影響PC構件的產品質量和耐久性。

4 結束語

綜上所述，堿激發膠凝材料作為一種新型膠凝材料，不僅具有快硬早強、低碳環保的優勢，而且有著更低的水化熱、更高的力學性能、更好的耐久性。在生產裝配式PC構件時，進一步減少資源消耗、降低碳排放，減少生產周期；提高施工進度，進一步降低生產成本。同時，對固體廢棄物的可再生利用具有重要的現實意義，使裝配式建筑更加符合綠色建筑的發展理念。有利于推進產業結構和能源結構的調整，有利于盡快實現“碳達峰”“碳中和”的目標。但目前，堿激發膠凝材料的原料成分不穩定、凝結過快、收縮過大、碳化嚴重等問題制約著其應用發展；隨著研究的不斷深入，相信在不久的將來，這些問題都會找到合適的解決途徑，使堿激發膠凝材料能夠替代傳統硅酸鹽水泥生產裝配式PC構件而真正應用于實際生產中。