综述评论：碱激发胶凝材料在建筑工程混凝土中应用技术研究进展
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本文选自《商品混凝土》杂志2024年第6期
碱激发胶凝材料在建筑工程混凝土中应用技术研究进展
林佐江，赵忠忠
［摘要］碱激发胶凝材料是一种新型低碳胶凝材料，它以工业废渣为主要原材料，制备工艺便捷，CO排放低，力学性能、耐久性能优异，是重要的辅助胶凝材料之一，成为建筑工程中混凝土应用的重要研究方向。本文分析了碱激发胶凝材料国内外研究进展，发现目前研究主要集中在材料组成、激发机理、性能及微结构等方面，但是缺乏在建筑工程层面的研究。基于此，本文评述了碱激发胶凝材料在建筑工程中混凝土的选择性应用技术，并提出所面临的问题及未来研究的方向。
［关键词］碱激发胶凝材料；建筑工程；混凝土；应用技术
引言
随着经济的快速发展，CO排放量日益增加。建筑业是碳排放的主要源头之一[1]。根据中国建筑节能协会发布的《2023中国建筑与城市基础设施碳排放研究报告》[2]，我国房屋建筑全过程中的碳排放总量为40.7亿吨年，占全国相关碳排放量的38.2%。在双碳战略的指引下，2030年我国CO排放量将达到历史最高值，到2060年实现碳中和目标。因此，建筑业面临严峻的碳排放压力，推动建筑领域的节能减碳迫在眉睫。如图所示，目前我国建筑业的碳排放主要集中在建筑材料的制备阶段，水泥和钢材作为常用的建筑材料，约占总碳排放量的50%[3]。水泥作为传统的胶凝材料，每生产吨硅酸盐水泥熟料需要消耗的标准煤约90120kg，耗电约90度，排放近870kgCO，同时消耗大量的优质石灰石资源[4]。我国的基础建设量庞大，开发绿色低碳新型胶凝材料是建筑业的重要方向之一。
20世纪70年代，Davidovits[5,6]以偏高岭土为主要原料，NaOHKOH等为碱性激发剂制备了碱激发偏高岭土胶凝材料，并首次提出地质聚合物（Geopolymer）的概念。目前地质聚合物已经成为碱激发胶凝材料的另一个名称，二者所用的原料从最初的偏高岭土扩展到所有包含火山灰活性或者潜在反应性的非晶态硅铝酸盐（-Si-O-Al-）的工业废渣。主要原理是在碱激发剂的作用下，[SiO[AlO四面体发生解聚到重新缩聚的过程，从而形成了三维网络状结构，产生强度。其碳排放量仅为水泥的1/5，并且与传统的水泥基混凝土对比，碱激发混凝土的碳排放量可降低30%45%[710]。同时，由于产物的特殊结构，相对比水泥，在力学性能、耐化学侵蚀性、耐高温性上具有明显的优势，因此被认为是一种绿色低碳新型胶凝材料。
近年来，对碱激发胶凝材料在理论上的研究取得了大量成果。目前已掌握了其原材料配合比、反应机理以及了解其基本性能的发展规律，但在实际应用中碱激发胶凝材料仅有少量的示范工程案例，尚未实现大规模利用。因此，本文综合国内外的研究进展，以碱激发胶凝材料的反应机理、产物结构及材料特性为出发点，论述其在建筑工程的混凝土中应用的选择性应用进展及存在的问题，对碱激发胶凝材料的工业化应用提供参考。
碱激发胶凝材料的水化机理
目前，国内外学者对碱激发胶凝材料的水化机理进行了系统的科学研究。其主要原材料为包含非晶态硅铝酸盐（-Si-O-Al-）的工业废渣，如粉煤灰、矿渣、废玻璃、废砖粉等。常用的碱激发剂为NaOHKOH、水玻璃等。
Davidovits[11]以偏高岭土为主要原料，NaOH/KOH为主要碱激发剂制备了地质聚合物。如图所示激发过程分为三个阶段：（）原料的溶解阶段：高碱性环境下，偏高领土中的硅铝相发生溶解，分解为[SiO[AlO四面体单体；（）单体过渡阶段：[SiO[AlO四面体单体在浆体中反应，一部分形成晶核，另一部分生成不同聚合度的铝硅酸盐凝胶；（）缩聚阶段：随着反应时间的延长，低聚合程度的凝胶逐渐转变为高聚合度凝胶，同时在晶核位点处，其余铝硅酸盐发生反应生成类沸石结构。
