高性能地聚物混凝土早期收縮特性

萬聰聰,姜天華*

（1.武漢科技大學 城市建設學院，武漢 430065；2.武漢科技大學 高性能工程結構研究院，武漢 430065；3.城市更新湖北省工程研究中心，武漢 430065）

普通硅酸鹽水泥存在生產能耗高、環境污染大[1-2]等亟待解決的問題。地聚物混凝土(Geopolymer concrete)以礦渣、粉煤灰和偏高嶺土等工業廢棄物為原料，通過堿激發劑激發而成，在未使用水泥情況下，具有力學性能優異、抗高溫、耐腐蝕及良好的抗滲性等優點，且制備工藝簡單，生產能耗很低，可減少60%～80%的CO2排放量[3-4]，被譽為21世紀蘊藏巨大發展潛力的先進綠色建筑材料。

高性能混凝土(High performance concrete)是一種新型高技術混凝土，采用常規材料和工藝生產，各項力學性能均滿足混凝土結構要求，且兼具高耐久性、高工作性和高體積穩定性。已有研究表明，纖維增強是高性能混凝土的重要特征[5]，且鋼纖維是高性能混凝土中普遍使用的一種增強纖維。地聚物混凝土早期強度較高，但存在脆性大、抗拉強度低等[6-8]缺點。為使地聚物混凝土廣泛應用于實際工程中，朝高性能方面發展是現今亟需研究的前沿領域。研究表明，鋼纖維對地聚物混凝土增強作用非常顯著，可使地聚物混凝土強度、斷裂韌性、抗沖擊和抗疲勞等各項性能[9-11]得到全面優化。同時，對鋼纖維增強地聚物混凝土基本力學性能進行測試可知，鋼纖維增強地聚物混凝土抗壓強度基本都在90～110 MPa之間，最高可達114.4 MPa，基本滿足高性能混凝土對力學性能方面的要求。同時，地聚物膠凝材料具有穩定的三維網狀類沸石結構[12-13]，使地聚物混凝土在熱穩定性方面表現優異，并且Okoye等[14]研究發現在粉煤灰基地聚物混凝土中摻入適量硅灰可有效提升抗硫酸和氯鹽侵蝕性能，李三等[15]研究也表明，在偏高嶺土基地聚物混凝土摻入適量礦渣和粉煤灰可顯著提高地聚物混凝土密實度，進而有效提升地聚物混凝土的抗凍融性能。綜上所述，礦渣、粉煤灰和硅灰等材料用于制備地聚物混凝土，可有效提升混凝土的耐久性，且力學性能優異，基本達到高性能混凝土的要求。

收縮性能是混凝土體積穩定性的重要特性[16]之一，與混凝土強度、裂縫的產生和擴展，甚至是耐久性[17-19]密切相關。普通硅酸鹽水泥混凝土早期收縮較大，強度卻相對較低，由此導致的混凝土開裂風險也顯著增加。研究表明，地聚物混凝土早期收縮大，且現有研究主要集中于單種前體材料的地聚物凈漿和砂漿[20-22]，關于地聚物混凝土收縮的研究鮮有報道，高性能地聚物混凝土收縮的研究更加寥寥無幾，收縮規律不夠明確，收縮模型也不夠完善。因此，為使高性能地聚物混凝土廣泛應用于土木建筑領域，研究其早期收縮性能，對高性能地聚物混凝土在實際工程中的應用具有重要理論價值和實際意義。

通過配制9組(每組6個)高性能地聚物混凝土收縮試件，進行早期收縮測試，分析了硅灰摻量、水玻璃模數和鋼纖維摻量對早期收縮性能的影響機制，進一步得出早期收縮規律，并驗證了現有模型對高性能地聚物混凝土早期干燥收縮的適用性。

1 試驗概況

1.1 原材料

膠凝材料：礦渣采用河北靈壽縣運達礦產品有限公司生產的運達牌S95一級?；郀t礦渣粉；粉煤灰采用河南鄭州德商貿有限公司生產的侯剛牌一級粉煤灰；硅灰采用河北靈壽縣展騰礦產品實力供應商生產的展騰牌GH-J7Y5一級微硅粉。

