赵建伟，崔 潮，戈娅萍，肖 斌，彭 晖,2，张建仁,2

(1.长沙理工大学土木与建筑学院，长沙 410114；2.长沙理工大学南方地区桥梁长期性能提升技术国家地方联合工程实验室，长沙 410114)



地质聚合物的土木工程耐久性能的研究进展

赵建伟1，崔 潮1，戈娅萍1，肖 斌1，彭 晖1,2，张建仁1,2

(1.长沙理工大学土木与建筑学院，长沙 410114；2.长沙理工大学南方地区桥梁长期性能提升技术国家地方联合工程实验室，长沙 410114)

地质聚合物是由硅铝酸盐材料通过碱激发形成，具有网络结构和无定形性质的胶凝材料。由于地质聚合物具有优于普通硅酸盐水泥的力学性能，并且制备过程中CO2排放量较少等优点，被认为是硅酸盐水泥的良好替代品。尽管相当部分的研究者认为地聚物的耐久性也要好于普通硅酸盐水泥，但其他研究者对此持怀疑态度并认为很多方面还需进一步的研究。本文回顾了近几年有关地聚物耐久性研究的现状和进展，总结和讨论了地聚物的吸水性、碳化、硫酸盐侵蚀、酸腐蚀、碱-集料反应和氯离子渗透等耐久性能及其作用机理的研究成果，并提出了现有研究存在的主要问题。

地聚物； 耐久性能； 土木工程； 吸水性； 硫酸盐侵蚀； 碱-集料反应； 氯离子渗透

1 引 言

随着基础设施建设的迅速发展，土木工程对环境的影响正逐步凸显。研究[1]显示每生产一吨水泥排放到大气中的CO2量就将近一吨，导致的结果就是水泥工业的CO2排放量占了全世界CO2总排放量的7%。然而，过去用普通硅酸盐水泥(Ordinary Portland Cement,OPC)建成的混凝土结构正面临着不可避免的破坏，由于其水化产物含20%～25%的Ca(OH)2所以对酸性环境的耐受能力很差，加上混凝土抗渗透能力有限，氯离子、二氧化碳等随着孔隙水运输到混凝土内部使钢筋锈蚀、混凝土碳化，使得已建成的混凝土结构面临严重的耐久性问题，但地聚物的出现能很好地解决这些问题。

目前，国内外对地聚物混凝土基本性能研究较多，对其耐久性方面也有一定研究[2-4]。本文通过回顾近几年国内外学者对地聚物耐久性的研究，希望为实现地聚物这一优质胶凝材料在我国作为一种新型胶凝材料应用于土木工程行业提供借鉴。

2 吸水性

混凝土的耐久性有许多的内容，这些内容受许多因素的影响，且作用机理复杂，但它们的共同点是都与混凝土的传质能力有关，混凝土的破坏大多是在有水及有害物质侵入的条件下产生的，因此混凝土的耐久性与其吸水性有着密切的联系，混凝土的吸水率越低，水和腐蚀性物质越不易进入。

有研究显示[5]，低于10%孔隙率和小于3%吸水率的混凝土拥有极佳的耐久性。Bernal[6]观察了碱激发矿渣和OPC在28 d和90 d的吸水率，发现即使它们的孔隙率相同的，碱激发矿渣的吸水性也要比OPC低很多，他认为这可能是由于碱激发矿渣的孔隙迂曲度更高并且闭合孔隙较多，从而使得水份难以传输。

图1 SiO2含量和吸水率、表观孔隙率的关系[7]Fig.1 Relationship between SiO2 content, water absorption and apparent porosity[7]

图1所示为Qureshi 和 Ghosh[7]研究的碱激发矿渣中SiO2含量和吸水率、表观孔隙率的关系，当SiO2含量达到6.4%时，碱激发矿渣的吸水率和表观孔隙率达到最低，他认为更多可溶性的硅含量能使微观结构更均匀更致密，从而使其抗渗性提高。

