发明内容

为克服碱激发矿渣和硅酸盐水泥各自的性能缺陷、发挥它们的性能优势，本发明的目的在于提供一种基于碱激发矿渣和硅酸盐水泥的功能梯度混凝土，以提高其综合性能，如良好的抗氯离子渗透性能、抗碳化性能等耐久性能。

本发明为实现目的，采用如下技术方案：

本发明基于碱激发矿渣和硅酸盐水泥的功能梯度混凝土主要包括两类结构：

第一类功能梯度混凝土为PC-AAS混凝土(即Portland cement-alkali activatedslag混凝土)，是在碱激发矿渣混凝土的表面覆盖有一层硅酸盐水泥砂浆层或硅酸盐水泥混凝土层，以提高碱激发矿渣混凝土的抗碳化性能。如图1所示，将图1中第I部分设定为AAS混凝土、第II部分设定为PC砂浆层或PC混凝土层，就得PC-AAS混凝土。众所周知，AAS抗碳化性能差，这严重制约了其在实际工程中推广应用，但它具有极好的抗氯离子渗透性能和抗腐蚀能力，而硅酸盐水泥具有很好的抗碳化性能但抗氯离子渗透性能却较差。对PC-AAS混凝土，由于表面的硅酸盐水泥砂浆层或混凝土层有很好的抗碳化性能，使得内部的AAS混凝土开始碳化时间大幅度延后，同时内部的AAS混凝土具有极好的抗氯离子渗透性能。因此PC-AAS混凝土既有好的抗氯离子渗透性能，同时也有好的抗碳化性能，为AAS在实际工程中推广应用提供了技术支撑。

第二类功能梯度混凝土为AAS-PC混凝土，是在硅酸盐水泥混凝土的表面覆盖有一层碱激发矿渣砂浆层或碱激发矿渣混凝土层，以提高硅酸盐水泥混凝土抗氯离子渗透性能。如图1所示，将第I部分设定为硅酸盐水泥混凝土、第II部分设定为AAS砂浆层或AAS混凝土层，就得到AAS-PC混凝土。硅酸盐水泥混凝土是土木工程中应用量最大、使用范围最广的建筑材料，但硅酸盐水泥的抗氯离子渗透性能和抗腐蚀性能却差强人意，因此在硅酸盐水泥混凝土表面敷设AAS砂浆层或混凝土层是一个理想的改善硅酸盐水泥混凝土抗氯离子渗透性能的方法。由于表面的AAS砂浆层或混凝土层有极好的抗氯离子渗透性能，能有效阻止甚至切断氯离子渗透到内部的硅酸盐水泥混凝土中，因此AAS-PC混凝土具有良好的抗氯离子渗透性能，同时内部的硅酸盐水泥混凝土具有良好的抗碳化性能，因此AAS-PC混凝土也具有良好的抗碳化、抗氯离子渗透等综合性能。

通过对FGC抗碳化性能和抗氯离子渗透性能的研究发现：在AAS混凝土表面覆盖一层硅酸盐水泥砂浆层或混凝土层能大幅度延长AAS混凝土开始碳化的时间；在硅酸盐水泥混凝土表面覆盖一层AAS砂浆层或混凝土层能有效阻止甚至切断氯离子向内部渗透，大幅度延长氯离子渗透到硅酸盐水泥混凝土表面的时间。因此，表面覆盖硅酸盐水泥砂浆层或混凝土层的AAS功能梯度混凝土适合在既有抗碳化又有抗氯离子要求的环境中(如海洋中浪溅区和水位升降区)使用，而表面覆盖AAS砂浆层或混凝土层的硅酸盐水泥混凝土则适合在有抗氯离子渗透要求的环境中(如海洋中水下工程和盐渍区地下工程)使用。由于FGC表面的砂浆层或混凝土层只起保护作用属于功能性材料，对主体结构混凝土的力学性能没有劣化作用。特别是表面覆盖一层AAS砂浆层或混凝土层的硅酸盐水泥混凝土，与纯AAS混凝土比，在具有极好的抗氯离子渗透时，还具有降低成本(硅酸盐水泥混凝土成本低于AAS混凝土)、适用工程范围广的特点，是一种非常有发展前途的新型结构材料。

