将有机甘蔗糖与无机石灰体系结合使用，以提高材料抵抗盐风侵蚀的能力

《CEMENT AND CONCRETE RESEARCH》：Blending the organic cane sugar in an inorganic lime system for improved resistance to salt weathering

　　**摘要**
盐结晶是威胁基于水泥和古代建筑的最具破坏性的因素之一。本研究关注的是以石灰为基础的砂浆，这类砂浆本身具有脆性、多孔性，特别容易受到盐诱导的劣化影响。通常，空气中的石灰需要火山灰来加速凝固和增强强度，并需要有机添加剂来提高可加工性和塑性。然而，虽然火山灰的添加可以加速水化过程并改变孔结构，但也会限制蒸汽的透过性，从而引发耐久性方面的问题。蔗糖是一种常见的有机添加剂，长期以来被认为能够提高石灰-火山灰砂浆的耐久性，但其背后的科学机制尚未得到充分研究。本研究调查了添加了两种不同化学成分的矿物掺合料的石灰砂浆的耐盐侵蚀性能，并进一步评估了蔗糖改性的效果。鉴于石灰体系的反应时间较长，本研究采用了多种技术方法来评估添加了蔗糖的一岁龄石灰-火山灰试样的耐久性，特别是在反应趋于稳定后的表现。具体来说，该研究揭示了蔗糖改性胶凝材料在盐侵蚀下增强耐久性的机制。研究结果表明，蔗糖通过三种关键方式增强了石灰砂浆的耐盐性能：（i）通过有效的碳化作用提高强度；（ii）通过减少毛细吸力并引入大孔（>10 μm）来改变孔结构；（iii）影响盐晶体的过饱和度和生长。了解这种来自可再生资源的添加剂的机制，有助于建筑专业人士研发更耐用的水泥基胶凝材料，以适用于可持续应用。

**引言**
用于低强度混凝土、抹灰和找平砂浆的胶凝材料具有多孔、脆弱和易碎的特性，这使得它们极易受到盐害的影响[1][2][3]。尽管不同胶凝和石材体系中的具体化学相互作用有所不同，但盐害主要源于孔隙网络中盐的分结晶，从而产生结晶压力[4]。因此，损伤程度主要受孔结构、过饱和度以及结晶压力的影响[1]。在各种胶凝材料中，本研究重点关注空气中的石灰，旨在阐明盐害的机理并开发一种工程化的、可持续的缓解方法。空气中的石灰是最适合用于找平砂浆、抹灰和保护应用的材料之一[5][6][7][8]。由于其凝固和强度增长速度较慢，因此需要对材料进行一定的改性[9][10][11][12]。以往的一些研究集中使用火山灰来加快凝固时间和增强强度[13][14][15][16][17]。虽然火山灰的添加有助于早期水化，从而加快凝固速度并提高强度增长，但由此导致的孔结构致密化可能会影响材料的透气性和长期耐久性。水化产物的碳化也是石灰基体系中常见的现象，这归因于其中的钙相和多孔结构[6][18][19][20][21]。水化产物的碳化会导致强度下降和孔结构改变，因此通常被视为耐久性的威胁。因此，在开发石灰-火山灰组合时，解决耐久性问题至关重要。

**盐结晶**
在开发新型改性石灰体系时，盐结晶是必须仔细研究的最具破坏性的耐久性问题之一[22][23]。孔结构和孔径分布对局部溶液的过饱和度以及晶体成核和生长方式有重要影响——较小的孔隙会增强盐溶液的约束作用，降低成核所需的能量，从而在给定盐浓度下产生更高的结晶压力[23]。实际上，含有大量细孔（尤其是直径小于约0.1 μm的孔隙）且蒸发速率较高的材料容易产生较高的局部过饱和度，这会促进孔隙内部的快速成核，并产生超过胶凝材料抗拉强度的应力。因此，亚微米级的孔隙对耐久性尤为不利[24][25]。当结晶压力超过材料的抗拉强度时，会导致粉末化、分层和开裂等损伤[26][27]。限制水分和盐分与结构的接触并不能有效避免盐结晶，尤其是在多孔砌体结构中。科学上的解决方法是向石灰基体系中添加结晶改性剂，以改变反应动力学、孔结构，进而影响结晶过程[28][29][30]。

**先前的研究**
一些先前的研究关注了在石灰砂浆中使用商业结晶改性剂以提高性能[29]。据报道，硼砂和铁氰化物的使用显著提高了石灰基砂浆的耐侵蚀性，这种改进归因于添加剂改变了盐在孔隙中的结晶行为。砂浆表面出现的泛碱现象表明盐分主要迁移到了表面，而不是在材料内部结晶[30]。另一项研究提出了使用混合结晶抑制剂——一种膦酸盐和两种聚丙烯酸酯，分别以不同剂量添加。结果表明，这些添加剂通过促进更多的CaCO3沉淀和在体系中形成更大的孔隙来增强纯空气石灰砂浆的机械强度，并且观察到的盐结晶模式没有造成损害[28]。这些研究是在一个月龄的试样上进行的，因此没有考虑添加剂的渗出或分解情况。鉴于此，本研究试图通过考虑有机物质的渗出和分解（如果存在的话）来研究一年龄自然碳化的石灰-火山灰-有机砂浆的耐久性。