細骨料采用天然河砂，堆積密度1 560 kg·m-3，細度模數為2.68。

纖維采用河北衡水普方金屬材料有限公司生產的侯剛牌CF-13鍍銅直鋼纖維。鋼纖維各項性能指標見表1。

表1 鋼纖維各項性能指標Table 1 Performance indicators of steel fiber

水玻璃采用安徽蚌埠精誠化工有限責任公司生產的精誠牌101工業級液體硅酸鈉，略帶淡黃色，半透明黏稠狀液體。水玻璃成分及性能指標見表2。

表2 水玻璃成分及性能指標Table 2 Composition and performance index of water glass

堿采用江蘇艾康生物醫藥研發有限公司生產的阿拉丁牌S111518-500 g顆粒狀氫氧化鈉，分析純(AR)：96%，常溫下呈白色固態晶體。

1.2 配合比

參考文獻[23]，經多次試配，確定高性能地聚物混凝土配合比，見表3。

表3 高性能地聚物混凝土配合比 (kg·m-3)Table 3 Mix proportion of high performance geopolymer concrete (kg·m-3)

參考國內外學者研究超高性能地聚物混凝土現狀及相關規范要求，硅灰質量摻量采用4種水平：5wt%、10wt%、15wt%和20wt%；水玻璃模數采用3種水平：1.2、1.4和1.6；鋼纖維體積摻量采用4種水平：0vol%、1vol%、2vol%和3vol%。采用不同硅灰摻量、水玻璃模數及鋼纖維摻量制作9組高性能地聚物混凝土早期收縮試件。其中，早期收縮試件水膠比和膠砂比分別固定為0.32和1 (膠凝材料均為礦渣、粉煤灰和硅灰)。為研究硅灰摻量對高性能地聚物混凝土早期收縮性能的影響機制，減弱甚至消除礦渣和粉煤灰等膠凝材料的影響，額外摻加硅灰并控制礦渣與粉煤灰質量比恒定為4∶1。各組早期收縮性能試驗配合比見表4。

表4 早期收縮性能試驗配合比 (kg·m-3)Table 4 Early shrinkage performance test mix proportion (kg·m-3)

1.3 試件制備

參照規范《水泥膠砂干縮試驗方法》(JC/T 603-2004)[24]制作早期干燥收縮和自收縮試件。早期干燥收縮和自收縮試件邊長均為25 mm×25 mm×280 mm，具體尺寸如圖1所示。試件采用鑄鐵模具分兩層澆筑在已裝銅制釘頭模具內，邊澆筑邊用搗棒搗壓，搗壓完畢后刮平試件表面，并在溫度為(20±1)℃、相對濕度≥90%養護箱內養護成型，養護(24±2) h后拆模，之后在溫度為(20±1)℃水箱內養護48 h。養護結束后，干燥收縮試件存放在溫度為(20±3)℃、相對濕度為50%±4%養護箱內，自收縮試件采用工業薄膜進行包裹密封后存放在普通養護箱內。參照《水泥膠砂干縮試驗方法》(JC/T 603-2004)[24]測試高性能地聚物混凝土的早期干燥收縮和自收縮。同時，參照規范《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2019)[25]制作邊長為100 mm的立方體試件，標養28天后參照此規范進行抗壓強度測試，用于評價早期收縮試件的抗壓強度指標。

圖1 早期收縮試件示意圖Fig.1 Schematic diagram of early shrinkage specimen

1.4 試驗過程及測試裝置

參照規范《水泥膠砂干縮試驗方法》(JC/T 603-2004)[24]，早期干燥收縮和自收縮試驗均采用天津市建儀試驗儀器廠生產的BC-300型水泥膠砂比長儀進行測試。測試前，利用校正桿對儀器進行校正處理，準確無誤后，對早期干燥收縮和自收縮試件逐一測定讀數，測完讀數后用校正桿重新檢查零點，零點變動超過±0.01 mm，則重新測定讀數。測定讀數時，試件在比長儀中的上、下位置應時刻保持一致，且讀數時應左右旋轉試件，確保試件釘頭與比長儀正確接觸，讀數記錄至0.001 mm。早期收縮試驗裝置如圖2所示。