本发明FGC表面的砂浆层或混凝土层不仅仅限于一层：对所述PC-AAS混凝土，在所述硅酸盐水泥砂浆层或硅酸盐水泥混凝土层的表面还可以按性能需要逐层设置有0层、1层或多层其它砂浆层或混凝土层。对所述AAS-PC混凝土，在所述碱激发矿渣砂浆层或所述碱激发矿渣混凝土层的表面还可以按性能需要逐层设置有0层、1层或多层其它砂浆层或混凝土层。比如，如图2所示，将第I部分设定为AAS混凝土、第II部分设定为硅酸盐水泥砂浆层或硅酸盐水泥混凝土层、第III部分设定为掺引气剂的硅酸盐水泥砂浆层或混凝土层，这样可提高第I部分AAS混凝土的抗碳化性能和抗冻性能，配制出抗氯离子渗透、抗碳化性能和抗冻性能均好的FGC。还比如，在硅酸盐水泥混凝土表面只覆盖一层AAS砂浆层或混凝土层时，由于表面的AAS砂浆层或混凝土层抗碳化性能差且碳化后抗氯离子渗透性能显著下降，因此这类FGC不适合在有抗碳化要求的环境中使用。如图2所示，第I部分设定为硅酸盐水泥混凝土、第II部分设定为AAS砂浆层或混凝土层、第III部分设定为硅酸盐水泥砂浆层或混凝土层，这样就可提高第I部分硅酸盐水泥混凝土的抗氯离子渗透性能和抗碳化性能，配制出抗氯离子渗透性能和抗碳化性能均好的FGC，可应用于同时有抗氯离子和抗碳化要求的环境中。

FGC表面的砂浆层或混凝土层的层数和每一层的类型、配比可根据FGC的性能需要和施工条件、水平进行分析、试验确定。但本发明公布的每一种FGC都是基于硅酸盐水泥和AAS这两种胶凝材料配制而成。本发明的FGC具有良好的综合性能，如良好的抗碳化性能和抗氯离子渗透性能等等。

FGC表面的砂浆层或混凝土层厚度、强度和层数的确定应按混凝土所处环境要求进行具体的分析、试验确定。表面的砂浆层或混凝土层厚度越大当然对内部混凝土保护效果更好，但FGC成本增大。表面砂浆层或混凝土层强度越高对内部混凝土保护效果也更好，但也会使FGC成本增大。表面砂浆层或混凝土层的层数越多，FGC施工复杂程度加大、工程成本增加。

为达到性能要求，所述PC-AAS混凝土表面的硅酸盐水泥砂浆层或硅酸盐水泥混凝土层的厚度应在10mm以上，所述AAS-PC混凝土表面的碱激发矿渣砂浆层或碱激发矿渣混凝土层的厚度应在10mm以上。

优选的，所述PC-AAS混凝土表面的硅酸盐水泥砂浆层或硅酸盐水泥混凝土层的厚度一般为20-30mm。太薄的砂浆层容易被CO₂穿透，起不到保护作用；太厚的砂浆层则不经济，增加FGC成本太多。应当在保证FGC服役时限内不被碳化时选取最小的表面硅酸盐水泥砂浆层或混凝土层的厚度。

优选的，所述AAS-PC混凝土表面的碱激发矿渣砂浆层或碱激发矿渣混凝土层的厚度一般为10-20mm，此厚度的AAS砂浆层或混凝土层氯离子几乎不能穿透，几乎能完全阻止氯离子到达内部硅酸盐水泥混凝土处。表面AAS砂浆层太薄在氯离子长时间渗透下能被穿透，太厚则没有必要同时增加成本。

