地聚物混凝土耐久性研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

羅安邦，章本本，趙宇航，陳珊玲

（1、岳陽路橋集團(tuán)有限公司 湖南 岳陽 414000；2、湘潭大學(xué)土木工程學(xué)院 湖南 湘潭 411105；3、湖南省交通運(yùn)輸廳交通建設(shè)造價(jià)管理站 長沙 410116）

0 引言

混凝土作為現(xiàn)代各類工程建設(shè)中最為常用的建筑材料之一，其在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的外部驅(qū)動(dòng)下，使得水泥的需求量和生產(chǎn)量均持續(xù)攀升。但不可忽略的是，水泥在促使建筑行業(yè)高速發(fā)展的同時(shí)，也加大了生態(tài)環(huán)境的負(fù)載壓力，具體表現(xiàn)為水泥行業(yè)具有高能耗、高污染、高碳排放等“三高”特性［1-2］，其在生產(chǎn)制備過程中會(huì)消耗大量不可再生資源，排放一系列氣體、粉塵等污染物，同時(shí)會(huì)釋放近似等質(zhì)量的CO2。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，水泥行業(yè)目前已成為全球最大的CO2排放源，僅水泥行業(yè)釋放的CO2約占全球CO2排放量的5%～8%［3］。上述結(jié)果表明水泥的大范圍生產(chǎn)應(yīng)用，與我國目前倡導(dǎo)的建筑業(yè)“綠色可持續(xù)發(fā)展觀念”不相適應(yīng)，且阻礙了“雙碳”國家戰(zhàn)略目標(biāo)的按時(shí)推進(jìn)。鑒于此，研發(fā)新型綠色膠凝材料已成為建筑膠凝材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

地聚物又稱“綠色水泥”，具體指一類以富含活性硅鋁礦物組分的硅鋁酸鹽材料為前驅(qū)體，通過與堿激發(fā)劑發(fā)生地質(zhì)聚合反應(yīng)，經(jīng)過溶解、擴(kuò)散、縮聚和硬化等過程，形成以硅氧四面體和鋁氧四面體為結(jié)構(gòu)單元體構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)狀無機(jī)聚合物［4］。相較于普通硅酸鹽水泥，地聚物具有快硬早強(qiáng)、力學(xué)性能好、耐久性優(yōu)異、耐高溫以及離子吸附固封性能強(qiáng)等特點(diǎn)，在建筑結(jié)構(gòu)、既有建筑物修復(fù)加固、地基處理以及化工離子吸附等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［5-6］。除此之外，地聚物的生產(chǎn)制備過程無需高溫煅燒，且原料多為礦渣、粉煤灰、鋼渣、煤矸石等工業(yè)固廢，因此，地聚物具備能耗低、CO2排放少以及工業(yè)固廢利用率高的顯著優(yōu)勢(shì)［7］。研究表明，在同樣用量條件下，地聚物相比于水泥約減少60%～80%的CO2排放和60%的能耗［8］。基于上述特點(diǎn)，地聚物被國內(nèi)外學(xué)者視為水泥的理想替代品，并通過一系列工程應(yīng)用實(shí)踐得到了初步證實(shí)。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞地聚物混凝土的各項(xiàng)性能開展了較為廣泛深入的試驗(yàn)研究，并取得了階段性研究成果，但目前的研究主要集中于地聚物混凝土的基本物理力學(xué)性能方面，而對(duì)其耐久性的探究相對(duì)較少?；诖?，本文通過總結(jié)近些年國內(nèi)外學(xué)者對(duì)地聚物混凝土耐久性的研究報(bào)道，著重介紹了地聚物混凝土抗碳化性、抗氯離子滲透性、抗酸侵蝕性、抗硫酸鹽侵蝕性及抗凍融性的研究現(xiàn)狀，并指出了現(xiàn)有研究階段的不足，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，以期為地聚物混凝土的工程應(yīng)用研究提供借鑒和參考。