Chi[8]发现碱激发矿渣砂浆的吸水率要比OPC砂浆更低，并且相同水胶比碱激发粉煤灰砂浆的吸水率要比碱激发矿渣砂浆要高，Provis[9]认为这是两个原因导致的：(1)富含矿渣的原料被激发后主要生成结合水能力比较强的水合硅铝酸钙(C-A-S-H)凝胶，而富含粉煤灰的原料被激发后主要生成的是结合水能力比较弱的水合硅铝酸钠(N-A-S-H)凝胶，(2)细小的矿渣颗粒容易进入孔隙中，从而挤占了水份的空间。

相反，有些研究者的结论是地聚物的吸水率比OPC要高。Karim[4]在常温下固化了NaOH激发的矿渣、POFA(棕榈油燃料灰)、RHA(谷壳灰)混合掺料，发现其吸水性要高于OPC。Wongpa[10]用NaOH和水玻璃激发稻壳树皮灰和矿渣发现试件从28 d到90 d龄期内渗水系数持续增加，并且抗压强度的持续降低伴随着长期地干缩，他认为干缩导致的裂缝是导致抗压强度减低和渗水率增大的主要原因。

3 碳 化

碳化是二氧化碳与混凝土中的氢氧化钙和水合硅酸钙(C-S-H)凝胶反应生成碳酸钙等物质，使混凝土变得硬而脆，同时降低混凝土的pH值的现象，碳化深度过大，会使混凝土内钢筋表面的钝化膜分解，造成钢筋锈蚀。地聚物钢筋混凝土同样也能因为pH值的降低和氯盐的侵蚀导致钢筋脱钝化导致结构性能降低。

但是，地聚物和硅酸盐水泥的碳化机理是不相同的。在硅酸盐水泥中，空气中的CO2溶解到孔溶液中首先是和Ca(OH)2迅速反应生成CaCO3，然后接着和C-S-H凝胶反应生成CaCO3[11]。相反，对于高钙地聚物，由于聚合产物缺少Ca(OH)2，在碱激发矿渣水泥中CO2直接与C-A-S-H凝胶反应生成CaCO3[12]，水滑石相作为大多数碱激发矿渣水泥的第二大聚合产物能结合碳酸盐离子能减缓CO2的侵入[13]；对于低钙地聚物，由于其主要产物N-A-S-H凝胶并没有脱钙过程，所以其碳化过程中的主要变化是孔溶液由高碱度向高碳酸钠浓度转变[14]，并且其微观结构并没有太大的改变[12]。

一些研究者发现，地聚物的抗碳化性能没有硅酸盐水泥好，Al-Otaibi[15]系统研究了硅酸盐水泥和碱矿渣水泥的碳化，他认为碱矿渣水泥的碳化深度比硅酸盐水泥大的原因，可能是氢氧化钙含量比硅酸盐水泥少，C-S-H的碳化造成的，但他并没有解释C-S-H的碳化为何会造成这种现象，也没有完整的解释碱矿渣水泥比硅酸盐水泥更容易碳化的原因。

Bakharev等[16]将碱激发矿渣和普通硅酸盐水泥暴露在20%二氧化碳浓度70%湿度的环境中。硅酸盐水泥与二氧化碳反应后，强度有所提高，而碱矿渣则刚好相反，且碳化深度比硅酸盐水泥大。他认为，在碱激发矿渣中，钙含量少，水化产物中基本没有氢氧化钙，接触二氧化碳后，碱激发矿渣中的C-S-H与二氧化碳反应生成碳酸钙、脱钙C-S-H和铝硅酸盐凝胶，但由于反应生成的碳酸钙少，无法填补C-S-H反应后余留下的空隙而使得水泥孔隙率增大，强度降低，渗透性升高，更加易于二氧化碳进入碱激发矿渣的内部，加速碳化。而在硅酸盐水泥中，由于钙含量高，水化产物中大量的氢氧化钙与二氧化碳反应生成的碳酸钙，它能填补反应物反应后的空隙，沉淀在水泥基体内部的空隙中，降低了水泥基体的孔隙率，也减小孔径，同时形成一层保护膜，阻止二氧化碳的进一步渗入，所以，强度会有所增加。