**传统添加剂**
传统上，有机改性剂和火山灰添加剂常用于石灰基胶凝材料中，使得这些材料具有很高的耐候性[31][32][33][34][35]。然而，这种改进的确切原因尚不清楚[31][32][33][34][35]。为了解决这一关键问题，本研究通过使用多种微观分析工具，研究了一种广泛使用的传统有机改性剂的防盐侵蚀机制。据报道，植物提取物、发酵液体和粘性大米等传统有机物质可以促进石灰基砂浆的自然碳化。其他蛋白质和脂肪类有机物质，如蛋清、仙人掌胶和亚麻籽油，也能增加石灰砂浆的疏水性[36]。总体而言，添加碳水化合物、蛋白质和脂肪可以改善砂浆的性能，尽管它们的添加量和添加方式尚未被详细记录。蔗糖（粗糖）在石灰砂浆中曾被广泛使用，尤其是在印度次大陆。传统上，蔗糖以发酵或非发酵的形式加入石灰体系，但其具体添加方式也会影响砂浆的新鲜状态和硬化后的性能[37]。先前的实验室研究关注了非发酵蔗糖对砂浆新鲜状态和硬化状态的影响[37]。本研究详细探讨了非发酵蔗糖改性石灰砂浆在人工盐侵蚀下的耐久性改善原因。

**研究内容**
本研究 Exploration了添加了两种不同类型火山灰的石灰砂浆的耐盐侵蚀性能，以及添加蔗糖后的耐盐性能。选择这些矿物掺合料是基于它们的氧化物组成：一种为低活性添加剂（含有较少钙相的红土）；另一种为高反应性的矿渣（GGBS），含有活性二氧化硅、氧化铝和较高含量的CaO。通过研究蔗糖在这些代表材料中的作用，旨在建立一个基准，以便在未来配制石灰胶凝材料时推断其更广泛的性能特性。首先独立研究了这些混合物，然后与蔗糖混合，以评估它们对损伤抵抗性的影响。试样在测试前经过12个月的养护，以考虑石灰砂浆达到稳定机械性能所需的较长养护时间。本研究采用了多尺度方法——结合物理力学测试和微观结构分析——来阐明循环盐载荷下改性石灰砂浆的劣化路径和耐久性。分析或测量结晶压力往往很繁琐且具有挑战性；因此，可以从控制因素推断出胶凝材料的耐久性。损伤受多种因素影响，本研究中主要考虑了三个因素：（i）机械强度；（ii）孔结构、孔径分布和连通性；（iii）盐结晶的生长动力学和结晶行为。在最佳范围内适当调整这些参数可以大幅减轻盐结晶引起的损伤。从本研究获得的见解可以应用于现代水泥基体系，以提高其性能。

**材料**
研究中使用的主要粘结剂是干燥的水合空气石灰。研究中使用了两种基于强度和透气性优化的矿物掺合料。表1展示了所用原材料的氧化物组成和物理性质。颗粒大小分布显示，红土的颗粒最小，其次是石灰和GGBS。红土中有50%的颗粒直径小于1.24 μm，而石灰和GGBS中也有50%的颗粒直径小于1.24 μm。

**砂浆的机械性能**
图3展示了经过12个月自然暴露后，不同浓度蔗糖改性的红土和GGBS基砂浆的抗压强度变化。纯空气石灰砂浆在12个月自然养护后的抗压强度为2 ± 0.5 MPa。添加0.5%蔗糖后，其抗压强度略有提高至2.5 MPa；再添加3%蔗糖后，抗压强度显著提升至4.5 MPa。

**讨论**
虽然将火山灰加入空气中的石灰砂浆是一种成熟的实践，可以加速凝固时间和提高初期机械性能，但也会引入长期耐久性方面的问题。为了缓解这些缺点，本研究提出使用蔗糖作为改性有机添加剂。为了系统地分析这种有机改性的作用机制，将保护机制分为三个基本参数，如图18所示。

**结论**
本研究试图通过探讨蔗糖在改变微观结构和影响长期性能方面的科学作用，恢复一种传统的基于蔗糖的有机石灰粘结剂配方，并证明其高度耐久性。研究分析了蔗糖添加到石灰粘结剂中的微观力学和反应动力学，及其作为结晶改性剂的作用，从而增强对盐结晶损害的抵抗能力。研究了不同配方的石灰砂浆在盐侵蚀下的性能。

**作者贡献声明**
V.S. Athira：撰写原文草稿、可视化处理、方法设计、数据整理、概念构建。
Swathy Manohar：撰写修订稿、可视化处理、监督工作、资源管理、项目协调、资金筹集、概念构思。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文的研究结果。

**致谢**
本研究在孟买的IIT Bombay的结构评估与材料技术实验室完成，并得到了ANSYS博士奖学金的财务支持。微观结构分析在IIT Bombay的先进分析仪器设施进行。作者感谢IIT Bombay的M.Tech.学生Hokins Emmanuel Moshi在实验室协助完成加速盐侵蚀试验方面提供的帮助。

**联系方式**
V.S. Athira | Swathy Manohar
印度理工学院土木工程系，400076，印度