1 地聚物混凝土耐久性研究現(xiàn)狀

1.1 抗碳化性

水泥基混凝土的碳化是指存在于混凝土內(nèi)部的氫氧化鈣（Ca（OH）2）、水化硅酸鈣（C-S-H）等堿性水化物質(zhì)，通過結(jié)合空氣中游離的CO2和水分發(fā)生碳酸化反應(yīng)生成碳酸鈣，使得混凝土內(nèi)部孔隙液堿性減弱，致使鋼筋表面鈍化膜發(fā)生損壞，從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞、宏觀力學(xué)性能下降的劣化過程。不同于水泥基混凝土，地聚物混凝土的碳化機(jī)理與水化產(chǎn)物中的鈣含量密切相關(guān)。高鈣體系地聚物混凝土中的鈣基水化產(chǎn)物不包含Ca（OH）2，而以水化硅鋁酸鈣（C-A-S-H）凝膠為主，其直接與CO2和水分發(fā)生碳酸化反應(yīng)生成碳酸鈣，但地聚物混凝土中的水滑石結(jié)晶相能結(jié)合碳酸鹽離子并減緩CO2的侵入，以此提高地聚物混凝土的抗碳化性。低鈣體系地聚物混凝土中缺乏鈣基水化產(chǎn)物，以水化硅鋁酸鈉（N-A-S-H）凝膠為主，其微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在碳酸化作用下的表現(xiàn)為不生成碳酸鈣等傳統(tǒng)碳酸化產(chǎn)物，而是結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙溶液由高堿度逐步向高濃度碳酸鈉轉(zhuǎn)變，但其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)不發(fā)生明顯的劣化現(xiàn)象。

現(xiàn)有部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，地聚物混凝土的抗碳化性高于水泥基混凝土。黃琪等人［9］基于室內(nèi)模擬加速碳化試驗(yàn)，通過碳化深度、抗壓強(qiáng)度以及微觀結(jié)構(gòu)變化等表征手段，對(duì)比分析了粉煤灰基地聚物混凝土和普通混凝土的抗碳化性，研究結(jié)果表明，粉煤灰基地聚物混凝土的抗碳化性更為優(yōu)異；BADAR 等人［10］系統(tǒng)探究了前驅(qū)體原料中的鈣含量對(duì)粉煤灰基地聚物混凝土抗碳化性的影響，指出低鈣粉煤灰基地聚物混凝土抗碳化性優(yōu)于高鈣粉煤灰基地聚物混凝土，究其原因，低鈣粉煤灰基地聚物的水化產(chǎn)物中缺乏鈣基水化產(chǎn)物，不發(fā)生碳酸化反應(yīng)；胡澤英［11］對(duì)比研究了普通混凝土和偏高嶺土-礦渣基地聚物混凝土的抗碳化性，研究結(jié)果表明普通混凝土在同等碳化條件下的碳化深度顯著高于偏高嶺土-礦渣基地聚物混凝土，如圖1所示，其主要原因?yàn)槠胀ɑ炷林械乃a(chǎn)物與空氣中的CO2結(jié)合發(fā)生碳酸化反應(yīng)，而偏高嶺土-礦渣基地聚物混凝土中水化產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)更為穩(wěn)定。

圖1 地聚物混凝土與普通混凝土的碳化深度Fig.1 Carbonation Depth of Geopolymer Concrete and Ordinary Concrete

但也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，普通混凝土的抗碳化性優(yōu)于地聚物混凝土。PROVIS 等人［12］研究發(fā)現(xiàn)礦渣基地聚物混凝土在同等碳化條件下的碳化速率是普通混凝土的5 倍左右，且其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋銹蝕速度更快；原元等人［13］探究了普通混凝土和地聚物混凝土碳化后的力學(xué)性能，研究結(jié)果如圖2所示，其中地聚物混凝土的抗碳化性能相比普通混凝土薄弱，原因在于水化產(chǎn)物中的代表性凝膠產(chǎn)物C-A-S-H 會(huì)受到CO2侵蝕作用而發(fā)生分解，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙分布特征發(fā)生擾亂，從而加速了碳化侵蝕效率。

圖2 地聚物混凝土與普通混凝土在不同碳化時(shí)間后的力學(xué)性能Fig.2 Mechanical Properties of Geopolymer Concrete and Ordinary Concrete after Different Carbonation Time

綜上所述，目前研究學(xué)者關(guān)于對(duì)地聚物混凝土的碳化機(jī)理認(rèn)識(shí)并未達(dá)成一致，其主要原因在于地聚物前驅(qū)體原料、堿激發(fā)劑的種類繁多，性質(zhì)差異較大。今后應(yīng)采用更多的微觀表征手段來展開研究，并明晰地聚物混凝土的碳化機(jī)理，構(gòu)建更為精準(zhǔn)的碳化機(jī)理模型。