优选的，所述碱激发矿渣混凝土、所述碱激发矿渣砂浆层或所述碱激发矿渣混凝土层中的碱激发矿渣为强碱激发矿渣，如NaOH激发矿渣、KOH激发矿渣、水玻璃激发矿渣、Na₂CO₃和硅酸盐水泥激发矿渣、Na₂CO₃和Ca(OH)₂激发矿渣等。当为NaOH激发矿渣时，NaOH掺量为4％，此掺量下的砂浆或混凝土既有较高强度、好的抗氯离子渗透性能，同时又具有NaOH用量较低、节约成本等好处。当为KOH激发矿渣时，KOH掺量宜为3-4％，此掺量下的砂浆或混凝土既有较高强度也有好的抗氯离子渗透性能，同时KOH用量较低。

优选的，所述碱激发矿渣混凝土、所述碱激发矿渣砂浆层或所述碱激发矿渣混凝土层中的碱激发矿渣为S75、S95或S105粒化高炉矿渣。

优选的，所述硅酸盐水泥混凝土、所述硅酸盐水泥砂浆层或所述硅酸盐水泥混凝土层中的硅酸盐水泥为六大通用水泥和其它硅酸盐系列水泥，强度等级≥32.5级。

优选的，所述碱激发矿渣混凝土、所述碱激发矿渣砂浆层或所述碱激发矿渣混凝土层中还可以含有作为改性掺合料的粉煤灰、火山灰和/或硅灰。

优选的，所述硅酸盐水泥混凝土、所述硅酸盐水泥砂浆层或所述硅酸盐水泥混凝土层中还可以含有作为改性掺合料的粉煤灰、火山灰和/或硅灰。

本发明所述FGC在实验室的施工方法为：先在试模内浇筑一层砂浆，砂浆稍整平后振实，接着在砂浆表面直接浇筑混凝土(要在砂浆初凝前完成混凝土浇筑)，然后振实抹平混凝土后养护。

本发明所述FGC在工程现场的施工与其它FGC现场施工方法相同。由于FGC的施工技术已日益提高，许多重要的工程都采取了FGC，并且采用FGC的工程越来越多，因此FGC在施工方面不存在技术障碍。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明基于AAS和硅酸盐水泥的FGC具有良好的综合性能，如优良的抗碳化性能、抗氯离子渗透性能、抗硫酸盐侵蚀性能等。本发明的FGC特别适合氯离子侵蚀严重或既有氯离子侵蚀又有碳化作用的地方使用。与表面没有砂浆保护层和混凝土保护层的混凝土比，FGC抗腐蚀性能强、耐久性好、使用寿命长。

2、与表面没有保护层的混凝土比，本发明的FGC具有以下优点：

(1)节能环保：不管是PC-AAS混凝土还是AAS-PC混凝土都大量利用工业废渣粒化高炉矿渣；同时AAS属于无熟料水泥，其中的碱性激发剂常温下生产，不需要高温煅烧，因此与硅酸盐水泥比具有节能、不排放废气和粉尘等优点。

(2)具有一些优良性能，如抗碳化性能、抗硫酸盐腐蚀性能和抗氯离子渗透性能好。

(3)由于FGC的抗腐蚀性能强，因此其耐久性好，使用寿命长。

(4)采用FGC后，制约AAS胶凝材料在实际工程中推广应用的性能缺陷“抗碳化性能差”被克服，为AAS材料在工程中大规模应用打下基础。

(5)在硅酸盐水泥混凝土表面加设AAS砂浆层或混凝土层后能大幅度提高其抗氯离子侵蚀性能，是提高硅酸盐水泥混凝土抗氯离子渗透性能的一个重要方法。

3、与表面涂刷防腐涂料的混凝土比，本发明的FGC具有以下优点：防腐涂料一般是高分子材料，容易老化，没有FGC表面砂浆层或混凝土层那么长的使用寿命，如水中的防腐涂料一旦失效要重新涂刷非常不方便。而FGC表面的砂浆层或混凝土层几乎与内部混凝土(也就是主体结构中的混凝土)的使用寿命相同，因此在整个使用过程中不存在失效、更换、维护等问题。