下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
大量资源化利用工业废渣，将消耗很少的能源，且基本不产生二氧化碳排放。在利用矿渣粉、粉煤灰、赤泥、钢渣、再生微粉等建筑、工业固体废弃物制备胶凝材料的研究与应用方面，国内外学者进行了诸多探索，并取得了一定的研究成果。这些固体废弃物在一定程度上实现了资源化利用，但是大宗固体废物综合利用基础性、前瞻性技术研发方面投入仍然不够 [1] 。今后大宗固废综合利用技术应按两种思路发展：①遵循减量化原则，推广用量大、成本低、经济效益好的综合利用技术；②遵循资源化原则，开发针对性更强、技术要求更高、附加值更高的高值利用技术 [2] 。
用碱作为胶凝材料的组分可追溯到1930年，当时德国的Kuhl研究了磨细矿渣粉和氢氧化钾溶液混合物的凝结特性。Chassevent于1937年分别用氢氧化钠和氢氧化钾溶液测试了矿渣的活性。Purdon于1940年首次对由矿渣和氢氧化钠或由矿渣、碱及碱性盐组成的无熟料水泥进行了广泛的实验室研究。1957年，Glukhovsky于1959年发现可用低钙或无钙的硅铝酸盐（黏土）和碱金属的溶液来生产胶凝材料，他把这种胶凝材料称为“土壤水泥”，把相应的混凝土称为“土壤混凝土”。根据原材料的组成，其胶凝材料可分成两大系统：Me 2 O-Me 2 O 3 -SiO 2 -H 2 O（碱系列）和Me 2 O-MeO-Me 2 O 3 -SiO 2 -H 2 O（碱土系列）。
1981年，法国的Davidovits将煅烧过的高岭土、石灰石和白云石混合物与碱溶液混合得到胶凝材料，他把这种胶凝材料称为地聚合物（Geopolymer），因为它具有聚合物的结构。他申请了几个不同的商标，例如Pyrament、Geopolycem和Geopolymite。此后，苏联及世界上其他许多国家对碱激发水泥和混凝土进行了广泛的研究，其中包括北欧的Trief水泥和F-水泥，法国的地聚水泥和碱激发混合水泥 [3] 。苏联Glukhovsky及其团队将由碱激发胶凝材料制备的砌块用于公寓楼修建，1984年以该胶凝材料配制混凝土铺设了数千米重载道路，甚至将其用作结构材料建造了高达24层的高楼。在该材料制备及其应用技术取得显著进步的同时，苏联在20世纪70年代至90年代颁布了一系列标准，形成了涵盖原材料、混凝土、制品等内容的标准体系。美国陆军在1985年发布了一项报告，讨论了碱激发技术在军事方面的潜在价值，尤其是可作为一种混凝土高速公路的修补材料 [3-5] 。自此之后，很多学者对碱激发材料表现出了前所未有的兴趣，并对碱激发材料的力学性能、耐久性能及微观机理进行了大量的试验研究。
乌克兰的基辅国立土建大学在1994年和1999年举办了两届碱激发水泥和混凝土国际会议，法国的Davidovits在1988年、1999年和2005年先后举办了三届地聚水泥国际会议，澳大利亚墨尔本大学的Van Deventer在2002年和2005年先后举办了两次地聚水泥国际会议。墨尔本大学的研究小组在碱激发水泥方面已发表了许多研究论文。
跨入新世纪，碱激发胶凝材料也迈入了繁荣期：自第一部专著 Alkaliactivated cements and concretes 于2006年问世后，各研究者陆续出版了约10部专著，这为传播碱激发胶凝材料的专业知识起到了重要作用；乌克兰对已有标准进行整合、修订，形成了新的标准体系——《碱激发水泥》（DSTU B.V.2.7-181:2009），这为碱激发胶凝材料的推广和应用提供了重要参考 [6] 。
国外对建筑垃圾中的再生微粉的研究要比国内早一点，关于建筑垃圾再生微粉成分的分析表明：建筑垃圾再生微粉中含有大量的铝质与硅质固体原料。再生微粉主要由废红砖粉与废混凝土块粉组成，研究发现再生微粉中的氢氧化钙可以水化形成碳硅酸钙 [7-8] ，水化硅酸钙都具有作为水泥水化晶核和继续水化形成胶凝产物的能力，表现出良好的火山灰活性。为了提高再生微粉的反应，相关研究发现，再生微粉在碱性环境下活性能够得到很大的提升 [9-10] 。在提高强度的研究中发现，再生微粉比表面积增大，有利于改善胶凝材料的空隙及水化热 [11-12] 。这些研究都为再生微粉的利用提供了有效的建议。
