碱激发混凝土耐久性研究进展

夏茂钟

(重庆交通大学材料科学与工程学院 重庆 400074)

普通水泥的生产消耗大量的资源和能源，带来大量的二氧化碳排放，因此，低碳足迹的建筑材料在世界范围内受到越来越多的关注[1]。由于对环境的友好影响和优异的性能，在过去的几十年中，专家学者对使用硅铝酸盐和碱性活化剂制备的碱激发混凝土进行了广泛的研究[2]。目前，碱激发混凝土在建筑结构，铺路和废物固化方面表现出令人满意的性能，但是，在广泛的应用中仍然存在问题，例如原材料的成本和长期耐久性的未知性能[3]。抗碳化，抗氯化物渗透和抗硫酸盐侵蚀是三个关键的耐久性因素，因为它们在侵蚀性环境下会对碱激发混凝土产生不利影响[4]，而这些因素与材料的吸水率和渗透性有关。

就吸水率和渗透率而言，碱激发混凝土与普通混凝土的性能存在显著争议。Palomo等研究表明硅酸钠活化矿渣砂浆的混凝土的水渗透性低于普通混凝土。然而，Singh等报道碱活化矿渣混凝土的吸水率和渗透率高于普通硅酸盐水泥混凝土。还有Albitar等发现，与碱活化的粉煤灰和矿渣混凝土相比，普通混凝土的吸水率和渗透率更低。实际上，碱激发混凝土的吸水率和渗透率受许多因素影响，包括前体，活化剂，样品成熟度。

碱激发混凝土的吸水率和渗透率与许多因素有关，例如前体的含量和类型。在碱激发炉渣混凝土中，Bernal等发现高炉矿渣含量的增加可以显着降低毛细孔的吸附性。与300 kg/m3的渣含量相比，渣含量为400 kg/m3的碱激发混凝土具有较低的总孔隙率和较高的耐水渗透性。然而，当矿渣含量增加到500 kg/m3时，耐水渗透性几乎没有变化，这可能是由于在混凝土中使用高含量的粘合剂时，由于水化热增加而引起的微裂纹增加。还发现在碱活化的矿渣与偏高岭土的混合物中，偏高岭土在一定范围内的替代会降低吸水率和渗透率。

碱激发混凝土的水渗透性受水与粘合剂比值(w/b，此处的粘合剂是指固体前体)的影响。由于孔隙体积和孔径较大，地质聚合物的w/b越高，吸水速度越快。在低钙聚合物混凝土中，吸水率也随着总w/b的增加而增加[11]。在研究稻壳-树皮灰与粉煤灰混合生产的无机聚合物混凝土时，当w/b最大时，水的渗透率最高，这取决于微结构内部的孔隙和裂纹的数量。

尽管碱激发混凝土和普通混凝土的耐久性都受其吸水率和基质渗透性的影响，但它们的降解机理却不同。就碳化而言，孔隙溶液中溶解的CO2也可能与碱激发混凝土的反应产物发生反应，从而降低孔隙溶液的pH值，并由于去钝化而增加了钢筋的腐蚀风险。但是，Bakharev等人发现，通过加速碳化试验评估，碱活化矿渣的碳化速率比普通水泥快。加速碳酸化试验可能不适用这种情况。事实上，碱激发炉渣混凝土的自然碳酸化速率仅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试验不能完全代表碱激发混凝土的自然碳化行为。

前体的含量和类型对碱激发混凝土的碳化过程有很大的影响。由于形成了致密的基体，碱激发炉渣混凝土中炉渣含量的增加可以降低CO2的渗透率和碳化深度。但是，当炉渣含量从400 kg/m3增加到500 kg/m3时，w/b开始成为另一个严重影响碳化速率的因素。这是由于微裂纹的发展和自干效应。因此，碱激发炉渣混凝土中的炉渣含量应在最佳范围内使用，以降低碳化速率和风险。

