堿激發(fā)膠凝材料研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展

孔令煒

（吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118）

堿激發(fā)膠凝材料研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展

孔令煒

（吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118）

隨著氣候變暖環(huán)境污染問題的日益加重，環(huán)境保護(hù)意識的提升，人們對于綠色環(huán)保材料的要求與需求也與日劇增。堿激發(fā)膠凝材料，它是一種以硅鋁質(zhì)廢棄物為原料的低碳膠凝材料。因其能耗低、排放少、強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)勢性能，被許多研究學(xué)者一致認(rèn)為是一種具有廣闊應(yīng)用前景的綠色膠凝材料。與此同時，綠色建筑材料領(lǐng)域中的堿激發(fā)膠凝材料的研究及應(yīng)用一直成為研究熱點。堿激發(fā)膠凝材料作為一種綠色膠凝材料，還需要引起更大的社會認(rèn)知度，本文將從堿激發(fā)膠凝材料自身的研究現(xiàn)狀及其未來的發(fā)展方向展開論述，詳細(xì)介紹這種綠色膠凝材料。

堿激發(fā)膠凝材料 未來發(fā)展

在強(qiáng)烈呼吁環(huán)境保護(hù)的二十一世紀(jì)，堿激發(fā)膠凝材料因其綠色環(huán)保的鮮明特征映入人們的視野，即將在未來的材料市場占據(jù)重要地位。在火山灰質(zhì)類材料和部分工業(yè)廢棄尾渣中，含有一定數(shù)量的二氧化硅、氧化鋁等活性組分，當(dāng)它們與氫氧化鈣反應(yīng)時，就會生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化鋁硅酸鈣和水化硫鋁酸鈣等的反應(yīng)產(chǎn)物，通常把這種能生成水化硅酸鈣等凝膠，對砂漿起到增強(qiáng)作用的效應(yīng)稱之為火山灰活性效應(yīng)。把這種加入堿性材料進(jìn)而使之具備膠凝特性的方法，即所謂的堿激發(fā)。通常使用的激發(fā)有多種，化學(xué)激發(fā)是其中一種，也是相對有效的方法，化學(xué)激化方法是堿性激發(fā)、硫酸鹽激發(fā)和碳酸鹽激發(fā)，這種具有熱力學(xué)活性的材料通過堿性激發(fā)的方法得到的具有一定膠凝特性的材料，就稱之為堿激發(fā)膠凝材料。堿激發(fā)膠凝材料作為一種綠色膠凝材料，還需要引起更大的社會認(rèn)知度，因而本文將從堿激發(fā)膠凝材料自身的研究現(xiàn)狀及其未來的發(fā)展方向展開論述，詳細(xì)介紹這種綠色膠凝材料。

一、堿激發(fā)膠凝材料的制作

我們都知道，在工業(yè)產(chǎn)出時都會產(chǎn)生很多含有SiO2、Al2O3、CaO等的工業(yè)廢渣材料，如果對它們置之不理，不僅由于這些工業(yè)廢渣材料自身沒有或有很微弱膠凝性，不能自發(fā)形成有用的產(chǎn)品，還可能造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。為了降低污染性，一般人們通過急冷方式將其形成玻璃體，再利用其具有熱力學(xué)活性的屬性，通過機(jī)械、熱力、化學(xué)方法等方式使其激活從而具有相應(yīng)的膠凝性，從而制得堿激發(fā)膠凝材料[1]。

二、堿激發(fā)膠凝材料的優(yōu)勢及應(yīng)用領(lǐng)域

傳統(tǒng)的通用膠凝材料，以硅酸鹽水泥為高鈣體系的水泥為代表，水化后Ca(OH)2 含量很高。用水泥構(gòu)筑的混凝土，在其服役環(huán)境下，表現(xiàn)出耐久性不足的缺點，其中，硬化后的水泥石及其混凝土的結(jié)構(gòu)因素和化學(xué)組分因素，在服役環(huán)境中，極易導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)破壞和化學(xué)組分的改變，進(jìn)而影響耐久性。與通用硅酸鹽類膠凝材料相比，堿激發(fā)材料的優(yōu)勢包含如下方面：綠色環(huán)保，按化學(xué)成分計算，1噸通用硅酸鹽水泥，而產(chǎn)生二氧化碳0.4噸左右，而堿激發(fā)膠凝材料95%的原料是工業(yè)廢料，不需要以犧牲礦山和土地資源為代價來作為原料，也不需要燒制，“綠色化”生產(chǎn)過程，不涉及煙、粉塵、廢水等污染物的排放；在同等條件下，堿激發(fā)膠凝材料的膠結(jié)粘土細(xì)沙的能力、低溫下抗凍的能力、特殊環(huán)境中抗酸堿腐蝕的能力，普遍超出同等級硅酸鹽水泥，由此，可以看出堿激發(fā)膠凝材料的性能優(yōu)勢。

在許多領(lǐng)域，堿激發(fā)膠凝材料均有應(yīng)用，如民用建筑領(lǐng)域、交通工程領(lǐng)域、工業(yè)建設(shè)安裝領(lǐng)域、海洋工程、礦業(yè)工程、水利工程以及農(nóng)業(yè)等多個應(yīng)用領(lǐng)域。

三、堿激發(fā)膠凝材料的理論研究現(xiàn)狀及存在的問題

3.1 堿激發(fā)膠凝材料的理論研究成果

關(guān)于堿激發(fā)膠凝材料的其反應(yīng)機(jī)理研究仍然進(jìn)一步有待解決，尤其是組成相對復(fù)雜的體系更是如此。堿激發(fā)膠凝材料系統(tǒng)包含含鈣和無鈣兩種體系。在初級階段，主要針對含鈣體系做出相應(yīng)的研究。