圖2 早期收縮性能試驗裝置Fig.2 Early shrinkage performance test device

2 高性能地聚物混凝土早期收縮性能影響因素

2.1 硅灰摻量

硅灰摻量對高性能地聚物混凝土早期收縮性能影響結果如圖3所示?？芍?，隨硅灰摻量增加，各組試件干燥收縮均先減小后增大，自收縮先增大后減小，之后再增大。其中，當硅灰摻量分別為5wt%、10wt%、15wt%和20wt%時，高性能地聚物混凝土平均干燥收縮量(自收縮量)分別為2 191×10-6、2 059×10-6、2 177×10-6和2 393×10-6(883×10-6、1 145×10-6、1 142×10-6和1 149×10-6)。當硅灰摻量由5wt%增加至10wt%時，試件平均干燥收縮量(自收縮量)降低了(提高了) 6.05%(29.65%)；當硅灰摻量由10wt%增加至15wt%時，試件平均干燥收縮量(自收縮量)提高了(降低了)5.77% (0.31%)；當硅灰摻量由15wt%增加至20wt%時，試件平均干燥收縮量(自收縮量)提高了9.89% (0.63%)。

圖3 硅灰摻量對高性能地聚物混凝土早期收縮性能的影響Fig.3 Effect of silica fume content on early shrinkage of high performance geopolymer concrete

參考文獻[26]可知，隨硅灰摻量增加，硅灰作為微集料可填充高性能地聚物混凝土內部孔隙，提升混凝土密實度，進而降低混凝土內水分遷移的速度，減少水分蒸發，最終導致高性能地聚物混凝土干燥收縮降低。這可能是硅灰摻量由5wt%增加至10wt%時，高性能地聚物混凝土干燥收縮降低的原因之一。參考文獻[27]可知，隨硅灰摻量進一步增加，干燥收縮也逐漸增加，分析其原因，這主要是由于硅灰粒徑較小，且形態為球狀，具有填充、“滾珠”和火山灰活性，硅灰與砂漿內水分反應生成的大量化合物會填充混凝土內部孔隙，并且在堿性環境下，與粉煤灰水解產生的Ca+發生水化反應生成的水化硅酸鈣(C-SH)凝膠對高性能地聚物混凝土孔徑分布也進行了優化，降低了孔隙率，顯著細化了高性能地聚物混凝土孔結構。依據Kelvin定律及Yang-Laplace方程[28]可知，當混凝土體系內部相對濕度(Internal relative humidity，IRH)固定不變時，存在臨界半徑r0，此時半徑＜r0的毛細孔被液相慢慢填滿，半徑＞r0的毛細孔則被氣相填充。在半徑=r0的毛細孔中，由于毛細孔彎液面存在使液相和氣相交界處存在一定壓力差，進而對毛細管壁產生向內的拉應力，且隨毛細管內彎液面半徑逐漸減小，壓力差越來越大。從微觀角度來說，大量化合物填充混凝土內部孔隙及C-S-H凝膠對孔徑的優化作用，使孔結構得以顯著細化，r0減小速度也顯著加快，促使水分向更微小孔隙內部重分布，加速后期r0的減小，進而導致毛細壓力和內應力不斷增大。此外，依據Laplace 方程[29]可知，當半徑r0固定不變時，毛細壓力和毛細管張力呈正相關，為使彎液面處于平衡狀態，毛細管張力不斷增加并作用于毛細孔壁引發混凝土產生干燥收縮，最終導致高性能地聚物混凝土干燥收縮增大。參考文獻[30-32]可知，硅灰比表面積較大，含有大量活性SiO2，具有較強火山灰活性，在堿性環境下，與粉煤灰水解產生的Ca+發生水化反應生成C-S-H凝膠，進而填充高性能地聚物混凝土內部孔隙，細化孔結構，且硅灰水化反應較劇烈，加速消耗混凝土內大量水分，這對于干燥收縮的降低非常不利，最終導致高性能地聚物混凝土干燥收縮增大。

