地聚物混凝土耐久性研究现状及发展趋势

罗安邦，章本本，赵宇航，陈珊玲

（1、岳阳路桥集团有限公司 湖南 岳阳 414000；2、湘潭大学土木工程学院 湖南 湘潭 411105；3、湖南省交通运输厅交通建设造价管理站 长沙 410116）

0 引言

混凝土作为现代各类工程建设中最为常用的建筑材料之一，其在社会经济快速发展的外部驱动下，使得水泥的需求量和生产量均持续攀升。但不可忽略的是，水泥在促使建筑行业高速发展的同时，也加大了生态环境的负载压力，具体表现为水泥行业具有高能耗、高污染、高碳排放等“三高”特性［1-2］，其在生产制备过程中会消耗大量不可再生资源，排放一系列气体、粉尘等污染物，同时会释放近似等质量的CO2。统计数据表明，水泥行业目前已成为全球最大的CO2排放源，仅水泥行业释放的CO2约占全球CO2排放量的5%～8%［3］。上述结果表明水泥的大范围生产应用，与我国目前倡导的建筑业“绿色可持续发展观念”不相适应，且阻碍了“双碳”国家战略目标的按时推进。鉴于此，研发新型绿色胶凝材料已成为建筑胶凝材料领域的研究热点。

地聚物又称“绿色水泥”，具体指一类以富含活性硅铝矿物组分的硅铝酸盐材料为前驱体，通过与碱激发剂发生地质聚合反应，经过溶解、扩散、缩聚和硬化等过程，形成以硅氧四面体和铝氧四面体为结构单元体构成的三维网络状无机聚合物［4］。相较于普通硅酸盐水泥，地聚物具有快硬早强、力学性能好、耐久性优异、耐高温以及离子吸附固封性能强等特点，在建筑结构、既有建筑物修复加固、地基处理以及化工离子吸附等领域具有广阔的应用前景［5-6］。除此之外，地聚物的生产制备过程无需高温煅烧，且原料多为矿渣、粉煤灰、钢渣、煤矸石等工业固废，因此，地聚物具备能耗低、CO2排放少以及工业固废利用率高的显著优势［7］。研究表明，在同样用量条件下，地聚物相比于水泥约减少60%～80%的CO2排放和60%的能耗［8］。基于上述特点，地聚物被国内外学者视为水泥的理想替代品，并通过一系列工程应用实践得到了初步证实。

近年来，国内外学者围绕地聚物混凝土的各项性能开展了较为广泛深入的试验研究，并取得了阶段性研究成果，但目前的研究主要集中于地聚物混凝土的基本物理力学性能方面，而对其耐久性的探究相对较少。基于此，本文通过总结近些年国内外学者对地聚物混凝土耐久性的研究报道，着重介绍了地聚物混凝土抗碳化性、抗氯离子渗透性、抗酸侵蚀性、抗硫酸盐侵蚀性及抗冻融性的研究现状，并指出了现有研究阶段的不足，对其发展趋势进行了展望，以期为地聚物混凝土的工程应用研究提供借鉴和参考。

1 地聚物混凝土耐久性研究现状

1.1 抗碳化性

水泥基混凝土的碳化是指存在于混凝土内部的氢氧化钙（Ca（OH）2）、水化硅酸钙（C-S-H）等碱性水化物质，通过结合空气中游离的CO2和水分发生碳酸化反应生成碳酸钙，使得混凝土内部孔隙液碱性减弱，致使钢筋表面钝化膜发生损坏，从而导致混凝土内部结构发生破坏、宏观力学性能下降的劣化过程。不同于水泥基混凝土，地聚物混凝土的碳化机理与水化产物中的钙含量密切相关。高钙体系地聚物混凝土中的钙基水化产物不包含Ca（OH）2，而以水化硅铝酸钙（C-A-S-H）凝胶为主，其直接与CO2和水分发生碳酸化反应生成碳酸钙，但地聚物混凝土中的水滑石结晶相能结合碳酸盐离子并减缓CO2的侵入，以此提高地聚物混凝土的抗碳化性。低钙体系地聚物混凝土中缺乏钙基水化产物，以水化硅铝酸钠（N-A-S-H）凝胶为主，其微观结构稳固、化学性质稳定，在碳酸化作用下的表现为不生成碳酸钙等传统碳酸化产物，而是结构内部孔隙溶液由高碱度逐步向高浓度碳酸钠转变，但其内部微观结构不发生明显的劣化现象。