1.2 抗氯離子滲透性

鋼筋銹蝕是引發(fā)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要因素，而氯離子滲透是混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋發(fā)生銹蝕的主要原因之一，所以研究地聚物混凝土的抗氯離子滲透性是評(píng)價(jià)其耐久性的重要指標(biāo)。目前常用于測(cè)定氯離子滲透特性的方法主要有快速氯離子遷移系數(shù)法和電通量法。LEE 等人［14］用快速氯離子遷徙系數(shù)法對(duì)比測(cè)定了普通混凝土和地聚物混凝土的抗氯離子滲透性，試驗(yàn)結(jié)果表明地聚物混凝土的氯離子遷移系數(shù)僅為普通混凝土的3%，其中地聚物混凝土的抗氯離子滲透性與鈣含量呈正相關(guān)關(guān)系。BERNAL 等人［15］通過電通量法分析了不同偏高嶺土摻量對(duì)礦渣基地聚物混凝土的抗氯離子滲透性，試驗(yàn)結(jié)果表明偏高嶺土的摻入對(duì)礦渣基地聚物混凝土的抗氯離子滲透性產(chǎn)生了負(fù)面作用。

孔隙結(jié)構(gòu)是影響混凝土等多孔材料抗氯離子滲透性的重要因素。THOMAS 等人［16］指出礦渣基地聚物混凝土的抗氯離子滲透性優(yōu)于粉煤灰基地聚物混凝土，究其原因，礦渣基地聚物混凝土的早期水化速率快，地聚物凝膠產(chǎn)物生成量多，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)致密，而粉煤灰基混凝土早期水化速率緩慢，地聚物凝膠產(chǎn)物較少，孔隙結(jié)構(gòu)特征差，孔隙率較大。GUNASEKARA 等人［17］發(fā)現(xiàn)粉煤灰基地聚物混凝土中發(fā)生的地質(zhì)聚合反應(yīng)伴隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長持續(xù)增強(qiáng)，地聚物凝膠產(chǎn)物數(shù)量不斷增多，使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密化程度提高，孔隙率大幅降低，抗氯離子滲透性增強(qiáng)。

氯離子在滲入混凝土后的存在形式分為游離態(tài)和穩(wěn)固態(tài)兩類，其中穩(wěn)固態(tài)氯離子數(shù)量越多表明混凝土抗氯離子滲透性越好。JUNIOR 等人［18］通過氯化物遷移試驗(yàn)，對(duì)比探究了偏高嶺土基地聚物混凝土和普通混凝土的抗氯離子滲透性，結(jié)果表明地聚物混凝土的抗氯離子滲透性更為出色，如圖3所示，其主要源于由地聚物凝膠產(chǎn)物形成的三維網(wǎng)絡(luò)狀空間結(jié)構(gòu)體系加強(qiáng)了固穩(wěn)氯離子能力。CHINDAPRASIRT等人［19］研究了海洋環(huán)境下NaOH濃度對(duì)粉煤灰基地聚物混凝土氯離子結(jié)合能力的影響，發(fā)現(xiàn)粉煤灰基地聚物混凝土對(duì)氯離子的結(jié)合能力隨著NaOH 濃度的增加而顯著增強(qiáng)，其解釋為高堿性環(huán)境促進(jìn)了粉煤灰基地聚物混凝土的地質(zhì)聚合反應(yīng)速率，增加了凝膠產(chǎn)物數(shù)量，使得更多的氯離子以物理吸附形式附著在凝膠產(chǎn)物表面。

圖3 氯離子滲透作用下地聚物混凝土和普通混凝土的抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive Strength of Geopolymer Concrete and Ordinary Concrete under the Action of Chloride Ion Penetration

綜上所述，地聚物混凝土相較于普通硅酸鹽水泥混凝土具有更為出色的抗氯離子滲透性，主要得益于其更為致密的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)特征。但現(xiàn)在用于地聚物混凝土抗氯離子滲透性的測(cè)定手段較為單一，今后應(yīng)結(jié)合更多的表征手段，以便能更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)地聚物混凝土的抗氯離子滲透性。

