多源固废基地聚物混凝土优化设计及抗硫酸盐侵蚀性能研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0324

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (9): 3174-3186.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0324

多源固废基地聚物混凝土优化设计及抗硫酸盐侵蚀性能研究

孔令海¹^,²(), 梁根福¹^,², 黄业², 何训林², 章本本³, 罗正东⁴()

^1.中交第三公路工程局有限公司，北京 101304
^2.中交三公局第三工程有限公司，武汉 430033
^3.东南大学交通学院，南京 211189
^4.湘潭大学土木工程学院，湘潭 411105

收稿日期:2026-04-08 修订日期:2026-04-28 出版日期:2026-09-15 发布日期:2026-10-09
通信作者: 罗正东，博士，副教授。E-mail：luozhengdong0425@163.com
作者简介:孔令海（1985—），男，高级工程师。主要从事新型低碳建筑材料的研究。E-mail：2449333748@qq.com
基金资助:
湖南省自然科学基金项目(2023JJ50008);湖南省教育厅资助科研项目(25A0143);2024年度湖北省建设科技计划项目(JK20240113);2024年度湖北省建设科技计划项目(JK20240114)

Optimization Design and Sulfate Resistance Performance of Multi-Source Solid Waste-Based Geopolymer Concrete

KONG Linghai¹^,²(), LIANG Genfu¹^,², HUANG Ye², HE Xunlin², ZHANG Benben³, LUO Zhengdong⁴()

^1.CCCC Third Highway Engineering Co. ，Ltd. ，Beijing 101304，China
^2.Third Engineering Co. ，Ltd. of CCCC Third Highway Engineering Co. ，Ltd. ，Wuhan 430033，China
^3.School of Transportation，Southeast University，Nanjing 211189，China
^4.School of Civil Engineering，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China

Received:2026-04-08 Revised:2026-04-28 Published:2026-09-15 Online:2026-10-09

摘要/Abstract

摘要：

针对普通硅酸盐水泥混凝土碳排放高、在硫酸盐环境下耐久性不足的问题，本研究以矿渣、粉煤灰和钢渣为复合前驱体，制备多源固废基地聚物混凝土。通过正交试验并结合灰色关联分析进行辅助评价，研究了钢渣掺量、碱激发剂模数、碱激发剂掺量和外加水胶比对地聚物混凝土抗压强度的影响规律，并确定了最优配合比。在此基础上，开展硫酸盐干湿循环试验，结合质量变化、抗压强度耐蚀系数、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等手段，分析多源固废基地聚物混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能与损伤机制。结果表明，各因素对地聚物混凝土抗压强度的影响程度由大到小依次为碱激发剂模数、碱激发剂掺量、外加水胶比、钢渣掺量，最优配合比为钢渣掺量20%（质量分数）、碱激发剂模数1.2、碱激发剂掺量50%（质量分数）、外加水胶比0.40。经150次硫酸盐干湿循环后，多源固废基地聚物混凝土的抗压强度耐蚀系数为80%，高于普通硅酸盐水泥混凝土，质量变化率仅为-0.6%。微观结构分析表明：普通硅酸盐水泥混凝土的劣化主要与石膏和钙矾石等膨胀性产物生成有关，这些产物持续累积导致内部微裂纹萌生、扩展与结构剥落；而多源固废基地聚物混凝土中未观察到明显可识别的石膏和钙矾石特征峰，其损伤主要表现为硫酸钠结晶诱导的局部微裂纹及界面区轻微疏松，未形成以大量膨胀性硫酸盐产物累积为主的快速破坏。研究结果可为多源固废基地聚物混凝土在硫酸盐侵蚀环境下的工程应用提供参考。

关键词: 多源固废, 地聚物混凝土, 优化设计, 力学性能, 抗硫酸盐侵蚀, 灰色关联分析

Abstract:

To address the problems of high carbon emissions and insufficient durability of ordinary Portland cement concrete in sulfate-rich environments， this study used slag， fly ash and steel slag as composite precursors to prepare multi-source solid waste-based geopolymer concrete. Through orthogonal tests combined with grey relational analysis for auxiliary evaluation， the influences of steel slag dosage， alkali activator modulus， alkali activator dosage and external water-to-binder ratio on the compressive strength of geopolymer concrete were investigated， and the optimal mix proportion was determined. On this basis， sulfate wet-dry cycling tests were carried out， and combined with mass change， compressive strength corrosion resistance coefficient， X-ray diffraction （XRD） and scanning electron microscopy （SEM）， the sulfate resistance performance and damage mechanism of the multi-source solid waste-based geopolymer concrete were analyzed. The results show that the influence degree of the factors on the compressive strength of geopolymer concrete， in descending order， is alkali activator modulus， alkali activator dosage， external water-to-binder ratio， steel slag dosage. The optimal mix proportion is steel slag dosage of 20% （mass fraction）， alkali activator modulus of 1.2， alkali activator dosage of 50% （mass fraction）， and external water-to-binder ratio of 0.40. After 150 sulfate wet-dry cycles， the compressive strength corrosion resistance coefficient of the multi-source solid waste-based geopolymer concrete reaches 80%， which is higher than that of ordinary Portland cement concrete， and the mass change rate is only -0.6%. Microstructural analysis shows that the deterioration of ordinary Portland cement concrete is mainly related to the formation of expansive products such as gypsum and ettringite， and their continuous accumulation leads to the initiation and propagation of internal microcracks and structural spalling. In contrast， no obvious identifiable characteristic peaks of gypsum or ettringite are observed in the multi-source solid waste-based geopolymer concrete， and its damage is mainly manifested as local microcracks induced by sodium sulfate crystallization and slight loosening of the interfacial zone， without forming rapid deterioration dominated by the accumulation of a large amount of expansive sulfate products. The research results can provide a reference for the engineering application of multi-source solid waste-based geopolymer concrete in sulfate erosion environments.

Key words: multi-source solid waste, geopolymer concrete, optimized design, mechanical performance, sulfate resistance, grey relational analysis

中图分类号:

TU528

孔令海, 梁根福, 黄业, 何训林, 章本本, 罗正东. 多源固废基地聚物混凝土优化设计及抗硫酸盐侵蚀性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(9): 3174-3186.

KONG Linghai, LIANG Genfu, HUANG Ye, HE Xunlin, ZHANG Benben, LUO Zhengdong. Optimization Design and Sulfate Resistance Performance of Multi-Source Solid Waste-Based Geopolymer Concrete[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(9): 3174-3186.

图/表 17

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Material	Mass fraction/%
Material	MgO	Al₂O₃	SiO₂	CaO	Fe₂O₃	SO₃	K₂O	TiO₂
Slag	5.12	16.59	33.40	36.40	1.48	1.26	—	—
Fly ash	1.96	33.60	53.24	2.12	2.42	0.35	1.87	1.25
Steel slag	3.76	3.46	13.92	55.37	21.95	—	—	1.29

Material	Mass fraction/%
Material	MgO	Al₂O₃	SiO₂	CaO	Fe₂O₃	SO₃	K₂O	TiO₂
Slag	5.12	16.59	33.40	36.40	1.48	1.26	—	—
Fly ash	1.96	33.60	53.24	2.12	2.42	0.35	1.87	1.25
Steel slag	3.76	3.46	13.92	55.37	21.95	—	—	1.29

Material	Activity index/%		f-CaO mass fraction/%
Material	7 d	28 d	f-CaO mass fraction/%
Steel slag	73.6	86.5	1.19

Material	Activity index/%		f-CaO mass fraction/%
Material	7 d	28 d	f-CaO mass fraction/%
Steel slag	73.6	86.5	1.19

Factor	Steel slag mass fraction/%	Alkali activator modulus	Alkali activator mass fraction%	External water-to-binder ratio
Level 1	10	1.0	35	0.30
Level 2	15	1.2	40	0.35
Level 3	20	1.4	45	0.40
Level 4	25	1.6	50	0.45

多源固废基地聚物混凝土优化设计及抗硫酸盐侵蚀性能研究

Optimization Design and Sulfate Resistance Performance of Multi-Source Solid Waste-Based Geopolymer Concrete

