面向低碳建造的碱激发砂浆耐久性导向设计：FA/GGBFS/MK单、二元及三元前驱体组合的对比研究

《Buildings》：Durability-Oriented Design of Alkali-Activated Mortars for Low-Carbon Construction: Single, Binary, and Ternary Precursor Combinations

　　

建筑行业需要耐久的低碳胶凝材料，其工程行为应在不同前驱体间具有可重复性；然而，已发表的碱激发砂浆比较研究很少在同一工作性约束下将单、二元和三元体系并排比较。本研究测试了由粉煤灰（FA）、粒化高炉矿渣（GGBFS）和偏高岭土（MK）以单、二元和三元组合构建的七种砂浆，并将碱激发剂/胶凝材料比在0.40–1.00之间调整，以获得适于搅拌和浇筑的稠度，从而将激发剂剂量、含水量和前驱体组成一并报告。研究报告了吸水率、表观密度、毛细吸水率（sorptivity）、抗压强度、25次冻融循环后及在5%硫酸（H₂SO₄）中75天后的残余强度，以及由扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDS）获得的凝胶化学。矿渣砂浆（U-S）形成最致密、最强的体系（吸水率2.36%，表观密度2366.5 kg/m³，抗压强度97 MPa），在冻融循环后保留97%强度，在酸暴露后保留78%强度。单独粉煤灰（U-F）在酸侵蚀下保留约63%强度，仅次于U-S，反映其低钙N-A-S-H（钠铝硅酸盐水合物）凝胶的固有酸稳定性；而粉煤灰-偏高岭土二元混合（BI-FM）和三元混合分别在酸和冻融下强度损失最大。结果识别出耐久性的两个不同控制因素——基体密度和凝胶化学，并为低碳建造中选择前驱体组合提供定量依据。

研究背景与问题：水泥生产约占全球人为CO₂排放的7–8%，主要来自石灰石煅烧和熟料制备能耗，因此低碳胶凝材料成为建造领域的重要方向。碱激发材料（alkali-activated materials，经碱性激发剂激活铝硅酸盐前驱体形成的胶凝材料）被视为普通硅酸盐水泥（OPC）的潜在替代方案；其反应产物可为N-A-S-H（钠铝硅酸盐水合物）、C-A-S-H（钙铝硅酸盐水合物）或C-(N)-A-S-H（钙钠铝硅酸盐水合物）等，凝胶类型影响孔结构、力学性能和长期耐久性。粉煤灰（FA，燃煤副产物）可提供长期化学稳定性但室温反应慢；粒化高炉矿渣（GGBFS，炼铁副产物）富钙、反应快并利于致密化，但掺量过高可能增加自收缩和微裂；偏高岭土（MK，煅烧高岭土）反应活性高、富铝，但成本高且细度高导致激发剂需求大。已有研究多关注单一前驱体或有限组合，单、二元和三元体系在同一工作性约束下的并排比较仍少，前驱体组成如何共同影响传输性能、强度、冻融、耐酸和凝胶化学尚不明确。因此，本研究旨在直接比较七种砂浆，识别前驱体组合对耐久性的控制因素，为低碳建造选材提供依据。

研究开展与意义：研究人员制备三组单前驱体（U-F、U-S、U-M）、三组等质量二元（BI-FS、BI-FM、BI-SM）和一组等质量三元（TER）砂浆，固定砂/胶凝材料=3.0、硅酸钠（Na₂SiO₃）/氢氧化钠（NaOH）=2.5和10 M NaOH，按工作性将碱激发剂/胶凝材料比调至0.40–1.00，并报告Na₂O剂量、水胶比（w/b）和摩尔比，以避免仅以前驱体解释性能。结论显示U-S最致密、最强且耐冻、耐酸较好；U-F酸后保留强度第二；BI-FM酸后损失最大；TER冻融后保留强度偏低。意义在于把耐久性归因于基体密度和凝胶化学两类控制，并强调多前驱体研究应同时报告激发剂剂量和化学计量。

关键技术方法（≤250字）：制备7组砂浆：单前驱体U-F、U-S、U-M，二元BI-FS、BI-FM、BI-SM及三元TER；固定砂/胶凝材料=3.0、Na₂SiO₃/NaOH=2.5与10 M NaOH，按工作性将碱激发剂/胶凝材料比调至0.40–1.00，并报告Na₂O、w/b及摩尔比。40 mm立方体经60 °C密封4 h后环境养护，测28 d吸水率与表观密度、毛细吸水率、抗压强度、25次冻融及5% H₂SO₄ 75 d残余强度；SEM-EDS断裂面每配比25点分析凝胶。FA来自Sug?zü Thermal Power Plant（Adana, Türkiye），GGBFS来自Iskenderun Iron and Steel Plant（Hatay, Türkiye），MK来自Günkem Gündüz Chemical Substances Industry and Trade Co., Ltd.（Istanbul, Türkiye）。

