丁 锐 赵献伟
（吉林建筑大学材料科学与工程学院，吉林 长春 130118）
通过近几十年的研究发展，装配式PC构件的结构设计和施工工艺不断进行改进，但是其所使用的胶凝材料还是以硅酸盐水泥为主。众所周知，硅酸盐水泥生产中的“两磨一烧”，不仅消耗了大量的自然资源，而且排放大量的CO2、SO2等污染性气体；
相关调查指出，水泥产业的CO2排放量已占全球CO2排放量的6%～7%[1]。因模具周转周期长、需要蒸汽养护、水泥价格上涨等因素，使PC构件的生产成本一直居高不下。另外，由于传统硅酸盐水泥水化产物特征及结构的缺陷，使PC构件的耐久性较差。对此，亟需一种低碳环保，能够替代传统硅酸盐水泥的新型胶凝材料，用以生产装配式PC构件。
通过研究发现：碱激发胶凝材料不仅可以提供硅酸盐水泥具有的同等性能，而且有着更低的水化热[2]、更高的力学性能[3]、更好的耐久性[4]；
同时又有着碳排放低、凝结硬化快的优势。相关的研究调查表明：采用碱激发胶凝材料代替普通硅酸盐水泥制备的混凝土可以减少80%甚至更多的CO2排放[5]。对此，本文对碱激发胶凝材料的研究现状进行介绍，并就其用于装配式建筑存在的问题进行分析。
装配式建筑因其节能减排、可持续发展、周期缩短、质量管控等方面的优势而受到行业广泛关注，被我国定为建筑业转型升级的未来发展方向[6]。2016年，国务院办公厅印发了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，进一步要求在十年时间，要让装配式住宅占新建建筑的比例提高到30%。目前，我国装配式建筑的发展依旧处于初始阶段，存在规范标准不健全，施工技术与现场管理经验滞后，PC构件生产效率低、成本高等问题[7-8]。
由于传统硅酸盐水泥在预制构件生产过程中的凝结硬化时间较长，使模板周转周期较长，模具摊销成本升高。为提高模板周转率，构件厂普遍的做法是采用蒸汽养护制度。蒸汽养护虽然减少了构件的凝结硬化时间，但是对于带有保温材料的预制构件，蒸汽养护的高温会使保温材料的体积产生膨胀，从而影响其保温性能；
一些有机类保温材料（挤塑板、硬泡聚氨酯板等）甚至会发生蒸爆现象，影响构件的生产质量，同时也会增加企业的生产成本。因此，蒸汽养护虽然降低了模板的摊销成本，但是对预制构件的质量影响较大，也会增加构件厂的生产成本，并没有从根本上解决生产成本较高的问题。
PC构件在结构设计和施工工艺上不断进行迭代更新，但所使用的胶凝材料还是以硅酸盐水泥为主。随着自然资源的不断消耗和各地对能源双控政策的逐渐落实，传统硅酸盐水泥产能受限，使水泥价格不断攀升，直接导致PC构件生产成本的增加。目前，PC构件的生产成本始终居高不下，这在很大程度上阻碍了装配式建筑的推广和使用。
另外，由于传统硅酸盐水泥水化产物特征及结构的缺陷，使硅酸盐水泥建筑构件耐久性较差。众所周知，硅酸盐水泥水化产物主要包括：C-S-H凝胶体、水化铁酸钙凝胶体、水化铝酸钙晶体、水化硫铝酸钙晶体、Ca(OH)2晶体及少量的未水化水泥颗粒。其中，凝胶体赋予水泥石强度，晶体产物则是水泥石强度及耐久性不良的重要影响因素，而Ca(OH)2晶体对水泥石的耐久性能的影响尤为突出。主要是由于Ca(OH)2晶体易溶于水，在水泥浆体凝结硬化后，会随着混凝土内孔隙中水份的蒸发不断析出，造成体系碱度降低；