现有部分学者研究发现，地聚物混凝土的抗碳化性高于水泥基混凝土。黄琪等人［9］基于室内模拟加速碳化试验，通过碳化深度、抗压强度以及微观结构变化等表征手段，对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，研究结果表明，粉煤灰基地聚物混凝土的抗碳化性更为优异；BADAR 等人［10］系统探究了前驱体原料中的钙含量对粉煤灰基地聚物混凝土抗碳化性的影响，指出低钙粉煤灰基地聚物混凝土抗碳化性优于高钙粉煤灰基地聚物混凝土，究其原因，低钙粉煤灰基地聚物的水化产物中缺乏钙基水化产物，不发生碳酸化反应；胡泽英［11］对比研究了普通混凝土和偏高岭土-矿渣基地聚物混凝土的抗碳化性，研究结果表明普通混凝土在同等碳化条件下的碳化深度显著高于偏高岭土-矿渣基地聚物混凝土，如图1所示，其主要原因为普通混凝土中的水化产物与空气中的CO2结合发生碳酸化反应，而偏高岭土-矿渣基地聚物混凝土中水化产物的化学性质更为稳定。

图1 地聚物混凝土与普通混凝土的碳化深度Fig.1 Carbonation Depth of Geopolymer Concrete and Ordinary Concrete

但也有学者研究发现，普通混凝土的抗碳化性优于地聚物混凝土。PROVIS 等人［12］研究发现矿渣基地聚物混凝土在同等碳化条件下的碳化速率是普通混凝土的5 倍左右，且其结构内部的钢筋锈蚀速度更快；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学性能，研究结果如图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，原因在于水化产物中的代表性凝胶产物C-A-S-H 会受到CO2侵蚀作用而发生分解，导致结构内部孔隙分布特征发生扰乱，从而加速了碳化侵蚀效率。

图2 地聚物混凝土与普通混凝土在不同碳化时间后的力学性能Fig.2 Mechanical Properties of Geopolymer Concrete and Ordinary Concrete after Different Carbonation Time

综上所述，目前研究学者关于对地聚物混凝土的碳化机理认识并未达成一致，其主要原因在于地聚物前驱体原料、碱激发剂的种类繁多，性质差异较大。今后应采用更多的微观表征手段来展开研究，并明晰地聚物混凝土的碳化机理，构建更为精准的碳化机理模型。

1.2 抗氯离子渗透性

钢筋锈蚀是引发钢筋混凝土结构破坏的主要因素，而氯离子渗透是混凝土结构中钢筋发生锈蚀的主要原因之一，所以研究地聚物混凝土的抗氯离子渗透性是评价其耐久性的重要指标。目前常用于测定氯离子渗透特性的方法主要有快速氯离子迁移系数法和电通量法。LEE 等人［14］用快速氯离子迁徙系数法对比测定了普通混凝土和地聚物混凝土的抗氯离子渗透性，试验结果表明地聚物混凝土的氯离子迁移系数仅为普通混凝土的3%，其中地聚物混凝土的抗氯离子渗透性与钙含量呈正相关关系。BERNAL 等人［15］通过电通量法分析了不同偏高岭土掺量对矿渣基地聚物混凝土的抗氯离子渗透性，试验结果表明偏高岭土的掺入对矿渣基地聚物混凝土的抗氯离子渗透性产生了负面作用。

孔隙结构是影响混凝土等多孔材料抗氯离子渗透性的重要因素。THOMAS 等人［16］指出矿渣基地聚物混凝土的抗氯离子渗透性优于粉煤灰基地聚物混凝土，究其原因，矿渣基地聚物混凝土的早期水化速率快，地聚物凝胶产物生成量多，内部微观结构致密，而粉煤灰基混凝土早期水化速率缓慢，地聚物凝胶产物较少，孔隙结构特征差，孔隙率较大。GUNASEKARA 等人［17］发现粉煤灰基地聚物混凝土中发生的地质聚合反应伴随养护龄期的增长持续增强，地聚物凝胶产物数量不断增多，使得内部结构致密化程度提高，孔隙率大幅降低，抗氯离子渗透性增强。