Aperador等[17]研究发现碱激发矿渣的碳化速率为硅酸盐水泥的五倍以上，而且碱激发矿渣混凝土碳化后内部钢筋的锈蚀程度明显大于硅酸盐混凝土。Puertas等[18]发现，碱激发矿渣的抗碳化性能取决于激发剂的种类，当用Na2SiO3作碱性激发剂时，试件碳化后强度明显降低，而用NaOH作碱性激发剂时，碳化后强度还略有提高，这是因为两种激发剂激发矿渣后的水化产物C-S-H结构不同所致。

然而有些研究者却得到了相反的结论，胡泽英[19]用矿渣和偏高岭土为胶凝材料制备的地聚物的抗碳化性能却明显好于同等级的普通硅酸盐水泥，硅酸盐水泥各个龄期下的碳化深度是矿物聚合物水泥的3.2倍，他认为这种现象是因为普通硅酸盐混凝土内部会产生无法避免的缺陷，CO2较容易渗透到毛细孔和空隙中，与空隙中所溶解较多的Ca(OH)2反应生成CaCO3，而地聚物中Ca(OH)2较少，从而制约了其继续碳化，所以碳化深度值较小。

虽然地聚物对碳化的抵抗性能的优劣还存在一些争议，但是一些研究者[20,21]发现地聚物在超过预期使用寿命后一般并没有出现与碳化相关的问题。

Bernal等[22]对加速碳化试验用于地聚物混凝土提出了三个疑点，认为现行的用于测试普通硅酸盐水泥碳化的方法并不适用于碱激发水泥，这种方法低估了碱激发水泥的预期使用寿命。事实上，影响碳化过程一个重要影响因素是相对湿度，在中间湿度时CO2易被吸收，而在干燥或者饱和情况下，CO2的吸收过程就会很慢。现阶段大部分快速碳化试验的相对湿度都设置在能使试件的碳化速率达到最高(包括地聚物)的50%～70%，然而龄期小的试件在快速碳化试验中暴露在低相对湿度时能导致明显的干缩，继而产生微裂缝[23]，使试验结果受到较大干扰。由于快速碳化试验过程中CO2浓度的增加导致碱-碳酸盐平衡被打破，使得试验结果往往不能代表地聚物在正常使用过程中的状况[22,24]，也就意味着快速碳化试验的结果往往低估了地聚物的抗碳化性能。Bernal[22]认为地聚物在大气CO2浓度下，孔溶液的高碱量能维持足够高的PH值使得钢筋不会脱钝化。

碳化对地聚物力学性能的影响还需要更多的研究，虽然有研究[25]显示碳化会使地聚物的强度降低，但是这种变化的机理仍然需要进一步的研究。鉴于目前的加速碳化试验不能很好地评价地聚物的抗碳化性能，因此一种准确而又相对快速的地聚物碳化性能评价方法也是需要开展的工作之一。

4 硫酸盐侵蚀

对碱激发材料的抗硫酸盐侵蚀性能，不同研究者的结论不同。Shi和Provis等[26,27]总结了早期的研究发现碱激发矿渣的抗硫酸盐侵蚀性能要好于OPC，当浸泡在Na2SO4溶液中，其抗硫酸盐侵蚀能力甚至要好于抗硫酸盐水泥，这一特别的性能得益于Na2SO4能作为高钙地聚物的激发剂[28]，这有利于聚合反应的持续化从而使地结构更致密[26]。Femandez-Jimenez等[29]采用低钙粉煤灰基地聚物，发现NaOH或NaOH与硅酸钠复合激发剂在Na2SO4溶液中浸泡一年，尽管试样的强度在早期略有下降，但经过长时间浸泡后试样强度持续增长，表明其抗硫酸盐侵蚀性能极佳。Hardjito等[30]采用低钙粉煤灰制备的地聚物也具有很好的抗化学侵蚀性能。Bakharev等[31]采用含钙量6.5%的粉煤灰配制地聚物时则发现，尽管其抗硫酸盐侵蚀性也优于OPC，但在一定浓度硫酸盐溶液中浸泡时，强度仍不同程度下降，其下降幅度与激发剂的种类有关。这说明，碱激发胶凝材料抗化学侵蚀性能可能与原材料钙含量有关，当含钙地聚物浸泡于MgSO4溶液中后，其抗压强度就会产生明显的下降，这是因为MgSO4会使C-A-S-H脱钙生成石膏和钙矾石[32]。