其他学者[1214]针对碱激发偏高岭土的水化反应历程进行研究，与水泥水化反应历程类似，其水化反应也分为五个过程。水化反应初始期：浆体中，偏高岭土微粉表面吸附碱性溶液。诱导期：偏高岭土中铝硅酸盐结构开始溶解，形成低浓度的单体。加速期：达到反应浓度的单体发生聚合反应，相互连接，在颗粒表层沉积并向外扩散，逐渐形成凝胶。减速期：随着活性单体和碱性组分的减少，离子从高浓度向低浓度迁移时受到凝胶物的阻碍，水化反应速率逐步缓慢。稳定期：由于颗粒及颗粒之间被胶状产物包裹，厚度增加，阻碍活性离子的扩散，反应难度增大，并且时间越长，水化反应越缓慢，直至反应完毕。
同时有学者[15]针对碱激发粉煤灰这一代表性胶凝材料的反应机理进行探究。如图所示，研究结果与Davidovits的观点一。
结合其余学者[1620]对碱激发胶凝材料的反应机理的研究，几乎都是经过[SiO[AlO四面体单体的解聚单体沉淀单体重组聚合这四个阶段，化学反应方程式如(1)(4)所示。
需要注意的是，在制备碱激发胶凝材料时，大部分硅铝质原材料在解聚的过程中不能提供足够的Si-O基团，而水玻璃水解后会产生OHSiO2-离子，提供Si-O基团的同时提高了浆体的碱度，有利于原材料的溶解与凝胶的聚合反应从而提高强度，因此在配合比设计中会加入水玻璃。
薛翠真等[20]对比NaOH/KOH与水玻璃分别单独与复合激发砖粉制备碱激发胶凝材料，结果表明复合激发后的胶凝材料具有更高的强度与优良的耐久性。其余学者[2125]利用激发剂单独和复合激发粉煤灰、镍渣、磷渣、赤泥、偏高岭土等硅铝质原料，虽然激发剂之间的比例不相同，但是，结果表明采用复合激发的方式有益于碱激发胶凝材料或混凝土的性能。
碱激发胶凝材料的特点
在建筑工程中，混凝土的工作性、耐久性、体积稳定性及力学性能等决定了其施工工艺、使用方案以及使用寿命等，胶凝材料在混凝土中起至关重要的作用。因此本文综述碱激发胶凝材料的工作性能、力学性能、耐久性能和收缩性能。
2.1碱激发胶凝材料的工作性能
从上述碱激发反应过程可知，在碱激发胶凝材料中，拌合水不直接参与反应，主要起到介质作用。在水泥胶凝体系中，部分水参与化学反应。因此，碱激发胶凝材料的水灰比不宜过大。在工程应用中，施工的难易程度会影响碱激发胶凝材料的应用。为了解决工作性能和强度的矛盾，在混凝土中掺加外加剂成为了一个重要的解决方案。
但是，需要关注的是，水玻璃的黏度较大，且在碱性条件下容易发生自聚合反应，因此有损于碱激发胶凝材料的工作性。有学者从水泥常用外加剂入手进行碱激发胶凝材料工作性能的研究，但是大量结果表明：适用于水泥的外加剂，在碱激发体系中几乎全部失效，或需要大掺量才能体现出微弱的效果。一方面，高碱性环境会破坏外加剂的分子结构以及降低外加剂的溶解度；另一方面，水玻璃会阻碍外加剂的分散以及原材料的溶解[26,27]。此外，有学者的研究表明在碱矿渣胶凝材料中，由于Ca2+含量较低，只有很少的外加剂颗粒吸附于矿渣表面[28]，同时外加剂分子会优先吸附在产物CaCO上，因此导致外加剂的效果下降。
目前，市面上尚未出现能够充分调节碱激发胶凝材料工作性能的外加剂。
2.2碱激发胶凝材料的力学性能
力学性能是碱激发胶凝材料最重要的指标之一，对建筑结构的稳定性及安全性至关重要，其受到激发剂种类、原料特性、水灰比和养护制度等的影响。
魏卫东等[29]对碱激发矿渣粉煤灰胶凝材料的基础配合比进行研究，结果表明，硬化浆体28d抗压强度随着矿渣掺量的增加而增加，同时随着碱激发剂掺量的增加，胶凝材料强度呈现先升高后下降的趋势。同时其他学者[3032]的研究表明，在碱激发偏高岭土时，提高Si/Al会显著增强材料的力学性能，同时随着碱含量的增加，力学性能也在逐渐增加。