然而C-S-H凝胶体必须在较高的碱性条件下才能够长期稳定存在，随着Ca(OH)2晶体的不断析出，C-S-H凝胶稳定存在的条件得不到满足，最终分解破坏结构，影响混凝土的耐久性，这也是硅酸盐水泥混凝土易受淡水侵蚀的原理。
简单来说，碱激发胶凝材料是由碱激发剂和具有火山灰活性或潜在水硬性的原料在常温下反应生成的一种水硬性胶凝材料[9]。碱激发胶凝材料通常使用苛性碱或碱性的盐来作为碱性激发剂，最常用的碱性激发剂为NaOH、Na2SiO3及两者配制的复合激发剂；
胶凝组分主要是一些含有铝硅酸盐的天然矿物或工业固体废渣组成[10]。其中，天然矿物主要为黏土类矿物、长石等，如偏高岭土、烧黏土等；
固体废渣主要为具有铝硅酸盐玻璃体结构的粒化高炉矿渣、粉煤灰、煤矸石等。其中根据胶凝组分钙含量的多少，分为高钙、低钙两类激发体系；
高钙体系的主要反应产物为C-A-S-H型凝胶，低钙体系的主要反应物是N-A-S-H型凝胶[11-12]。
近年来，碱激发胶凝材料的研究被认为是一项极具应用潜力的研究方向，引起了国内外专家的广泛关注，并对其性能特点展开了相关研究。Chi等[13]以水玻璃、氢氧化钠为激发剂，制备出的碱矿渣/粉煤灰复合胶凝材料，28d抗压强度可达105MPa。梁健俊等[14]也对碱矿渣/粉煤灰胶凝材料的力学性能展开了研究，试验结果表明：所有试件均具有较好的力学性能，28d抗压强度最高可达78MPa。周梅、王传洲等[15]以水玻璃、氢氧化钾为激发剂，制备出的自燃煤矸石-矿渣-粉煤灰地质聚合物，28d胶砂抗压强度最高可达65MPa。碱激发胶凝材料除了后期强度高之外，同时也具有快硬早强的特点。韩丹等[16]以煅烧后的偏高岭土为原料，以NaOH、水玻璃为激发剂，激发剂模数调制为1.3，用以制备偏高岭土基地质聚合物，试验表明：胶砂试件3d抗压强度最高可达56.8MPa。X Gao等[17]以水玻璃为激发剂，以矿渣和粉煤灰为原料制备胶凝材料，7d抗压强度最高可达82.18MPa。
此外，碱激发胶凝材料有着良好的耐高温性能。Celikten等[18]测试研究了碱矿渣/粉煤灰复合砂浆、硅酸盐水泥砂浆分别在25℃、400℃、600℃、800℃下力学性能和微观结构的变化情况，试验表明：在高温环境下，碱矿渣/粉煤灰复合砂浆的力学性能优于硅酸盐水泥砂浆，并且耐高温性能随着矿渣掺量的提高而提升。Rovnaník等[19]将碱矿渣制备出砂浆试件置于200℃～1200℃高温环境内加热1h，当温度加载到600℃时，试件的抗压强度仅下降15%；
当试件暴露在800℃下时，试件抗压强度降到最低值；
在1000℃和1200℃时，材料的力学性能并没有进一步下降，抗压强度反而逐渐提高到未加热试件强度的60%。Türker[20]、Murri等[21]也发现碱激发胶凝材料耐高温性能优于普通硅酸盐水泥。
碱激发胶凝材料也有着不错的耐久性。Bakharev等[22]对普通硅酸盐水泥混凝土和碱矿渣水泥混凝土耐酸腐蚀性进行了对比，将两种试件放入pH=4的醋酸溶液中浸泡12个月；
通过对试件抗压强度、微观结构的分析，OPC试件在试验中有明显的膨胀、开裂和强度损失，而AAS试件在试验中并没有出现膨胀裂缝，强度损失也小于OPC试件。FU等[23]以水玻璃为激发剂制备出的碱矿渣水泥混凝土具有优良的抗冻性能，抗冻等级最低为F300；