氯离子在渗入混凝土后的存在形式分为游离态和稳固态两类，其中稳固态氯离子数量越多表明混凝土抗氯离子渗透性越好。JUNIOR 等人［18］通过氯化物迁移试验，对比探究了偏高岭土基地聚物混凝土和普通混凝土的抗氯离子渗透性，结果表明地聚物混凝土的抗氯离子渗透性更为出色，如图3所示，其主要源于由地聚物凝胶产物形成的三维网络状空间结构体系加强了固稳氯离子能力。CHINDAPRASIRT等人［19］研究了海洋环境下NaOH浓度对粉煤灰基地聚物混凝土氯离子结合能力的影响，发现粉煤灰基地聚物混凝土对氯离子的结合能力随着NaOH 浓度的增加而显著增强，其解释为高碱性环境促进了粉煤灰基地聚物混凝土的地质聚合反应速率，增加了凝胶产物数量，使得更多的氯离子以物理吸附形式附着在凝胶产物表面。

图3 氯离子渗透作用下地聚物混凝土和普通混凝土的抗压强度Fig.3 Compressive Strength of Geopolymer Concrete and Ordinary Concrete under the Action of Chloride Ion Penetration

综上所述，地聚物混凝土相较于普通硅酸盐水泥混凝土具有更为出色的抗氯离子渗透性，主要得益于其更为致密的内部孔隙结构特征。但现在用于地聚物混凝土抗氯离子渗透性的测定手段较为单一，今后应结合更多的表征手段，以便能更加准确地评价地聚物混凝土的抗氯离子渗透性。

1.3 抗酸侵蚀性

酸侵蚀破坏是指混凝土中钙基水化产物在酸性物质的侵蚀作用下发生脱钙现象，从而使得水化产物发生解体离散，减弱对骨料的黏结吸附作用，导致混凝土承载性能下降［20］。BAKHAREV 等人［21］比较研究了矿渣基地聚物混凝土和普通混凝土在酸侵蚀作用下的耐久性，结果表明相同侵蚀龄期下，矿渣基地聚物混凝土的力学性能劣化损伤的幅度更小，抗酸侵蚀能力更强。MEHTA 等人［22］研究发现水泥的掺入会加速粉煤灰基地聚物混凝土在酸侵蚀条件下的质量损失，如图4所示，其主要因为不断增加的钙含量提高了石膏的生成量，破坏了粉煤灰基地聚物混凝土的内部微观结构，加快了酸性溶液的侵入效率。PATHER 等人［23］探究了硅质花岗岩和钙质白云石骨料对粉煤灰基地聚物混凝土抗酸侵蚀性的影响，结果表明，硅质花岗岩和钙质白云石骨料均有益于粉煤灰基地聚物混凝土抗酸侵蚀性的提高。

图4 不同水泥掺量下地聚物混凝土的质量损失Fig.4 Mass Loss of Geopolymer Concrete at Different Cement Contents

由图4可知，相较于普通混凝土，地聚物混凝土具有更好的抗酸侵蚀性，其主要因为地聚物混凝土在其凝胶产物的作用下，内部结构致密，化学性质稳定，不易于酸性物质发生化学反应。除此之外，掺入特定的矿物添加剂可有效增强地聚物混凝土的抗酸侵蚀性。

1.4 抗硫酸盐侵蚀性

硫酸盐侵蚀破坏是指外界环境中的硫酸根离子侵入混凝土内部与钙基水化产物发生化学反应，生成石膏、钙钒石等膨胀性结晶产物，使得混凝土内部结构在膨胀应力的作用下膨胀开裂，从而导致混凝土承载性能逐渐下降直至完全破坏［24］。

VALENCIA 等人［25］比较了粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土和普通混凝土在硫酸盐侵蚀作用下的耐久性演变过程，如图5所示，结果表明普通混凝土力学性能随侵蚀龄期的劣化损伤程度远高于地聚物混凝土，其主要是因为普通混凝土内部结构在石膏和钙钒石的膨胀应力作用下发生了不可逆转的破坏。KARAKOC等人［26］研究发现铬铁渣基地聚物混凝土在硫酸镁侵蚀作用下未发生明显的物理劣化现象，力学性能下降幅度较小，究其原因，铬铁渣基地聚物混凝土内部结构中以钠基水化产物为主，化学性能稳定，不参与钙钒石或石膏的生成过程。刘骅［27］基于室内加速硫酸盐侵蚀试验，发现矿渣基地聚物混凝土的抗硫酸盐侵蚀系数均大于0.8，具有良好的抗硫酸盐侵蚀性，并总结其原因在于矿渣活性较高，发生地质聚合反应速度较快，生成的地聚物凝胶产物数量较多，内部结构致密稳定，抗渗性较强。