刘骅[33]用抗腐蚀系数K值(溶液浸泡6 d后的抗压强度MPa/清水浸泡6 d后的抗压强度MPa)评价了碱激发矿渣和普通混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，发现地聚物的K值都大于0.8，表明其具有很好的抗硫酸盐侵蚀的性能，他认为碱激发矿渣混凝土之所以耐硫酸盐腐蚀，主要有以下三个原因：结构致密，键合强，不易被腐蚀；生成无钙体系，水化产物难以和硫酸盐反应；聚合反应速度非常快，用于激发作用的碱迅速被消耗。

除了外部的硫酸盐侵蚀，地聚物中硫酸盐还可以来自于内部，内部的硫酸盐来自于地聚物组分并且会在使用期间造成内部的膨胀。近来有研究[34]在碱激发矿渣中掺入Ba(OH)2作为添加剂，当内部含有硫酸盐或者收到外部硫酸盐侵蚀时，Ba(OH)2可以和硫酸盐生成BaSO4并同时维持碱度，避免了结构的破坏。

5 酸侵蚀

许多研究已经证明，由于地聚物和OPC的水化产

图2 碱矿渣水泥和硅酸盐水泥强度-醋酸溶液中 浸泡时间曲线(pH=4.5)[36]Fig.2 Curve of compressive strengths of Portland cement and AAS mortars versus time of exposure to CH3COOH(pH=4.5)[36]

物性质不同，地聚物相较于OPC抗酸侵蚀的性能更强。当被酸性物质腐蚀时，OPC中Ca(OH)2和硫铝酸钙的溶解或者高钙硅比C-S-H凝胶的脱钙化都会轻易导致结构留下多孔的腐蚀层，相反，由于碱激发矿渣一开始的渗透性就较低，加上低CaO/SiO2的C-A-S-H凝胶，即使被脱钙化以后材料依然会留下硅铝酸盐凝胶致密层[35]，这能阻止酸性物质的进一步侵蚀，从而使得地聚物材料拥有较高的抗酸侵蚀性能。

Bernal等[36]在试验中发现硅酸盐水泥和碱激发矿渣水泥对矿物酸如盐酸、硝酸、硫酸等有较强耐受能力，同样，碱矿渣水泥的浸泡结果与硅酸盐水泥的浸泡结果类似，经过150 d的浸泡之后强度甚至还会增加。

但在醋酸溶液中，Bernal等[36]发现硅酸盐水泥和碱激发矿渣浸泡后强度都有非常明显的降低，图2所示，其原因是醋酸与水泥基体反应后的反应物乙酸钙是易溶于水的[37]，而且醋酸溶液的表面张力比水溶液和其他矿物酸溶液小，醋酸更溶液渗透进入水泥基体内部[38]，他认为碱激发矿渣初始阶段的渗水性要好于硅酸盐水泥并且拥有较低的钙硅比导致碱激发矿渣耐醋酸腐蚀能力较强。

腐蚀深度和质量损失量常常作为评价混凝土抗酸侵蚀的两个指标。但是Lloyd等[35]认为，腐蚀深度更适合作为评价混凝土抗酸侵蚀性能，因为N-A-S-H被酸侵蚀后，会在试件表面形成一层外表完好但是内部疏松多孔的反应产物，那么测得的质量损失量并不是试件真正的质量损失量。贺亮[39]认为酸溶液对混凝土的侵蚀可以从微观上进行试验，观测混凝土内部物质(C-S-H脱钙)的转变，则可以从孔隙率的变化这一点进行研究。