经过300次冻融循环后，相对动态弹性模量下降10%，质量损失小，表面冻融损伤层非常薄。
与传统硅酸盐水泥相比，碱激发胶凝材料可在常温、并且不使用速凝剂的情况下，迅速凝结硬化达到拆模强度，减少预制构件的生产周期，提高模具的周转率；
同时可以免去蒸养流程，减少了能源消耗，提高了制品质量，可大大降低生产成本。然而，碱激发胶凝材料过快的凝结硬化，使得在实际生产中缺乏充分的振捣时间，骨料之间的分散性较差，混凝土的密实度较低，进而使PC构件的产品质量不及预期。这就需要添加一定的缓凝剂，由于硅酸盐水泥与碱激发胶凝材料水化机理的不同，适用于硅酸盐水泥的缓凝剂对于碱激发胶凝材料来说几乎没有效果。研究发现硼砂[24]、磷酸[25]、磷酸钠[26]等可有效减缓碱激发胶凝材料的凝结时间，但同时降低了构件的力学性能。
在材料制备上，碱激发胶凝材料制备工艺简单、无需煅烧，在PC构件生产中可大大减少CO2的排放，减缓对温室效应的影响。而且，碱激发胶凝材料的胶凝组分可以完全由固体废弃物（如矿渣、粉煤灰）组成，可对固体废弃物进行再生利用，能够减少资源消耗。而由于胶凝组分的成分含量并不稳定，不同地区的工厂，甚至相同工厂生产的不同批次原料在化学成分、理化性质上都存在着差异，使碱激发胶凝材料的基本性能波动较大[27-28]。在实际生产中需要根据原料组分的不同，提出不同的优选配合比，针对这一问题目前并没有较好的解决办法，而硅酸盐水泥的化学组分就稳定得多。
众所周知，碳化反应是指大气中的CO2通过混凝土孔隙扩散并溶解在孔隙溶液中，与水泥石中的碱性物质发生化学反应生成碳酸盐和水，使混凝土碱性降低；
当碳化深度超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈。在碱激发胶凝材料与普通硅酸盐水泥碳化性能测试中发现，碱激发胶凝材料对CO2侵蚀较为敏感，抗碳化性能较差[29]。在实际应用中，碱激发胶凝材料严重的碳化反应容易使PC构件中的钢筋锈蚀，进而影响构件的承载力；
同时碳化反应还会引起碳化收缩，导致PC构件体积缩小，使PC构件在施工拼接时产生不必要的空隙。碳化收缩还会引起PC构件产生裂纹，导致一些有害离子进入构件内部，影响PC构件的产品质量及耐久性。目前，碱激发胶凝材料的碳化反应并未得到较好的解决。另外，碱激发胶凝材料存在收缩较大的问题[30-31]，较大的收缩率同样会使PC构件产生裂纹，影响PC构件的产品质量和耐久性。
综上所述，碱激发胶凝材料作为一种新型胶凝材料，不仅具有快硬早强、低碳环保的优势，而且有着更低的水化热、更高的力学性能、更好的耐久性。在生产装配式PC构件时，进一步减少资源消耗、降低碳排放，减少生产周期；
提高施工进度，进一步降低生产成本。同时，对固体废弃物的可再生利用具有重要的现实意义，使装配式建筑更加符合绿色建筑的发展理念。有利于推进产业结构和能源结构的调整，有利于尽快实现“碳达峰”“碳中和”的目标。但目前，碱激发胶凝材料的原料成分不稳定、凝结过快、收缩过大、碳化严重等问题制约着其应用发展；
随着研究的不断深入，相信在不久的将来，这些问题都会找到合适的解决途径，使碱激发胶凝材料能够替代传统硅酸盐水泥生产装配式PC构件而真正应用于实际生产中。