相对于国际同行，我国涉足于碱激发胶凝材料研究的起始时间大约晚了20年。我国的杨南如 [13] 、蒲心诚 [14] 等较早开展了碱激发胶凝材料及混凝土的研究。1958 年，中国建筑材料科学研究总院研究了石灰烧黏土水泥。虽然其激发剂并不是目前常用的硅酸钠等碱金属盐，但也可归属于碱激发胶凝材料的范畴。随后，我国学者相继研究了无熟料钢渣水泥、碱激发矿渣/粉煤灰胶凝材料、碱激发赤泥胶凝材料等多种胶凝材料。2007年，中国硅酸盐学会水泥分会化学激发胶凝材料专业委员会成立；2012年，我国第一部有关碱激发胶凝材料的标准《用于耐腐蚀水泥制品的碱矿渣粉煤灰混凝土》（GB/T 29423—2012）颁布实施。上述事件对推进我国碱激发胶凝材料的研究与应用具有里程碑意义。
近年来，南京工业大学、东南大学、重庆大学、北京科技大学、中国矿业大学、清华大学、武汉理工大学等单位先后开展了相关材料性能和技术的研究，苏州混凝土水泥制品研究院等单位在应用技术方面进行了尝试。其中重庆大学研究团队在该领域的研究时间较长，较为系统，成果汇集在蒲心诚等的专著《碱矿渣水泥与混凝土》中。纵观碱激发胶凝材料的发展历史，我国虽然起步晚，但经过最近20年的努力，在该材料制备技术及性能优化研究方面与国际先行者基本能够保持同步。碱激发胶凝材料诞生时间不长，虽然在制备与应用技术等多方面已经取得显著进步，但以不同原料合成性能优异的碱激发胶凝材料及探索其聚合机理、开发其应用技术仍然是当前研究重点。
围绕上述研究重点，碱激发胶凝材料取得了一些重要进展。
（1）原料来源更加广泛。粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、钢渣、建筑垃圾、赤泥等大宗工业“固体废弃物”已经成功用于制备碱激发胶凝材料。
（2）近年来，国内外众多学者致力于各种激发方式的研究，并取得了一定的成果。祝丽萍等 [15] 把拜耳法赤泥作为碱激发剂调整成分、粒径组分，与矿渣、脱硫石膏和少量的熟料协同优化后代替水泥，制备成矿山充填专用胶凝材料。万惠文等 [16] 采用脱硫石膏和CaO作为活性激发剂，煤矸石与页岩的比例为7∶3，且内掺5%脱硫石膏时，制备出的胶凝材料3d、28d胶砂强度均可达P·C32.5强度等级。叶家元等 [16] 、程从密等 [17-18] 对不同温度、不同激发方式进行研究。研究表明：热激发作用下，被激发基材活性指数有较大幅度提高。
（3）性能特点已为人熟知。优异的耐化学侵蚀性能、良好的耐高温性能以及快硬早强性能都得到了证实。
（4）理论研究逐步展开。在偏高岭土基、粉煤灰基碱激发胶凝材料的硬化体结构、硅与铝的多面体聚合状态、聚合反应动力学及其模型、碱的种类及温度等因素对聚合反应过程与反应产物、材料性能的影响等多方面都进行了探索。
（5）已经出现产品，获得应用。在汽车、航空工业、有色金属制造厂、冶金学、土木工程、塑料工业、废物管理、艺术装潢、翻新改造等工业领域都有良好的应用。
总之，国内外诸多学者对碱激发胶凝材料进行了研究，在制备技术、性能、微观方面都取得了大量研究成果，但是就碱激发胶凝材料配方优化时考虑成本的研究较少，同时缺乏泛霜对碱激发胶凝材料抗压强度影响的研究以及适用外加剂的研发。一种产品成本的大小会影响这种产品的推广及应用，影响着这种产品的研发是否有价值。外加剂与碱激发胶凝材料的适用性影响着这种材料在推广使用的时候是否可以使工程技术人员顺利施工，泛霜量的多少会影响由这种材料制备的产品的耐久性。除此之外，粉煤灰活性较低，碱激发粉煤灰存在早期强度低、需要升温养护等问题，工业化生产困难。因此，以解决生产实践瓶颈技术为出发点，仍需要深入研究粉煤灰、矿渣粉等固体废物在碱激发胶凝材料领域的应用技术。