矿渣基地聚物混凝土抗氯离子侵蚀性能研究

作者简介：左军鹏（1997-），男，硕士研究生，研究方向：固体废弃物在地聚物混凝土的应用。

课题来源：河北建筑工程学院2025年度校级研究生创新基金

课题名称：再生微粉辅助煤矸石基地质聚合物性能研究（编号：XY2025040）

摘要：采用RCM法，系统研究了不同配合比下地聚物混凝土在氯离子侵蚀环境中的耐久性表现。实验材料包括矿渣、火山石粉和铝矾土尾矿，设计了不同的配比以考察液固比和材料成分对抗氯离子性能的影响。结果表明，液固比对混凝土的抗氯离子渗透性能具有显著影响，合适的液固比能显著提高抗渗性能。配比中矿渣含量和火山石粉的比例对抗氯离子渗透性起着关键作用，适量的火山石粉能够优化混凝土的孔隙结构，提升耐久性能。

关键词：RCM;地聚物；火山石粉；铝矾土尾矿；矿渣

0引言

地聚物混凝土（Geopolymer Concrete， GPC）作为一种新型绿色建筑材料，因其优异的力学性能、耐久性能和环境友好性受到广泛关注[1-3]。然而，地聚物混凝土在实际应用中不可避免地会受到氯离子侵蚀，已成为影响地聚物混凝土耐久性的重要因素[4-6]。

谢宗臣等[7]研究了砖微粉掺量对地聚物再生混凝土耐久性能的影响。红砖微粉取代粉煤灰或矿渣可提高混凝土的抗氯离子渗透性、抗碳化性能和抗冻性能。其中，当红砖微粉取代粉煤灰达到15%时，混凝土的耐久性能最佳，抗氯离子渗透性能、碳化性能及抗冻性均显著提高。赵人达等[8]发现粉煤灰基地聚物混凝土由于孔隙率较高，氯离子渗透性较大。通过掺入矿渣粉、降低液固比、高温固化和延长固化时间，可显著降低氯离子扩散系数，提升抗氯离子渗透性能。Mathias Maes等[9]研究了部分以高炉矿渣（BFS）替代水泥的混凝土在氯离子渗透方面的抗性。50%和70%矿渣替代比例可有效提高抗氯离子侵蚀性能，具有较低的氯离子迁移和扩散系数，从而延缓钢筋锈蚀风险。AI-Otaibi等[10]研究了硅酸盐水泥混凝土、60%矿渣掺量的水泥混凝土以及矿渣基地质聚合物混凝土的耐久性，研究结果表明矿渣基地质聚合物混凝土具有更强的抗氯离子侵蚀性，并且比普通混凝土具有更好的耐久性。

基于上述背景，本文通过RCM法系统研究不同配合比地聚物混凝土在氯离子侵蚀环境下的耐久性表现，探讨材料组成、微观结构与抗氯离子侵蚀性能之间的内在联系，进而为地聚物混凝土在抗氯离子侵蚀领域的应用提供理论支持和实践参考。

1 实验

1.1原材料

矿渣和火山石粉：河北灵寿县石运开矿产品加工厂生成的S95一级粒化高炉矿渣粉和325目的火山石粉；火山石粉：河北灵寿县石运开矿产品加工厂提供的325目红色火山石粉；铝矾土尾矿由河北灵寿县运旺矿产品有限责任公司提供，胶凝材料化学成分见表1。水玻璃：工业产品，由河南路博仕建材科技有限公司提供。

1.2 配合比

具体配合比设计见表2。同时设计OPC对照组。

2 结果与讨论

2.1 不同液固比对抗氯离子渗透性能的影响

液固比是影响地聚物混凝土抗氯离子性能的关键参数，其直接关系到混凝土内部的孔隙结构及渗透特性。如图1、2、3所示，通过对液固比为0.45、0.50和0.55条件下的抗氯离子渗透性能进行分析，能够进一步揭示液固比对地聚物混凝土孔隙率和离子传输阻力的作用机理。

如图5-1所示为液固比0.45下的非稳态氯离子迁移系数。当液固比为0.45时，地聚物混凝土展现出较好的抗氯离子渗透性能。实验结果表明，此条件下各组混凝土的抗氯离子渗透系数普遍低于传统硅酸盐水泥（OPC）组，其中以GC-2和GC-3组的表现最好。这两组的非稳态氯离子迁移系数分别达到3.23和3.39，远远低于OPC的7.87。这种现象可以归因于高火山石粉含量对孔隙结构的显著优化作用。火山石粉具有良好的火山灰活性，在液固比较低的条件下，其微粒能够有效填充混凝土孔隙。

图2所示为液固比0.5下的非稳态氯离子迁移系数。在液固比为0.50的条件下，地聚物混凝土的抗氯离子性能有所上升，表明适当的液固比会导致混凝土内部孔隙率下降，离子传输阻力增强。矿渣含量较高的配比（如GC-1至GC-5）在此液固比条件下的抗渗性能普遍高于OPC组，说明随着液固比的提高，矿渣的填充效应和反应活性仍然没有减弱，进一步优化混凝土的孔隙结构。

