基于Taguchi法的C级粉煤灰地质聚合物砂浆在盐蚀-冻融耦合作用下的耐久性优化研究

本研究针对寒冷及沿海地区建筑材料的耐久性问题，采用Taguchi L16正交试验设计，系统探究NaOH摩尔浓度(10-16 M)、碱激发剂/粘结剂比(AA/B 0.3-0.45)、硅酸钠/氢氧化钠比(SS/SH 1.75-2.5)等参数对C级粉煤灰-硅灰地质聚合物砂浆在盐蚀(NaCl浸泡)和冻融循环下的性能影响。研究发现W/GS=0.35、SS/SH=2.0的配比冻融强度保留率达96.39%，而SS/SH=1.75的配比在盐蚀后强度提升78.12%，为恶劣环境下的绿色建材开发提供理论支撑。

　　

随着全球对可持续建筑材料的迫切需求，地质聚合物(Geopolymer)作为普通波特兰水泥(OPC)的环保替代品备受关注。这类以工业副产物(如粉煤灰)为原料的胶凝材料，不仅能减少碳排放，还具有优异的抗化学侵蚀性能。然而，在寒冷沿海地区，建筑材料同时面临冻融循环和盐蚀的双重挑战，目前对C级粉煤灰(Class C fly ash)地质聚合物在耦合环境下的长期性能研究仍存在空白。

传统混凝土在冻融过程中会因孔隙水结冰膨胀产生内部应力，而氯离子渗透则会导致钢筋锈蚀和基质劣化。虽然地质聚合物理论上具有更好的耐久性，但其性能受配比参数影响显著，特别是对于钙含量较高(>10% CaO)的C级粉煤灰体系，其形成的C-A-S-H(钙铝硅酸盐 hydrate)和N-A-S-H(钠铝硅酸盐 hydrate)混合凝胶的稳定性仍需验证。此外，现有研究多单独考察冻融或盐蚀作用，未能反映实际工程中的复合破坏效应。

针对这些问题，来自巴勒斯坦伊斯兰大学加沙分校的Hasan Altawil开展了一项创新研究，通过Taguchi实验设计方法系统优化地质聚合物砂浆的耐久性能。研究论文发表在《Results in Engineering》期刊上，为恶劣环境下的建材应用提供了重要数据支撑。

研究采用四大关键技术：1) Taguchi L₁₆正交阵列设计，考察5个关键参数(NaOH摩尔浓度、AA/B比、SS/SH比、W/GS比和骨料含量)在4个水平下的组合效应；2) 标准冻融循环测试(30次循环，-20°C至20°C)评估质量损失和强度保留率；3) 5% NaCl溶液浸泡30天模拟盐蚀环境；4) 统计分析方法(ANOVA)量化各参数对性能的贡献率。所有试样采用环境养护(ambient curing)，更贴近实际施工条件。

3.1 Taguchi参考分析

研究发现W/GS比是控制孔隙结构的关键因素。当W/GS=0.35时，基质最为致密，而W/GS=0.65的试样因水分蒸发留下大量毛细孔，强度显著降低。10M NaOH溶液在溶解铝硅酸盐前驱体的同时避免了高粘度导致的聚合不均，16M则因过度碱度引发异相凝胶形成。硅灰(silica fume)的加入通过其超细颗粒(粒径<1μm)填充孔隙，促进C-S-H凝胶生成，提升界面粘结强度。

3.2 冻融耐久性分析

冻融30次后，最优配比(10M NaOH, W/GS=0.35, SS/SH=2.0, AA/B=0.4)强度保留率达96.39%，而最差配比(16M, W/GS=0.65)强度损失达99.62%。ANOVA显示W/GS比贡献率达52.11%，是主导因素。低W/GS试样中，硅灰将平均孔径缩小至<50nm，有效抑制冰晶生长压力。而高SS/SH比(>2.25)会增加浆体粘度，导致气泡滞留形成冻融敏感点。

3.3 盐蚀抵抗评估

盐蚀环境下，SS/SH比成为最关键参数(贡献率39.91%)。1.75的SS/SH比促进形成致密N-A-S-H凝胶网络，氯离子反而激发残余铝硅酸盐的二次反应，使最优配比强度提升78.12%。但W/GS>0.6的试样因孔隙连通导致氯离子渗透深度增加，引发Na⁺/Cl^-交换破坏凝胶结构。

3.4 质量损失行为

冻融后的质量损失(3-26%)与表面剥落程度直接相关，而盐蚀质量损失(3-5%)主要反映可溶碱的浸出。电镜观察显示，性能优异的试样在侵蚀后形成Friedel盐(氯铝酸盐)填充孔隙，验证了"氯离子激活"效应。

4. 结论与展望

该研究通过多参数优化，明确了环境养护C级粉煤灰地质聚合物在恶劣条件下的性能调控机制。特别发现：1) 盐蚀环境可能通过氯离子激活提升强度，颠覆传统认知；2) 冻融破坏主要取决于<100nm凝胶孔的分布特征；3) SS/SH比在不同环境中存在最优阈值(冻融2.0 vs 盐蚀1.75)。

研究成果为沿海及寒冷地区的低成本绿色建材开发提供了配方设计准则，特别是对加沙地带等资源受限地区的建筑实践具有特殊价值。未来研究可结合同步辐射XRD等原位表征技术，揭示冻融/盐蚀耦合作用的纳米尺度机制。尽管未进行微观测试是本研究的局限，但Taguchi方法的高效性为复杂体系的耐久性优化提供了范例。