图3 使用不同激发剂激发矿渣酸腐蚀后的微观结构(放大倍数15000)[40]Fig.3 Microstructure of BFS-based geopolymer with different activator attacked by acid(enlarged 15000 times)[40]

Topcu和Canbaz等[40]用三种不同组分的激发剂激发高炉矿渣后浸泡在酸性溶液中250 d后观察了它们的微观结构，如图3所示，从左到右的激发剂组分分别是①NaOH + Na2CO3，②NaOH + Na2SiO3和③Na2SiO3，从图上可以看出，当用NaOH + Na2CO3激发矿渣的砂浆被酸腐蚀后，砂浆的浆体已经被腐蚀消失转变成粒状形式；用NaOH + Na2SiO3激发矿渣的砂浆被酸腐蚀后，由于微小球状颗粒的形成和浆体的溶解导致了微小裂缝的出现，作者发现裂缝和孔隙随着C-S-H结构的溶解而增多，这主要是因为C-S-H被酸溶解会导致沙粒和浆体的粘结力降低；用Na2SiO3激发矿渣的砂浆被酸腐蚀后，沙粒周围充满了裂缝和白色球状颗粒，并且C-S-H结构已经被完全破坏。由此，作者认为NaOH + Na2CO3激发矿渣生成的地聚物拥有更好的抗酸侵蚀性能。

6 碱-集料反应

碱集料反应(alkali-aggregate reaction,AAR)是指混凝土中的碱性物质与一些硅质材料发生反应，生成碱硅酸盐凝胶，碱硅酸盐凝胶吸水会膨胀，在混凝土内部产生内应力，导致混凝土膨胀开裂的现象。碱集料反应对混凝土性能有很大的不利影响，因为碱集料反应时间比较慢，有时需长达几十年才能被发现。混凝土的碱集料反应依据参与的岩石种类及反应机理，可分为三类。(1)碱-氧化硅反应；(2)碱-硅酸盐反应；(3)碱-碳酸盐反应。发生碱集料反应需要具备三个条件：(1)混凝土胶凝材料、矿物掺和料、外加剂和水中含碱量高；(2)骨料中有硅质活性成分；(3)潮湿环境。为了避免碱集料反应，硅酸盐水泥生产标准规定水泥熟料中碱含量不得超过0.6%，否则在有活性集料存在时，可能引起AAR，而地聚物材料中常常有高含量的碱，其含量甚至可以超过10%。

地聚物原料体系的组成对碱集料反应的发生有显著影响，对于碱激发偏高岭土和碱激发粉煤灰混凝土，很多研究[41,42]认为它们无AAR隐患，这是由于它们无充足游离碱与活性集料反应所致。

对于碱激发矿渣混凝土，不同研究者结论不同。一些研究人员[26,43]认为，当碱激发矿渣混凝土中的矿渣含量超过80%、碱含量超过4%时，无论如何也不会有AAR发生，这是因为高含量的矿渣激发后会生成低钙硅比和富含铝的C-S-H，相较于高钙硅比的C-S-H，它能有效地结合碱性物质从而阻止了AAR的发生。Gifford等[44]发现，与硅酸盐水泥相比，碱激发矿渣更易发生碱-碳酸盐反应，不易发生碱-硅反应。另外一些研究者[41,45]用电子显微镜观察了碱激发矿渣混凝土，证实了会有AAR发生，但这种反应导致的膨胀无论在何种情况下都要小于OPC。还有研究[42,46]认为，用粉煤灰或者偏高岭土替代地聚物中的矿渣越多，试件由于AAR导致的膨胀越小，即使掺入碱活性集料也只会产生很小的膨胀，图4所示掺入的粉煤灰越多，膨胀率越小。