1.3 抗酸侵蝕性

酸侵蝕破壞是指混凝土中鈣基水化產(chǎn)物在酸性物質(zhì)的侵蝕作用下發(fā)生脫鈣現(xiàn)象，從而使得水化產(chǎn)物發(fā)生解體離散，減弱對(duì)骨料的黏結(jié)吸附作用，導(dǎo)致混凝土承載性能下降［20］。BAKHAREV 等人［21］比較研究了礦渣基地聚物混凝土和普通混凝土在酸侵蝕作用下的耐久性，結(jié)果表明相同侵蝕齡期下，礦渣基地聚物混凝土的力學(xué)性能劣化損傷的幅度更小，抗酸侵蝕能力更強(qiáng)。MEHTA 等人［22］研究發(fā)現(xiàn)水泥的摻入會(huì)加速粉煤灰基地聚物混凝土在酸侵蝕條件下的質(zhì)量損失，如圖4所示，其主要因?yàn)椴粩嘣黾拥拟}含量提高了石膏的生成量，破壞了粉煤灰基地聚物混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，加快了酸性溶液的侵入效率。PATHER 等人［23］探究了硅質(zhì)花崗巖和鈣質(zhì)白云石骨料對(duì)粉煤灰基地聚物混凝土抗酸侵蝕性的影響，結(jié)果表明，硅質(zhì)花崗巖和鈣質(zhì)白云石骨料均有益于粉煤灰基地聚物混凝土抗酸侵蝕性的提高。

圖4 不同水泥摻量下地聚物混凝土的質(zhì)量損失Fig.4 Mass Loss of Geopolymer Concrete at Different Cement Contents

由圖4可知，相較于普通混凝土，地聚物混凝土具有更好的抗酸侵蝕性，其主要因?yàn)榈鼐畚锘炷猎谄淠z產(chǎn)物的作用下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易于酸性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。除此之外，摻入特定的礦物添加劑可有效增強(qiáng)地聚物混凝土的抗酸侵蝕性。

1.4 抗硫酸鹽侵蝕性

硫酸鹽侵蝕破壞是指外界環(huán)境中的硫酸根離子侵入混凝土內(nèi)部與鈣基水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成石膏、鈣釩石等膨脹性結(jié)晶產(chǎn)物，使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)在膨脹應(yīng)力的作用下膨脹開裂，從而導(dǎo)致混凝土承載性能逐漸下降直至完全破壞［24］。

VALENCIA 等人［25］比較了粉煤灰-礦渣基地聚物混凝土和普通混凝土在硫酸鹽侵蝕作用下的耐久性演變過程，如圖5所示，結(jié)果表明普通混凝土力學(xué)性能隨侵蝕齡期的劣化損傷程度遠(yuǎn)高于地聚物混凝土，其主要是因?yàn)槠胀ɑ炷羶?nèi)部結(jié)構(gòu)在石膏和鈣釩石的膨脹應(yīng)力作用下發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的破壞。KARAKOC等人［26］研究發(fā)現(xiàn)鉻鐵渣基地聚物混凝土在硫酸鎂侵蝕作用下未發(fā)生明顯的物理劣化現(xiàn)象，力學(xué)性能下降幅度較小，究其原因，鉻鐵渣基地聚物混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中以鈉基水化產(chǎn)物為主，化學(xué)性能穩(wěn)定，不參與鈣釩石或石膏的生成過程。劉驊［27］基于室內(nèi)加速硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)礦渣基地聚物混凝土的抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)均大于0.8，具有良好的抗硫酸鹽侵蝕性，并總結(jié)其原因在于礦渣活性較高，發(fā)生地質(zhì)聚合反應(yīng)速度較快，生成的地聚物凝膠產(chǎn)物數(shù)量較多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密穩(wěn)定，抗?jié)B性較強(qiáng)。

圖5 硫酸鹽侵蝕作用對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of Sulfate Attack on Compressive Strength of Concrete

綜上所述，地聚物混凝土具有良好的抗硫酸鹽侵蝕性的原因在于其鈣含量較低且內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密。

但現(xiàn)有研究對(duì)于其他影響因素如養(yǎng)護(hù)方式、堿激發(fā)劑類型、堿摻量等對(duì)地聚物混凝土抗硫酸鹽侵蝕性的研究還少有報(bào)道，缺乏系統(tǒng)的分析，今后應(yīng)圍繞上述因素展開更進(jìn)一步的試驗(yàn)研究和理論分析。

1.5 抗凍融性

凍融破壞是指在凍結(jié)過程中，混凝土內(nèi)部孔隙壁中的水分在凍結(jié)作用下由液態(tài)水轉(zhuǎn)為固態(tài)冰晶體，體積發(fā)生膨脹，產(chǎn)生凍脹應(yīng)力，破壞內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，而在融解過程中，融解后的水分轉(zhuǎn)移至周邊孔隙中，混凝土體積不能恢復(fù)到原有狀態(tài)，受到一定的收縮作用。在反復(fù)凍融循環(huán)作用下，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征發(fā)生紊亂，承載性能下降。