何娟等[33]利用水玻璃作为激发剂，制备了碱矿渣胶凝材料。养护28d后，硬化浆体抗压强度可达到40MPa，同时所制备的碱激发混凝土的强度发展比普通水泥混凝土快，7d的抗压强度可达到28d抗压强度的87%Olivia M[34]制备碱激发粉煤灰混凝土，28d的抗压强度为55MPa
目前，虽然很多学者制备出了碱激发混凝土并对其配合比进行了大量的科学研究，但是，由于碱激发混凝土受原材料性能、激发剂种类与掺量等因素的影响较大，因此目前尚未出现完善的碱激发混凝土配合比设计理论，可根据实际情况进行调配。
2.3碱激发胶凝材料的耐久性能
作为一种新型绿色低碳胶凝材料，耐久性决定了碱激发胶凝材料及混凝土在服役过程中抵抗外界破坏的能力以及使用寿命。本文从硫酸盐侵蚀、冻融破坏和碳化三方面进行综述。
）硫酸盐侵蚀
硫酸盐侵蚀的破坏机理主要是硫酸根离子与混凝土中的钙、硅等元素发生化学反应，生成膨胀性产物，同时硫酸盐结晶也会造成体积膨胀，因此对混凝土造成损害。
YE H等[35]对碱矿渣胶凝材料进行硫酸盐侵蚀试验，结果表明胶凝材料在NaSO溶液侵蚀后，会产生少量的钙矾石，MgSO溶液侵蚀后会产生石膏、Mg(OH)等产物，对结构造成破坏。但碱矿渣胶凝材料的主要水化产物C-A-S-H具有较强的抗硫酸盐侵蚀能力。
郑娟荣等[36]利用在5%NaSO溶液侵蚀碱激发胶凝材料和水泥，结果表明，溶液侵入试块孔隙后，盐结晶产生体积膨胀，对水泥的破坏主要由于生成膨胀性产物和硫酸钠盐结晶而破坏。但是孙道胜等[37]发现，碱激发胶凝材料在硫酸盐溶液中浸泡后，形成类水滑石结构，其抗压强度会持续增长，抗硫酸盐侵蚀能力提高。WANG J等[38]研究了矿渣对碱激发偏高岭土抗硫酸盐侵蚀的影响，结果表明，掺入矿渣会提升抗侵蚀能力，主要原因是矿渣、粉煤灰等原料会持续发生水化，反应生成凝胶结构来弥补盐溶液破坏产生的裂缝。因此，一般认为碱激发胶凝材料具有良好的抗硫酸盐侵蚀性。
）碳化
在碱激发胶凝材料中，碳化破坏主要是空气中的CO与碱发生酸碱中和反应，从而导致材料整体pH的下降和胶凝产物的破坏。对于高钙碱激发胶凝材料，COC-A-S-H反应，导致凝胶脱钙进而生成CaCO[39]对于低钙体系，学者[40]的研究结果表明，CON-A-S-H反应，导致其脱钠，浆体pH降低，孔溶液中高浓度的OH向高NaCO浓度转变，但是微观结构没有发生明显变化。Pouhet[41]的研究结果表明，在碱激发偏高岭土的碳化过程中，会导致孔溶液的pH逐渐降低至10.5，最终低于钢筋钝化层稳定存在的pH值，从而导致钢筋锈蚀，但是碳化并没有降低其抗压强度。
目前，对于碱激发胶凝材料抗碳化研究结果也不尽相同。例如，Bakharev[42]的研究结果表明碱激发矿渣混凝土的碳化速率低于普通硅酸盐水泥混凝土。Aperador[43]研究结果与其相反，碱激发矿渣胶凝材料的碳化速率是普通硅酸盐水泥的倍以上，且碳化后混凝土中钢筋的锈蚀程度较大。Puerta[44]研究发现当水玻璃作为激发剂时，碱激发矿渣在碳化后强度降低，但当使用NaOH作激发剂时，碳化后强度略有上升。但喻骁等[45]的研究表明，在加速碳化的条件下，水玻璃的增加会减小碱激发矿渣的碳化。
综上所述，原材料的基础性质、碳化条件、基础配合比及激发剂的种类差异均会影响碱激发胶凝材料的抗碳化性能，可以通过优化原料及配合比制备出抗碳化碱激发胶凝材料。
）抗冻性
冻融破坏是损害混凝土的主要方式之一。碱激发材料的抗冻性直接关系到其工业应用。Shi[46]的研究表明碱激发硬化浆体的孔隙率较低，同时具有更多比例的胶凝孔阻碍了水的侵入。而普通硅酸盐水泥具有更多的毛细孔，因此，碱激发胶凝材料的抗冻性较好。Hakkinen[47]对碱激发胶凝材料进行冻融循环，结果表明，经过700次冻融循环后，残余抗压和抗折强度分别为87%97%66%87%，这说明碱激发胶凝材料的抗冻性良好。Fu[48]制备的碱激发矿渣混凝土经过300次冻融循环后，质量损失不超过6%，弹性模量的损失率小于12%，主要是因为碱激发产物生成了对称紧凑结构，导致水分难以侵入混凝土内部结构中。目前，国内外研究结果表明，相较于普通硅酸盐水泥，碱激发胶凝材料具有更为优异的抗冻性。