图3所示液固比0.55下的非稳态氯离子迁移系数。当液固比增加至0.55时，地聚物混凝土的抗氯离子性能进一步下降。由测试结果可以看出，GC-7组的抗渗性能最差，其非稳态迁移系数达到10.21，高于其他地聚物混凝土配比和普通硅酸盐混凝土配比。其性能劣化趋势显著，这与较高液固比下的凝胶密实度降低密切相关。火山石粉含量较低的配比（如GC-1至GC-5）在此条件下的抗渗性能均高于于OPC组，表明矿渣为主的地聚物体系在高液固比条件下仍然可以充分发挥其微填充作用。

综上所述，液固比对地聚物混凝土的抗氯离子性能具有显著影响。较低的液固比（0.45）能够有效提升地聚物混凝土的抗渗性能，尤其是矿粉含量较高的配比（如GC-2和GC-3），展现出更优异的抗氯离子渗透性能。而随着液固比的增加（0.50和0.55），混凝土内部的孔隙率上升，抗氯离子渗透性能普遍下降，但矿粉配比的混凝土仍然能够维持相对良好的抗渗能力。这一规律表明，合理控制液固比，是提升地聚物混凝土抗氯离子性能的有效途径。

2.2 配比组成对抗氯离子渗透性能的影响

地聚物混凝土的抗氯离子渗透性能在很大程度上受材料组成的影响，特别是矿渣、铝矿土尾和火山石粉的配比变化对孔隙结构和离子传输能力具有显著调控作用。通过分析GC-1至GC-7不同配比组的实验结果，可以明确配比对抗氯离子性能的影响规律。

首先，矿渣含量对地聚物混凝土的抗氯离子性能具有关键作用。由配比表可知，GC-1至GC-4组的矿渣含量均为80%，但随着铝矿土尾含量的减少和火山石粉含量的增加，其抗氯离子渗透系数逐渐下降。这一现象表明，当矿渣比例恒定时，适量的火山石粉对孔隙结构的优化作用更加显著。这是因为火山石粉具有更高的比表面积和火山灰活性，其颗粒能够更充分地填充混凝土内部孔隙，从而降低离子渗透路径。此外，矿渣较高的含量能够提供丰富的钙铝硅成分，在碱激发条件下生成大量的C-A-S-H凝胶和N-A-S-H凝胶，这种凝胶体系进一步改善了混凝土的致密性，阻碍了氯离子的传输。

总体而言，地聚物混凝土的配比组成对其抗氯离子性能的影响规律如下：矿渣作为主胶凝材料，能够提供优质的C-A-S-H和N-A-S-H凝胶，显著改善混凝土的孔隙结构；火山石粉通过其微填充效应和火山灰活性，进一步提升了抗渗性能；而铝矿土尾的作用相对有限，其效果受其掺量及颗粒特性影响较大。优化矿渣与火山石粉的配比，是提升地聚物混凝土抗氯离子性能的有效途径。

综合不同液固比条件下的对比结果可以发现，地聚物混凝土在低液固比（0.45和0.50）条件下的抗氯离子性能显著优于OPC，而在高液固比（0.55）条件下，某些优化配比依然表现出较好的性能。这一规律表明，地聚物混凝土具有良好的配比调控潜力，通过调整矿渣、火山石粉和铝矿土尾的比例，可以进一步优化其抗氯离子渗透性能，使其在高液固比下也能保持优异的耐久性。

3结论

（1）液固比对抗氯离子性能的影响显著：实验结果表明，合适的液固比（0.5）能显著提高地聚物混凝土的抗氯离子渗透性能。随着液固比的增加，混凝土的孔隙率增大，抗渗性能逐渐下降。因此，合理控制液固比是提高地聚物混凝土抗氯离子侵蚀性能的有效途径。

（2）矿渣与火山石粉的配比优化关键：矿渣含量和火山石粉的比例对地聚物混凝土的抗氯离子渗透性具有显著影响。适量的火山石粉能够通过其微填充效应优化混凝土的孔隙结构，提升抗氯离子渗透性能。同时，矿渣作为主要胶凝材料，有助于生成更多的C-A-S-H和N-A-S-H凝胶，进一步增强抗渗能力。

（3）地聚物混凝土在高液固比下仍具有较好抗渗性能：尽管高液固比条件下，混凝土的抗氯离子渗透性能有所下降，但在矿渣和火山石粉配比下，地聚物混凝土仍能保持较好的抗氯离子侵蚀性能，显示出其在耐久性方面的潜力。

参考文献

[1]Bheem P ，Pramod K .Effect of the elevated temperature on the mechanical properties of geopolymer concrete using fly ash and ground granulated blast slag[J].Journal of Structural Fire Engineering，2024，15（3）：409-425.

[2]Chen P ，Li Y ，Yin L ， et al.Review on Mechanical Properties of Fiber-Reinforced Geopolymer Concrete After High-Temperature Exposure[J].Iranian Journal of Science and Technology， Transactions of Civil Engineering，2024，48（6）：3829-3851.

[3]J J E ，A H L ，C F ， et al.The effect of alkali concentration on chloride penetration in geopolymer concrete[J].IOP Conference Series： Materials Science and Engineering，2019，615012114-012114.