图5 硫酸盐侵蚀作用对混凝土抗压强度的影响Fig.5 Effect of Sulfate Attack on Compressive Strength of Concrete

综上所述，地聚物混凝土具有良好的抗硫酸盐侵蚀性的原因在于其钙含量较低且内部结构致密。

但现有研究对于其他影响因素如养护方式、碱激发剂类型、碱掺量等对地聚物混凝土抗硫酸盐侵蚀性的研究还少有报道，缺乏系统的分析，今后应围绕上述因素展开更进一步的试验研究和理论分析。

1.5 抗冻融性

冻融破坏是指在冻结过程中，混凝土内部孔隙壁中的水分在冻结作用下由液态水转为固态冰晶体，体积发生膨胀，产生冻胀应力，破坏内部微观结构，而在融解过程中，融解后的水分转移至周边孔隙中，混凝土体积不能恢复到原有状态，受到一定的收缩作用。在反复冻融循环作用下，混凝土内部结构特征发生紊乱，承载性能下降。

FU 等人［28］研究发现矿渣基地聚物混凝土在经历300次冻融循环后，其弹性模量损失约10%，质量变化率较小，表面冻融损伤层较薄，体现出了良好的抗冻融性。ZHAO 等人［29］基于快速冻融试验，指出矿渣的掺入有利于提高粉煤灰基地聚物混凝土的抗冻融性，其主要在于矿渣的掺入增加了粉煤灰基地聚物混凝土内部中的钙基水化产物的生成量，改善了孔隙结构特征，增强了微观结构的致密性。ZHANG 等人［30］分别研究了橡胶粉取代河砂和地聚物取代水泥的比例对地聚物混凝土抗冻融性和力学性能的影响，结果表明，橡胶粉的掺入可有效提高地聚物混凝土的刚度和抗冻融性，而通过掺入地聚物取代普通硅酸盐水泥，会显著降低混凝土的抗冻融性。

综上所述，地聚物混凝土具有良好的抗冻融性，且可通过添加矿物掺和料改变地聚物混凝土的抗冻融性，但目前关于矿物掺和料种类的研究较为单一，今后应围绕更多种类的矿物掺和料开展相应的试验研究和理论分析，寻求适用于不同类型地聚物混凝土的矿物掺和料种类及掺量。

2 结论与展望

地聚物混凝土是以工业固体废物作为前驱体原料制备而成，因其具有力学性能优异、耐久性好、生态环保以及工业固废资源利用率高等优势，被视为是可取代普通水泥混凝土的新兴绿色建筑材料。地聚物混凝土的耐久性受前驱体原料类型、碱激发剂种类、碱激发剂掺量、外掺料、养护方式以及养护温度等诸多因素影响，相比于普通水泥混凝土，因地聚物混凝土内部结构致密、化学性质稳定，使得其在抗碳化性、抗氯离子渗透性、抗酸侵蚀性、抗硫酸盐侵蚀性、抗冻融性等方面均表现出了更为可观的耐久性。

总体而言，地聚物混凝土具有良好的耐久性，在工程实践中具有广泛的应用前景。关于地聚物混凝土，未来可从以下几方面对其进行更为充分深入的研究和完善。

⑴地聚物混凝土中的前驱体原料种类、碱激发剂类型、制备工艺的多样性以及骨料的物理化学性质差异较大，导致试验结果离散型较大，具有不可预估性。今后，应围绕上述因素开展更为系统深入的试验研究和理论分析，建立行之有效的理论架构体系。

⑵现有测定地聚物混凝土耐久性的方法仍沿用了普通混凝土关于耐久性的评估方法，而地聚物本身独特的活化反应机理、水化凝胶产物的种类和存在形式均不同于普通混凝土，导致普通混凝土耐久性评估方法是否适用于地聚物混凝土存在较大争议。因此，今后需开展系统丰富的试验研究，证实各类评估方法的合理性和准确性，建立适用于地聚物混凝土耐久性的评价体系。

⑶现有研究工作关于地聚物混凝土耐久性的研究主要集中于宏观力学特性测试，而对于其微观机理的研究少有报道，之后应围绕各类微观表征手段开展微观机理分析。

⑷当前对地聚物混凝土的耐久性研究多是在单一因素影响下开展的，但实际工程中各影响因素是共同存在的，为满足实际工程应用，需开展多因素共同作用下的耐久性研究。