另外，目前对于硅酸盐水泥混凝土所采用的碱集料反应试验方法并不一定适用于地聚物。国际上通用的检测AAR的方法是砂浆棒快速试验法，在这个试验程序中，砂浆棒仅仅养护24 h就要浸泡在水中24 h，然后在80 ℃下浸泡于1 mol/L的NaOH溶液中，然而低龄期的地聚物浸泡在水中会使得试件内碱度降低，导致聚合反应不能持续进行，对试验结果也会产生很大的影响[27]。并且1 mol/L的NaOH浓度也是为了测试OPC设计的，但1 mol/L比大多数地聚物的内部碱浓度都要低[48]，因此，外部碱成分对试验的作用实际上非常有限。因此，地聚物AAR的反应机理和试验方法仍有待进一步研究和验证。

图4 不同组分地聚物和OPC的碱-硅反应[47]Fig.4 Alkali-silica reaction in various geopolymer and OPC mortars[47]

图5 地聚物中自由态和结合态氯离子关系[54]Fig.5 Relationship between bound and free chloride in alkaili activated binder[54]

7 氯离子渗透

氯离子渗透是导致混凝土结构中钢筋锈蚀的最重要原因之一，也是钢筋混凝土和预应力混凝土结构耐久性的主要问题，所以地聚物对氯离子侵入的抵抗能力也是地聚物混凝土耐久性研究中最受关注的问题之一。

影响地聚物抗氯离子渗透性的因素很多。陈乔[49]发现随着地聚物的电通量随着溶矿比增高而增高，即抗氯离子渗透能力随着溶矿比的增高而降低。Bernal[25]用电通量法测定了碱激发矿渣材料的抗氯离子渗透性，并掺入了10%和20%偏高岭土做对比试验，他们得出的结论是掺入偏高岭土并不能有效地减少试件的电通量，但是都处在1000～2000这个范围，按照试验标准评价结果其氯离子渗透性是较低。Adam[50]观察到碱激发粉煤灰比碱激发矿渣、掺有矿渣的OPC和OPC的抗氯离子渗透能力都要好，但Zhu[51]对比了非饱和碱激发粉煤灰净浆砂浆和OPC的抗氯离子渗透能力，得出了相反的结论。Shaikh[52]观察了不同激发剂组分(Na2SiO3/NaOH=2.5～3.5)和不同摩尔浓度NaOH地聚物的氯离子渗透深度，发现氯离子渗透深度随着NaOH的摩尔浓度升高而降低，随着Na2SiO3/NaOH的升高而降低。

氯离子在混凝土中有两种存在形式，一种是游离态氯离子，另一种是固化态氯离子。固化态氯离子也分为两部分，一部分是被C-S-H凝胶物理吸附，还有一部分是被AFm相化学结合生成弗雷德盐，物理吸附和化学结合是水泥混凝土固化氯离子的两种机制，固化的氯离子越多，那么其游离态氯离子就越少，水泥混凝土的抗氯离子渗透性能就越强。

地聚物混凝土也有类似固化氯离子的能力，张程浩等[53]研究了不同碱体系激发粉煤灰固化氯离子的能力，得出试件龄期越长其固化氯离子能力越强的结论，作者认为这是由于激发效果更明显的原因，并且Ca(OH)2-Mg(OH)2溶液体系粉煤灰激发效果最差，采用Ca(OH)2-NaOH溶液体系和采用Ca(OH)2-Na2SiO3体系激发粉煤灰时，都生成一定量的C-S-H凝胶，并缩短的粉煤灰的凝结时间。但是作者并没有从机理层面解释不同激发剂对地聚物固化氯离子能力的影响。图5所示为Idawati等[54]研究的碱激发不同比例粉煤灰矿渣固化氯离子的能力，从图上可以看出碱激发矿渣的吸附能力要弱于碱激发粉煤灰，这是由于它们的生成产物不同导致的，碱激发矿渣的聚合产物主要是C-A-S-H，而碱激发粉煤灰则富含比表面积更大的N-A-S-H，能吸附更多的氯离子，并且他发现地聚物在被氯盐侵蚀后并没有生成类似弗雷德盐的物质，所以他认为地聚物固化氯离子主要依靠的是物理吸附。