堿激發(fā)膠凝材料主要研究對象集中在堿礦渣水泥上，并得到了一些理論成果。Purdon提出的最早的“堿激活”理論，就是少量的氫氧化鈉在水泥硬化過程中可以起到催化的作用，使得水泥中的硅、鋁鹽等混合化合物較容易溶解而形成硅酸鈉和偏鋁酸鈉等鹽類，與氫氧化鈣反應(yīng)形成硅酸鈣和鋁酸鈣礦物，使水泥硬化并且將重新生成的NaOH在下一輪的激發(fā)反應(yīng)中發(fā)揮作用[2]。

前蘇聯(lián)的科學(xué)家提出的“堿液反應(yīng)機(jī)理”的理論，其過程中涉及了富鈣相的溶解、硅酸鹽凝膠的形成、復(fù)雜晶態(tài)產(chǎn)物的形成等，從而形成的中間產(chǎn)物有雪硅鈣石、水化石榴子石等，最終產(chǎn)物謂類沸石與富硅鈣石。

在上世紀(jì)80年代，Malone研究發(fā)現(xiàn)的堿激發(fā)爐渣水泥的硬化機(jī)理，該理論闡述了堿金屬、堿土金屬離子進(jìn)入溶液過程中，會在爐渣顆粒表面形成膠狀硅酸鈉鹽物質(zhì)層。而鋁氧化物溶解于硅酸鈉中，直接形成半晶態(tài)托貝莫來石；最終生成了水化鋁酸鈣并水分排出，不同成分組成的沸石及類沸石相從而最終形成。

隨著堿激發(fā)膠凝材料研究的進(jìn)一步深入，開始在無鈣體系探索，并且對有鈣體系的機(jī)理進(jìn)行了相應(yīng)的補(bǔ)充和加深。該方面提出的理論主要有J.Davidovits等學(xué)者通過對礦物聚合物材料的硬化過程的研究提出了相應(yīng)的理論，他們把礦物聚合反應(yīng)看做“解聚一縮聚”兩個過程。礦物聚合材料的形成過程是由于堿激發(fā)效應(yīng)，使硅氧鍵和鋁氧鍵形成斷裂，進(jìn)而形成一系列的低聚硅(鋁)四面體單元結(jié)構(gòu)，這些低聚結(jié)構(gòu)單元隨著反應(yīng)的進(jìn)行過程，通過脫水重組聚合反應(yīng)最終形成了礦物聚合材料。研究也發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)膠凝材料的硬化過程主要涉及堿性材料與礦渣材料的反應(yīng)，水在過程中起傳質(zhì)媒介作用[3]。而硅酸鹽水泥的硬化過程中，水卻是作為一種主要反應(yīng)物。長期以來，堿激發(fā)膠凝材料涉及的反應(yīng)產(chǎn)物一直都是人們研究的熱點，但是不同的研究領(lǐng)域的學(xué)者的學(xué)術(shù)觀點都很難統(tǒng)一意見。探索其原因牽涉這幾個方面，一是不同研究領(lǐng)域的學(xué)者使用的研究手段和與之適應(yīng)的實驗條件都不相同，影響的因素多；二是，激發(fā)劑體系的不同的原因，激發(fā)的化學(xué)過程不同，它的反應(yīng)產(chǎn)物同樣會不同。

3.2 堿激發(fā)膠凝材料存在的問題

從上面的關(guān)于堿激發(fā)膠凝材料的分析我們可以看出，堿激發(fā)膠凝材料是一種極具未來市場的材料，然而當(dāng)就其國內(nèi)外大規(guī)模應(yīng)用的實際工程而言，還不多。為了加快未來發(fā)展應(yīng)用的道路，目前有幾方面的問題需要進(jìn)一步解決：（1）堿激發(fā)膠凝材料性能的影響因素多，雖然已經(jīng)有了一些研究成果，但仍缺乏系統(tǒng)性。（2）不同工業(yè)廢棄物的成分差別對堿激發(fā)膠凝材料的性能波動影響很大。因此，如何提高堿激發(fā)工業(yè)廢渣膠凝材料的性能的穩(wěn)定性是實現(xiàn)該工程實際應(yīng)用應(yīng)解決的關(guān)鍵問題。（3）堿激發(fā)膠凝材料的減水劑問題。由于對硅酸鹽水泥具有良好減水效應(yīng)的減水劑通常對堿激發(fā)材料無效[4]。因此，需要迫切尋找與堿激發(fā)材料適應(yīng)的減水劑

結(jié)語：本文詳細(xì)介紹了堿激發(fā)膠凝材料的理論研究現(xiàn)狀及其存在的問題。與傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥對比，堿激發(fā)膠凝材料是一種綠色膠凝材料，有其鮮明的優(yōu)勢和多種應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用，具有光明的市場前景。相信隨著相關(guān)研究的不斷深入，堿激發(fā)膠凝材料在工程中的應(yīng)用會越來越多，越來越廣泛。

[1]劉文斌,肖雪軍. 堿激發(fā)膠凝材料研究進(jìn)展[J]. 商品混凝土,2010,09:23-25+51.

[2]宋旭艷,韓靜云,郜志海,楊末麗,盛廣宏. 堿激發(fā)錳渣膠凝材料的探索研究[J].材料導(dǎo)報,2009,22:70-73.

[3]彭小芹,劉朝,李三,蔣雁,曾路. 堿激發(fā)鋼渣礦渣膠凝材料凝結(jié)硬化性能研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,06:47-52.

[4]Zhang Shuzheng, Gong Kecheng. J Mater Sci Eng(in Chinese),2003,21(3):430-436.

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1007-6344（2015）11-0091-01