FU 等人［28］研究發(fā)現(xiàn)礦渣基地聚物混凝土在經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，其彈性模量損失約10%，質(zhì)量變化率較小，表面凍融損傷層較薄，體現(xiàn)出了良好的抗凍融性。ZHAO 等人［29］基于快速凍融試驗(yàn)，指出礦渣的摻入有利于提高粉煤灰基地聚物混凝土的抗凍融性，其主要在于礦渣的摻入增加了粉煤灰基地聚物混凝土內(nèi)部中的鈣基水化產(chǎn)物的生成量，改善了孔隙結(jié)構(gòu)特征，增強(qiáng)了微觀結(jié)構(gòu)的致密性。ZHANG 等人［30］分別研究了橡膠粉取代河砂和地聚物取代水泥的比例對(duì)地聚物混凝土抗凍融性和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，橡膠粉的摻入可有效提高地聚物混凝土的剛度和抗凍融性，而通過摻入地聚物取代普通硅酸鹽水泥，會(huì)顯著降低混凝土的抗凍融性。

綜上所述，地聚物混凝土具有良好的抗凍融性，且可通過添加礦物摻和料改變地聚物混凝土的抗凍融性，但目前關(guān)于礦物摻和料種類的研究較為單一，今后應(yīng)圍繞更多種類的礦物摻和料開展相應(yīng)的試驗(yàn)研究和理論分析，尋求適用于不同類型地聚物混凝土的礦物摻和料種類及摻量。

2 結(jié)論與展望

地聚物混凝土是以工業(yè)固體廢物作為前驅(qū)體原料制備而成，因其具有力學(xué)性能優(yōu)異、耐久性好、生態(tài)環(huán)保以及工業(yè)固廢資源利用率高等優(yōu)勢(shì)，被視為是可取代普通水泥混凝土的新興綠色建筑材料。地聚物混凝土的耐久性受前驅(qū)體原料類型、堿激發(fā)劑種類、堿激發(fā)劑摻量、外摻料、養(yǎng)護(hù)方式以及養(yǎng)護(hù)溫度等諸多因素影響，相比于普通水泥混凝土，因地聚物混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，使得其在抗碳化性、抗氯離子滲透性、抗酸侵蝕性、抗硫酸鹽侵蝕性、抗凍融性等方面均表現(xiàn)出了更為可觀的耐久性。

總體而言，地聚物混凝土具有良好的耐久性，在工程實(shí)踐中具有廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)于地聚物混凝土，未來可從以下幾方面對(duì)其進(jìn)行更為充分深入的研究和完善。

⑴地聚物混凝土中的前驅(qū)體原料種類、堿激發(fā)劑類型、制備工藝的多樣性以及骨料的物理化學(xué)性質(zhì)差異較大，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果離散型較大，具有不可預(yù)估性。今后，應(yīng)圍繞上述因素開展更為系統(tǒng)深入的試驗(yàn)研究和理論分析，建立行之有效的理論架構(gòu)體系。

⑵現(xiàn)有測(cè)定地聚物混凝土耐久性的方法仍沿用了普通混凝土關(guān)于耐久性的評(píng)估方法，而地聚物本身獨(dú)特的活化反應(yīng)機(jī)理、水化凝膠產(chǎn)物的種類和存在形式均不同于普通混凝土，導(dǎo)致普通混凝土耐久性評(píng)估方法是否適用于地聚物混凝土存在較大爭(zhēng)議。因此，今后需開展系統(tǒng)豐富的試驗(yàn)研究，證實(shí)各類評(píng)估方法的合理性和準(zhǔn)確性，建立適用于地聚物混凝土耐久性的評(píng)價(jià)體系。

⑶現(xiàn)有研究工作關(guān)于地聚物混凝土耐久性的研究主要集中于宏觀力學(xué)特性測(cè)試，而對(duì)于其微觀機(jī)理的研究少有報(bào)道，之后應(yīng)圍繞各類微觀表征手段開展微觀機(jī)理分析。

⑷當(dāng)前對(duì)地聚物混凝土的耐久性研究多是在單一因素影響下開展的，但實(shí)際工程中各影響因素是共同存在的，為滿足實(shí)際工程應(yīng)用，需開展多因素共同作用下的耐久性研究。