2.4碱激发胶凝材料的收缩性能
收缩性能是指混凝土在硬化过程中体积缩小现象。碱激发混凝土一般分为自收缩、碳化收缩和干燥收缩。干燥收缩的收缩率明显高于碳化收缩与自收缩，是引起碱激发胶凝材料开裂的主要原因。
廖佳庆[49]的研究结果表明，相较于普通硅酸盐水泥，由于碱激发胶凝材料的水化产物中缺少CHAFtAFm等晶体相，导致其抗收缩性较差。Collins[50]从孔结构的角度分析收缩性能，碱激发胶凝材料硬化浆体在1.2525nm之间孔径区域内的比例高于普通硅酸盐水泥体系，因此导致其收缩性能较差。
Yuxin Cai[51]的研究表明碱激发矿渣在高温养护条件下，收缩性能降低80%，主要是因为高温养护条件下，水化反应加速，减少了小于25nm孔结构的比例，形成了更加致密的结构，从而降低了干缩率。同样，VS Athira[52]通过高温养护碱激发粉煤灰，结果表明高温条件降低了材料的干缩率。这一结果也在梅林[53]的研究中得到验证，在高温养护条件下碱激发矿渣浆体的干缩率随着养护龄期的增加而逐渐减小，在碱激发矿渣体系中加入粉煤灰可有效降低干缩率。此外，Farzadnia[54]在碱激发混凝土中加入棕榈油促进水化反应来降低干缩率。因此可通过优化碱激发体系的配合比、加入矿物掺合料、改变养护方式等方法来降低干缩率。
碱激发胶凝材料在建筑工程中的选择性应用研究
在建筑工程中，混凝土的工作性是决定其施工工艺重要的指标之一[55]。泵送混凝土施工工艺具有高效快速、降低劳动程度、适合大规模施工及机动性好等优点，已经成为目前最常采用的施工方法之一。
一般情况下，建筑物主要结构的基础、柱、梁、板、剪力墙都需要采用泵送混凝土。对于碱激发混凝土，其工作性能较差，且尚未出现适用的外加剂，因此不适合用于泵送混凝土。而预制构件及二次结构等一般不采用泵送方式，这些构件通常量小且分散，需采用传统的人工浇筑或其他方法。因此碱激发混凝土适用于以下结构或构件：
）混凝土预制构件
与传统的预制混凝土构件相比，使用碱激发胶凝材料可以实现快速硬化，提高生产效率；碱激发混凝土可以通过控制配合比、激发剂的种类和掺量来获得高强度材料，提高预制混凝土构件的质量和使用寿命；碱激发混凝土具有较好的黏性，且体系呈现高碱性，因此可以良好的传递钢筋的应力，同时在钢筋表面形成钝化膜，预防钢筋锈蚀。
Sumajouw[56]制备出了性能良好的碱激发粉煤灰混凝土预制梁。Yost[57]研究结果表明，碱激发粉煤灰混凝土梁与普通混凝土梁的相近的剪切破坏机理。
此外碱激发混凝土还可制备预制楼梯、楼板、剪力墙等。
）建筑外墙板
传统的建筑外墙板通常采用石材或水泥混凝土，成本较高。碱激发混凝土具有良好的力学与耐久性能，使用碱激发混凝土制备外墙板不仅可以达到相同目的，而且可以降低生产成本。
Ganesan[58]制备了碱激发粉煤灰混凝土外墙板，且相较于普通混凝土具有更好的结构延展性。值得注意的是，碱激发胶凝材料也具有良好的耐高温性能。Sarker[59]对碱激发粉煤灰混凝土进行耐高温试验，结果表明墙板在9602h的条件下，残余强度保持率在60%70%之间，优于同等试验条件下的水泥混凝土板。
2013年，澳大利亚AECOM公司首次将碱激发混凝土板应用于昆士兰大学全球变化研究所。国家会展中心的四个展馆的外墙板均采用了碱激发胶凝材料制造。北京奥利匹克森林公园中，部分建筑外墙也使用了碱激发胶凝材料。
）幕墙
幕墙是建筑的外墙围护，是现代大型和高层建筑常用的带有装饰效果的轻质墙体。通常由玻璃、石材、金属、陶瓷和石材板等构成，生产成本较高。通过调配碱激发胶凝材料的基础配合比可以制造出适用于不同工况的幕墙，降低成本的同时可以提高幕墙的抗风压能力及使用寿命。
）墙体保温材料