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Test	Steel slag		Alkali activator		External water- to-binder ratio	Mix proportion/（kg·m^-3）				Compressive strength/MPa
Test	Mass fraction/%	Content/ （kg·m^-3）	Modulus	Dosage/%	External water- to-binder ratio	Slag	Fly ash	Coarse aggregate	Fine aggregate	7 d	28 d
1	10	48.6	1.0	35	0.30	340	146	1 186	675	25.27	33.69
2	25	121.5	1.2	45	0.30	340	146	1 186	675	41.42	48.73
3	25	121.5	1.4	40	0.45	340	146	1 186	675	34.04	41.51
4	15	72.9	1.0	40	0.40	340	146	1 186	675	39.88	46.92
5	20	97.2	1.0	45	0.45	340	146	1 186	675	44.47	50.53
6	15	72.9	1.4	50	0.30	340	146	1 186	675	36.30	42.71
7	10	48.6	1.4	45	0.40	340	146	1 186	675	37.98	44.68
8	15	72.9	1.2	35	0.45	340	146	1 186	675	35.62	44.52
9	20	97.2	1.2	50	0.40	340	146	1 186	675	56.85	63.17
10	25	121.5	1.0	50	0.35	340	146	1 186	675	43.98	51.74
11	10	48.6	1.2	40	0.35	340	146	1 186	675	37.95	45.72
12	15	72.9	1.6	45	0.35	340	146	1 186	675	31.77	39.71
13	25	121.5	1.6	35	0.40	340	146	1 186	675	30.25	38.78
14	20	97.2	1.4	35	0.35	340	146	1 186	675	35.96	43.32
15	10	48.6	1.6	50	0.45	340	146	1 186	675	31.28	39.10
16	20	97.2	1.6	40	0.30	340	146	1 186	675	28.16	36.10

Factor	k₁	k₂	k₃	k₄	R
Steel slag dosage	33.12	35.89	41.36	37.42	8.24
Alkali activator modulus	38.40	42.96	36.07	30.37	12.59
Alkali activator dosage	31.78	35.01	38.91	42.10	10.32
External water-to-binder ratio	32.79	37.42	41.24	36.35	8.45

Source	Sum of squares	Degrees of freedom	Mean square	F value	P value	Significance
Model	561.45	12	46.79	857.63	<0.000 1	Significant
Steel slag dosage	102.67	3	34.22	627.54	<0.000 1	Significant
Alkali activator modulus	256.41	3	85.47	1 566.89	<0.000 1	Significant
Alkali activator dosage	167.32	3	55.77	1 022.76	<0.000 1	Significant
External water-to-binder ratio	115.05	3	38.35	703.07	<0.000 1	Significant

Factor	k₁	k₂	k₃	k₄	R
Steel slag dosage	40.80	43.47	48.28	45.19	7.48
Alkali activator modulus	45.72	50.54	43.05	38.42	12.11
Alkali activator dosage	40.08	42.56	45.91	49.18	9.10
External water-to-binder ratio	40.31	45.12	48.39	43.91	8.08

Source	Sum of squares	Degrees of freedom	Mean square	F value	P value	Significance
Model	748.14	12	62.35	1 047.42	<0.000 1	Significant
Steel slag dosage	118.11	3	39.37	661.40	<0.000 1	Significant
Alkali activator modulus	307.66	3	102.55	1 722.94	<0.000 1	Significant
Alkali activator dosage	188.77	3	62.92	1 057.12	<0.000 1	Significant
External water-to-binder ratio	133.61	3	44.54	748.21	<0.000 1	Significant

Factor	Level value	ξ	r_i	Factor	Level value	ξ	r_i
Steel slag dosage	10	0.685 3	0.712 6	Alkali activator modulus	1.0	0.792 6	0.769 8
	15	0.714 2			1.2	0.826 1
	20	0.737 1			1.4	0.708 4
	25	0.713 8			1.6	0.752 1
Alkali activator dosage	35	0.690 2	0.741 2	External water-to-binder ratio	0.30	0.701 2	0.724 5
	40	0.736 5			0.35	0.744 5
	45	0.749 8			0.40	0.750 1
	50	0.788 3			0.45	0.702 2

Factor	Level value	ξ	r_i	Factor	Level value	ξ	r_i
Steel slag dosage	10	0.677 2	0.705 8	Alkali activator modulus	1.0	0.790 2	0.761 2
	15	0.708 1			1.2	0.818 4
	20	0.730 4			1.4	0.705 6
	25	0.707 6			1.6	0.730 5
Alkali activator dosage	35	0.682 0	0.734 5	External water-to-binder ratio	0.30	0.697 8	0.718 9
	40	0.731 3			0.35	0.738 7
	45	0.743 7			0.40	0.744 2
	50	0.780 9			0.45	0.694 9

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