研究结果：
3.1 Physical Properties（物理性能）
3.1.1 Water Absorption and Bulk Density（吸水率与表观密度）：28 d吸水率和表观密度测试显示，U-S吸水率最低（2.36%）、密度最高（2366.5 kg/m³）；U-M吸水率最高（10.10%）、密度最低（1959.8 kg/m³）；U-F居中（3.99%，2265.7 kg/m³），BI-FS为3.33%和2306.0 kg/m³，BI-FM与BI-SM约7%和2130–2140 kg/m³，TER为6.48%和2177.5 kg/m³。吸水率与密度整体反向，且与抗压强度趋势一致；作者指出前驱体比重差异使密度仅作为基体密实度指标，需直接孔隙率测量确认。
3.1.2 Sorptivity（毛细吸水率）：毛细吸水试验的sorption coefficient排序与吸水率完全一致，U-S最低（0.77 kg/(m².h^0.5)），U-M最高（3.17），U-F为1.38；表明二者反映同一可及孔隙网络。
3.2 Compressive Strength（抗压强度）：28 d抗压试验显示U-S最高（约97 MPa），U-F最低（约38 MPa），U-M约48 MPa；BI-FS约66 MPa、BI-SM约71 MPa、BI-FM约50 MPa、TER约73 MPa。含矿渣体系强度较高，三元体系综合较好但低于U-S；强度与低吸水、高密度一致。
3.3 Freeze–Thaw Durability（冻融耐久性）：25次冻融后残余强度率显示U-S约97%（约97→94 MPa）、BI-FS约94%、BI-SM约90%、U-M约87%、BI-FM约89%、U-F约41%（约39→16 MPa）最低、TER约79%次低。含矿渣单/二元体系保留率较高，U-F最脆弱，TER居中；作者指出小差异在抗压试验散差内，不宜严格排序，且无存水对照。
3.4 Sulfuric Acid Resistance（耐硫酸侵蚀）：5% H₂SO₄浸泡75 d后残余强度率显示U-S约78%（约97→76 MPa）最高，U-F约63%（约39→24 MPa）第二，BI-FM约16%（约50→8 MPa）最低，U-M约37%、BI-FS约41%、BI-SM约61%、TER约58%。作者提出 transport-controlled resistance（传输控制型抗性，致密基体限制酸侵入，U-S为典型）与 composition-controlled resistance（组成控制型抗性，低钙N-A-S-H凝胶更耐酸，U-F为典型）两类机制；BI-FS因含C-A-S-H/C-(N)-A-S-H且基体不如U-S致密而低于预期。
3.5 SEM/EDS（SEM/EDS）：断裂面点分析显示U-F含较多未反应球形颗粒，钙硅原子比（Ca/Si）=0.14±0.13、铝硅原子比（Al/Si）=0.37±0.16，以N-A-S-H为主；U-S致密，Ca/Si=0.60±0.28、Al/Si=0.55±0.15，处C-(N)-A-S-H区；U-M均匀但见收缩裂缝，Ca/Si=0.02±0.01、Al/Si=0.62±0.05；BI-FS的Ca/Si=0.55±0.40、Al/Si=0.25±0.13，BI-SM为0.39±0.49和0.53±0.12，BI-FM为0.06±0.10和0.63±0.12。Ca/Si升高与更致密基体、更低吸水、更高强度和更好耐久性相一致；150点中7点因Ca/Si>1.8被排除，TER未做SEM-EDS。

讨论与结论译述：作者将讨论集中在两类耐久性控制：基体密度（传输控制）和凝胶化学（组成控制）。冻融结果与含矿渣和基体密实度大体相关，但TER虽含矿渣仅保留约79%，原因未确认，需孔隙结构和抛光截面SEM验证；酸结果中U-S靠致密基体、U-F靠低钙N-A-S-H，BI-FS因C-A-S-H/C-(N)-A-S-H易脱钙且基体不够致密而表现低于预测。结论译文概括为：单前驱体中U-S最致密最强最不透水且Ca/Si最高，U-M四项指标最差；吸水率与sorptivity排序相同；25次冻融后含矿渣单/二元体系保留率最高，U-F最低，TER居中；硫酸侵蚀显示传输控制和组成控制两类机制；EDS将U-S置于C-(N)-A-S-H区、BI-FS为二元中Ca/Si最高、U-M/U-F/BI-FM处N-A-S-H区，但Ca/Si和Al/Si仅作凝胶类型指示而非批量相定量。工程结论：冻融主导应用可选含矿渣单/二元体系，无明确理由增加第三前驱体可能降低抗冻性；本试验条件下U-S和U-F酸后保留最高，但外推需更长暴露、换液及质量/深度测量；碱激发剂/胶凝材料比（AA/B）不仅调节工作性，还携带Na₂O剂量、含水量和Na/Al，应作为多前驱体研究报告标准。未来需对TER做抛光截面EDS和压汞，采用全300次ASTM C666、动态模量、质量损失、含气量、酸液更新和水存对照，并开展考虑硅酸钠足迹的生命周期评价（LCA）。局限：工作性固定而非激发剂剂量导致混杂，60 °C 4 h对F级FA可能不足，断裂面EDS为半定量。