目前，用于建筑的无机类墙体保温材料主要包括珍珠岩水泥板、泡沫水泥、膨胀玻化微珠、发泡陶瓷和岩棉等。碱激发胶凝材料具有良好的保温性能，可制备装配式墙体保温材料。汤小松等[60]通过碱激发矿渣粉煤灰再生砖粉制备了性能稳定的碱激发泡沫混凝土，并且具有良好的力学性能。
结语
与传统水泥相比碱激发胶凝材料是一种新型胶凝材料，将其用于建筑工程，一方面可以促进工业废渣的绿色循环，降低环境污染与资源浪费，另一方面可以降低建筑材料的碳排放。目前对碱激发胶凝材料的研究主要集中在原料组成、反应机理与微结构，虽然已取得较大进展，但是缺乏工程应用研究。本文从碱激发材料的基础性能入手，分析了其在建筑工程的混凝土中的选择性应用技术。但目前碱激发胶凝材料的工业化应用依旧存在以下亟待解决的问题：
）外加剂作为混凝土的必要组成成分，对工作性能、力学性能、耐久性能等起至关重要的作用。目前市面上暂时没有适用于碱激发胶凝材料的外加剂，因此导致其工作性能较差，限制了其在建筑工程中的使用。
）目前碱激发混凝土的配合比设计主要参考水泥混凝土，但是碱激发原材料性能的多变性、碱激发种类的复杂性以及碱激发胶凝材料反应的均匀性会导致碱激发混凝土配合比设计的变化，虽然可以利用现有技术进行调配，但是配合比设计并不具有代表性。
）虽然碱激发混凝土具有良好的耐久性、耐高温及力学性能等，但是目前缺乏相应的标准、设计、施工规范及检验标准。无法对原材料的品质进性统一评价，在建筑工程中的生产没有依据，所制备的产品无法进行验收与检验，导致材料不能进行批量化生产，从而限制其工业化应用。
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供稿人：林佐江，赵忠忠
编辑员：李海亮
审核人：孙继成，宁夏
【标准规范】
【会议培训】
第十届全国建筑固废和尾矿泥浆处理及资源化利用大会暨中国砂石协会建筑固废利用分会年会
2025第二十一届全国商品混凝土可持续发展论坛暨2025中国商品混凝土年会
【咨询服务】
预拌混凝土质量追溯研究
高速公路及桥涵高性能混凝土技术咨询
课题研究
研发中心建设
[绿满庭院]《HJ建筑围护结构自保温技术体系》推广等
【建材“双碳”业务】
低碳胶凝材料研发与制备
复合掺合料和再生复合掺合料研发与制备
建筑垃圾处置与资源化利用
建筑垃圾再生砂粉应用技术
建筑垃圾再生轻粗骨料技术
碳化再生骨料制备技术
【期刊著作】
《常见预拌混凝土质量事故分析百例》图书
《预拌混凝土企业标准化试验室建设指南》图书
混凝土技术发展中心（以下简称“中心”）隶属建筑材料工业技术情报研究所，主要职能是跟踪分析和研究国内外混凝土行业科技前沿动态，为全国混凝土行业开展技术服务工作，包括出版技术期刊、研究制定标准、开展技术咨询、举办技术会议、承担行业培训、从事认证评价和开发研究等，中心是建材情报所主要业务部门之一。中心拥有员工10人，其中博士3人，正高职称3人，副高职称4人。中心挂靠的行业协会分支机构包括中国散装水泥推广发展协会混凝土专业委员会、中国散装水泥推广发展协会预制建筑产业专业委员会、中国砂石协会建筑固废利用分会、建筑材料工业技术情报研究所双碳研究中心。依托中心成立的平台有预拌混凝土质量追溯公共服务平台、混凝土行业数字化服务平台、中国商品混凝土行业企业专家委员会（拥有200余名行业一线专家）、北京砼享未来工程技术研究院（会员制技术和管理服务）。
中心每年参与多个混凝土技术咨询和技术服务项目，包括雄安新区混凝土项目咨询、河北省多个高速公路高性能混凝土技术咨询、固废基胶凝材料和再生复合掺合料研发和制备技术，以及数十个混凝土企业的技术服务工作。开展预拌混凝土绿色产品认证和科技成果评价工作。
咨询电话：孙继成 焦素芳 李海亮 13520073698 13521286915
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