除了对氯离子的固化能力，对氯离子侵入的阻碍能力也是决定地聚物抗氯离子渗透性的重要影响因素，而这种能力主要受到孔隙率和孔径分布的影响。Shi[55]认为影响离子在结构中传输的主要因素是结构的孔隙网络，试样的电导率同时受到孔结构和孔溶液的影响，例如碱激发矿渣材料孔溶液中的Na+和OH-的浓度就很高，孔溶液中充满Na+致使Cl-浓度就会偏低，从而导致电通量的降低。

然而现阶段广泛使用的电通量法检测地聚物的抗氯离子渗透性能受到诸多质疑。Douglas等[56]用电通量法检测了不同激发剂激发矿渣地聚物的总电通量发现，虽然用Na2SiO3作激发剂时地聚物的电通量比用NaOH和Na2CO3作激发剂的要高很多，但是用压汞法检测试件的孔结构发现Na2SiO3作激发剂时地聚物的孔隙率要更小，孔结构也更完好。Bernal等[25]对两组相同试件同时进行电通量试验和直接渗透试验来对比试验结果，他发现这两种试验方法的得出的氯离子扩散系数相关性很低。产生这种现象的原因是因为电通量法试验结果受到孔溶液成分影响的比重太高以至于孔结构的影响微乎其微，导致结果不准确。

8 结 论

根据上述文献报道我们可以看出，对于组分不同的硅酸盐材料被不同类型激发剂激发形成的地聚物，研究人员已经对其耐久性能，包括吸水性、硫酸盐侵蚀、碳化、酸腐蚀，氯离子渗透、碱-集料反应等，开展了许多工作，得到了一些有意义的结论，具体包括：

(1)部分研究人员认为，矿渣基地聚物的吸水率小于普通硅酸盐水泥砂浆，粉煤灰基地聚物的吸水率大于矿渣基地聚物；但另有部分研究人员声称碱激发矿渣、棕榈油燃料灰、谷壳灰、稻壳树皮灰生成的地聚物的吸水率大于硅酸盐水泥;

(2)矿渣基地聚物的抗碳化性能弱于硅酸盐水泥混凝土，且碳化后没有类似硅酸盐水泥混凝土的强度提高效应；原料体系、激发剂种类均会导致不同的碳化速率和碳化后力学性能；但也有部分研究认为碱激发偏高岭土和矿渣混合物得到的地聚物的抗碳化性能好于硅酸盐水泥混凝土；另有学者认为现在采用的硅酸盐水泥混凝土的碳化性能试验方法会低估地聚物的抗碳化能力;

(3)大部分学者认为，地聚物的抗硫酸盐侵蚀能力显著好于硅酸盐水泥混凝土，这主要是因为地聚物中的钙含量低于硅酸盐水泥混凝土，对硫酸盐的抵御能力也主要受其钙含量影响；另外有研究人员观察到了硫酸镁能够使C-A-S-H凝胶脱钙;

(4)地聚物的耐酸性好于硅酸盐水泥混凝土，这主要得益于地聚物更致密的微观结构和低钙硅比的CASH凝胶；有学者认为质量损失率不适宜用于评价地聚物的耐酸性能，因为酸侵蚀导致的结构破坏不一定导致相应的质量损失；另有研究人员发现激发剂类型对矿渣基地聚物的耐酸性能有显著影响，NaOH + Na2CO3激发矿渣得到的地聚物拥有最好的耐酸能力;