CO2的含量对碱激发混凝土的碳化过程也有很大的影响。Häkkinen发现，碱激发炉渣混凝土在3%CO2下的碳化速度比矿渣掺合普通水泥和普通水泥混凝土要快得多。Rodríguez等发现，碱激发炉渣混凝土在7%CO2下的碳酸化率约为普通混凝土的3倍，这与抗压强度损失大得多有关，在20%CO2的测试中也发生了类似的结果。

氯化物的进入是造成钢筋腐蚀的主要因素。暴露在海洋环境中的钢筋混凝土和除冰盐会遭受氯化物的侵蚀。尽管氯化物通常不会严重损害混凝土基质，但这种侵蚀会通过钝化过程导致钢腐蚀，最终降低结构的承载能力。

在许多情况下，在相同的强度下，碱激发混凝土的耐氯化物性能均类似于或优于普通混凝土。Chaparro等发现碱激发炉渣混凝土的钢在3.5%NaCl溶液中的腐蚀概率等于普通混凝土，并且钢/AAS界面上达到的氯化物会降低耐蚀性。

普通混凝土中氯离子结合过程中弗里德尔盐的形成可以抑制氯离子的迁移并降低孔溶液中的[Cl-]/[OH-]。该机制用于评估钢筋的腐蚀风险。在碱活化矿渣砂浆中，NaCl可能会影响凝固时间和强度发展。然而，没有观察到新的结晶产物(特别是弗里德尔盐)，将碱活化的粉煤灰砂浆在NaCl溶液中浸泡2年后，没有形成新的结晶相。Ismail等认为，弗里德尔盐的形成与碱激发混凝土的氯化物结合无关。实际上，氯离子的结合主要取决于反应产物的物理吸收，而不是化学反应。

硫酸盐侵蚀也是引起混凝土结构退化的重要因素。除了盐结晶的物理作用外，海水中还存在硫酸盐，地下水和土壤还可以与硅酸盐水泥中的氢氧化钙和铝酸钙发生反应，产生的石膏和钙矾石会导致混凝土体积膨胀。为了便于研究，通常分为两种凝胶体系，一种是高钙体系，主要由具有钙铁矿状结构的硅酸铝水合物(CASH)凝胶组成。另一个是低钙体系，具有假沸石结构的碱金属硅铝酸盐(N-A-S-H)凝胶是主要产品，例如碱活化的粉煤灰和其他低钙粘合剂。

碱活化渣是研究最多的高钙碱活化体系。Nicolas等研究了碱激发炉渣混凝土和普通混凝土的耐硫酸盐性，发现碱激发炉渣混凝土在5%Na2SO4溶液中浸泡90天后其抗压强度基本恒定。相比之下，由于形成了石膏和钙矾石，普通混凝土严重劣化，普通混凝土的强度损失高达43%，膨胀值为ASC的6倍。

与高钙碱活化体系不同，低钙碱活化体系的MgSO4耐受性通常优于Na2SO4耐受性。Bakharev研究了F级粉煤灰基地质聚合物在5%Na2SO4、5%MgSO4和5%Na2SO4+ 5%MgSO4溶液中浸泡5个月的耐硫酸盐性。在Na2SO4溶液中，Na2SiO3活化的地质聚合物的抗压强度降低了18%，NaOH + KOH活化的样品降低了65%；
相反，在MgSO4溶液中，NaOH和NaOH + KOH活化的样品的抗压强度分别提高了12%和35%，而Na2SiO3活化的地质聚合物降低了24%。在5%Na2SO4+ 5%MgSO4溶液中，普通混凝土样品严重劣化，但地质聚合物的强度和质量变化最小。

目前，国内外学者对碱矿渣混凝土的碳化、氯离子渗透、化学侵蚀及碱-骨料反应等问题进行了一些研究，但还存在一些不充分的地方。对于碱矿渣混凝土的耐久性，笔者认为可以在以下几个方面做进一步的研究：(1)吸水率和渗透性与耐久性之间的联系关系评价机制(2)建立考虑多种离子影响下的氯离子扩散模型。(3)对硫酸盐侵蚀机理进行深入研究。

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