1.1. 目的与意义

水泥是国民经济的重要支柱产业，中国水泥工业由于经济发展的需要，近二十年总产量呈现出快速增长态势。城市化进程与经济的快速发展离不开水泥工业的贡献，但同时也带来了不可忽视的环境问题。水泥行业因其产量巨大而成为能耗和大气污染的重点控制对象。水泥生产造成的碳排放量占全球的3%-5%，是世界第二大二氧化碳排放源^[1]。传统意义上，波特兰水泥是使用天然材料生产制造的（白垩或石灰石等钙质岩以及类粘土或页岩等泥质岩）。原材料在窑中以1450°C的温度加热，形成熟料。孰料经过冷却、研磨并与石膏混合来调节凝固环境。在燃烧过程中，石灰石和窑的燃料燃烧会产生CO₂。据估计，每吨水泥会排放700kg-800kg的二氧化碳^[2]。

随着波特兰水泥需求的增加，原材料越来越难以获取。事实上，在1970年世界年水泥产量约为5亿吨，而中国1994年的水泥产量仅为4亿吨，当时是全世界的产量已经达到了10亿吨。2016年，据估计中国的水泥产量高达24亿吨，全世界总产量为42亿吨^[3]。

为了减少波特兰水泥生产过程中产生的原环境污染、材料缺少及废弃混凝土的再生资源化利用问题，出现了再生混凝土技术，工程上，再生混凝土定义为将废弃混凝土块破碎、清洗、分级后，按照一定的级配，部分或全部代替粗骨料，与水泥、水等再次配成的新混凝土，该方法工艺简单，但再生骨料较天然骨料孔隙率大，吸水率高，利用再生骨料制成的混凝土工作性能差，骨料内部极易产生裂缝，新拌混凝土易发生结构破坏^[4-6]。目前，针对再生混凝土的研究多为将废弃混凝土经处理后用作粗骨料^[7-9]，而对于其中价值最大的水泥石胶质部分未做出有效利用; 利用废弃混凝土中基质胶凝组分经过煅烧获得再生胶凝材料的研究已有初步研究成果^[10]，再生胶凝材料与波特兰水泥相比，其胶凝能力相对较差，混凝土制品强度低，这是因为煅烧废弃混凝土其实质为煅烧水泥在长期服役过程中生成的水化产物碳酸钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙、C-S-H 凝胶等， 煅烧后其水化产物除具有水化能力的 C₃S、C₂S、C₃A 等硅酸盐水泥的矿物组分外，还存在部分的氧化钙、碳酸钙、未分解水化产物及杂质，降低了再生胶凝材料的水化学能^[11-13]。

大掺量使用工业废渣制造水泥已经成为建材工业绿色、低碳、可持续发展的重要途径。高炉矿渣、粉煤灰等多种大宗工业废渣的主要成分为硅铝质玻璃体，能够与硅酸盐水泥熟料协同水化形成胶凝能力。大量硅铝质玻璃体废渣因为水化活性较小、胶凝活性较低，在水泥中大掺量使用将极大降低水泥强度而未能在水泥制造中应用。研究发现聚合铝 (Keggin-Al₁₃)能够改性调控硅铝质玻璃体的反应过程，提高其水化活性。外掺1%聚合铝可提高大掺量含硅铝质玻璃体复合水泥的强度20%以上，并显著提高水泥浆体的密实程度^[14]。

虽然聚合铝的掺入能够有效提升硅铝质玻璃体复合水泥的早期水化反应和力学性能，但其对复合水泥耐久性的影响还未有相关报道，而耐久性是评价材料在实际工程中应用的重要指标。本课题拟在前期研究基础上，探索聚合铝对复合水泥耐久性的影响，研究分析聚合铝掺量对大掺量矿渣硅酸盐水泥体积稳定性、抗侵蚀能力和抗氯离子渗透等性能的影响，结合微观结构表征，阐明聚合铝对大掺量矿渣硅酸盐水泥耐久性性能的影响。

1.2. 国内外的研究现状分析

国内陈伟教授研究了聚合铝改性再生胶凝材料力学性质与微结构，通过测定再生胶凝材料的抗压强度和孔隙率、水化产物、粘结界面以及水化产物热重分析，

发现了一种能增强再生胶凝材料激发矿粉再生胶凝材料力学性能的聚合氯化铝外加剂。研究结果表明，胶凝材料水化产物为C-S-H 凝胶、AFm相、CaCO₃及Ca( OH)₂。聚合氯化铝加入后，Cl^－进入AFm相层间取代AFm相层间的CO₃^2－、SO₄^2－，生成Friedel盐; 聚合氯化铝水解后，Al 进入C-S-H 凝胶链间取代桥四面体Si，因而C-S-H凝胶中Al /Si 比增大;水化产物Ca /( Si Al)比降低，说明掺入聚合氯化铝后，界面处胶凝材料的水化程度提高，水化产物的数量增多，填充了砂与水泥浆的粘结界面空隙，使粘结界面更密实^[15]。

国外Taewan Kim等人研究了聚合氯化铝对碱矿渣水泥浆体力学和微观结构性能的影响，通过将聚合铝以不同含量添加到混凝土中，养护1，3,7和28天后，分别测其水合产物的XRD图谱、MIP分析、抗压强度、热分析以及SEM图像，得出结论：PAC中含有的氯离子促进了AASC中Friedel盐的形成，铝离子促进了CASH凝胶的形成。随着PAC替代率的增加，这种结构变化增加；PAC替换一部分混合水可在1-28天的整个时间内提高AASC的强度。在较高的PAC替代率下，强度增加最为显着；PAC含量促进了GGBFS的水合，导致水合产物中更高的Ca / Si和Al / Si比，进一步促进了添加到AASC中的碱活化剂对GGBFS的水合作用^[16]。