(5)地聚物原料体系的组成对其碱集料反应发生有显著影响：许多研究认为碱激发偏高岭土和碱激发粉煤灰混凝土没有发生碱集料反应的风险，这是因为它们无充足游离碱与活性集料反应；部分研究人员认为，当碱激发矿渣混凝土中的矿渣含量超过80%、碱含量超过4%时，不会发生碱集料反应，因为高含量的矿渣被激发后生成了低钙硅比和富含铝的C-S-H，它能有效地结合碱性物质从而阻止碱集料反应的发生；其他一些研究人员发现碱激发矿渣混凝土中的碱集料反应所产生的膨胀小于硅酸盐水泥混凝土;

(6)许多学者认为，地聚物的抗氯离子渗透性好于普通硅酸盐水泥，因为其微观结构更加致密，但也有学者持相反意见；有研究发现氯离子渗透深度受激发剂组分和浓度影响；另有学者认为地聚物对氯离子的固化主要通过凝胶的物理吸附实现，碱激发粉煤灰中的N-A-S-H凝胶较碱激发矿渣中的C-A-S-H凝胶对氯离子的吸附能力更强。

由上述工作可以看出，用粉煤灰、高炉矿渣、偏高岭土、以及谷壳灰和棕榈油燃料灰等硅酸盐材料合成的地聚物及地聚物混凝土拥有较普通硅酸盐水泥及混凝土更好的耐久性，因此这种无机聚合物在土木工程领域具有广泛的应用前景。但从本文综述也可看出：

(1)由于原料体系、激发剂种类的多样性，以及由此导致的生成地聚物组分体系的复杂性，研究结果间存在较多的分歧，共识性的结论偏少；

(2)许多试验现象和研究结论所对应的机理尚未得到揭示或验证，使得这些研究成果缺乏足够的后续研究指导意义和实际应用价值；

(3)广泛应用于硅酸盐水泥混凝土耐久性能评估的电通量法、砂浆棒快速试验法等，是否适用于地聚物耐久性能的评定存在较大争议。

这说明关于这个方向现有的研究尚有较大不足，对于地聚物应用于土木工程的耐久性能的认识还非常模糊，鉴于材料体系的复杂性和合成反应等相关理论的不完备，需要研究和工程人员开展更多工作，才有可能建立起对地聚物这种材料的耐久性能的足够清晰的认识。

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Recent Development of Research on Durability of Geopolymer for Civil Structural Applications

ZHAOJian-wei1，CUIChao1，GEYa-ping1，XIAOBin1，PENGHui1,2，ZHANGJian-ren1,2

(1.School of Civil Engineering and Architecture,Changsha University of Science & Technology,Changsha 410114,China;2.National-Local Joint Laboratory of Engineering Technology for Long-term Performance Enhancement of Bridges in Southern District,Changsha University of Science & Technology,Changsha 410114,China)

Geopolymer is a kind of cementitious materials with network structures and amorphous phase, which can be synthesized by activating aluminosilicate through alkaline solution. Due to the mechanical properties of geopolymer are better than those of ordinary portland cement, and the CO2emissions in production process are less than the latter, the geopolymer is regarded as a promising substitute for ordinary portland cement. Many researchers believe that the durability of geopolymer for civil structural applications is better than that of OPC, however some other researchers remain sceptical of that and consider the durability of geopolymer needs further studies. Based on most of the available literatures, the present paper reviews the researches on durability of geopolymer in civil engineering application, including the gas permeability and water absorption, the carbonization, the sulfate corrosion, the acid corrosion, the alkali aggregate reaction, and the chloride ingress. In addition, the mechanisms of the material resisting the attacks were summarized, and the problems in the current researches were discussed.

geopolymer;durability;civil engineering;water absorbtion;sulfate corrosion;alkali aggregate reaction;chloride penetration

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2015CB057701)；国家自然科学基金(51578078);湖南省科技计划重点项目(2014FJ4176);长沙市科技计划项目(K1508020-31);长沙理工大学土木工程优势特色重点学科创新性项目(16ZDXK10)

赵建伟(1991-)，男，硕士研究生.主要从事地质聚合物的土木工程应用及耐久性能的研究.

彭 晖，教授，博士.

TQ172

A

1001-1625(2016)09-2832-09