參考文獻[27]可知，硅灰火山灰活性較強，水化反應過程中消耗水分可顯著增大混凝土漿體內自干燥作用，且摻加硅灰可細化混凝土基體內孔結構，進而增大毛細壓力和內應力，這對于自收縮的降低非常不利，最終導致高性能地聚物混凝土自收縮逐漸增大。Mazloom 等[33]研究也發現，相對于未摻加硅灰的基準組，摻加6wt%～15wt%硅灰的試件自收縮率增大了16.7%～50%。Akcay 等[34]在自密實混凝土中摻入硅灰，也得到了類似的結果。參考文獻[35]可知，隨硅灰摻量增加，高性能地聚物混凝土自收縮逐漸增大，分析其原因，這主要是由于：(1) 硅灰粒徑較小，含量越多，填充效果越明顯，并能有效細化孔結構，增加小孔數量，增大自收縮；(2) 堿性環境下，高活性硅灰與粉煤灰水解產生的Ca+發生水化反應生成C-SH凝膠，C-S-H凝膠附著于孔隙內會細化孔結構，增大自收縮；(3) 硅灰與水反應會消耗部分混凝土漿體內水分，進而降低混凝土基體IRH，強化自干燥，最終導致自收縮增大。隨硅灰摻量的不斷增加，硅灰填充細化孔結構的效果逐漸達到飽和狀態，粉煤灰水解產生的Ca+也基本消耗殆盡，此時增加硅灰摻量對高性能地聚物混凝土孔結構細化作用不明顯，自收縮也基本保持不變，這可能是硅灰摻量由10wt%增加至20wt%自收縮基本保持不變的原因之一。

2.2 水玻璃模數

水玻璃模數對高性能地聚物混凝土早期收縮性能影響結果如圖4所示?？芍?，隨水玻璃模數增大，各組試件干燥收縮均先減小后增大，自收縮均依次增大。其中，當水玻璃模數分別為1.2、1.4和1.6時，高性能地聚物混凝土平均干燥收縮量(自收縮量)分別為2 380×10-6、2 191×10-6和2 890×10-6(873×10-6、883×10-6和1 182×10-6)。當水玻璃模數由1.2增加至1.4時，試件平均干燥收縮量(自收縮量)降低了(提高了) 7.94% (1.23%)；當水玻璃模數由1.4增加至1.6時，試件平均干燥收縮量(自收縮量)提高了31.9% (33.83%)。

圖4 水玻璃模數對高性能地聚物混凝土早期收縮性能的影響Fig.4 Effect of water glass modulus on early shrinkage of high performance geopolymer concrete

參考文獻[36]可知，水玻璃模數會影響堿激發復合前體材料的水化程度及孔隙結構，孔隙結構進一步影響堿激發復合前體材料中水的移動，且增大水玻璃模數會導致混凝土毛細孔隙率增加，進而致使水的移動有了更多的機會和路徑。由圖4可知，隨水玻璃模數增加，高性能地聚物混凝土毛細孔隙率逐漸增加，混凝土基體內水分移動的路徑也逐漸增多，進而給體系提供了更多的水分，這對于干燥收縮的降低非常有利。隨水玻璃模數進一步增大，高性能地聚物混凝土毛細孔隙率不斷增加，混凝土基體內水分移動的路徑也顯著增多，不斷增加的毛細孔隙率給體系提供了大量的水分，但給體系提供水分對干燥收縮改善的影響遠小于毛細孔隙率增多致使體系水分大量散失的負面影響，且水分大量散失會導致混凝土體積減小，這對于干燥收縮的降低非常不利，最終導致高性能地聚物混凝土干燥收縮顯著增大。參考文獻[37]可知，隨水玻璃模數進一步增大，膠凝材料水化產物也逐漸增加，進而細化孔結構，增大了毛細管力，即增大了收縮的驅動力；且增大水玻璃模數，混凝土漿體中氫氧鈣石晶體的數量也逐漸減少，這使混凝土基體抵抗變形的能力降低而更容易發生形變。此外，水玻璃模數增大，增加了吸附Na+的總量，進而提高了水化硫鋁酸鈣(C-(A-)S-H)聚合度，加速了C-(A-)S-H凝膠密實度的提高和表觀體積的減小，這可能是水玻璃模數由1.4增大至1.6時高性能地聚物混凝土干燥收縮顯著增大和自收縮增大的原因之一。相對于水玻璃模數由1.2增大至1.4的過渡段，水玻璃模數由1.4增大至1.6的過渡段自收縮增長率較大，表明在該過渡段隨水玻璃模數增大，膠凝材料水化產物顯著增加，混凝土基體孔結構得以更加細化，混凝土漿體中氫氧鈣石晶體數量也顯著減少，這使混凝土基體抵抗變形的能力不斷降低而發生較大形變，且吸附Na+總量也不斷增加，導致C-(A-)S-H聚合度顯著提高，混凝土基體表觀體積顯著減小，最終表現為水玻璃模數由1.4增加至1.6的過渡段自收縮斜率更陡峭。

參考文獻[38]可知，在堿性環境條件下，粉煤灰和礦渣等膠凝材料發生水化反應會生成C-(A-)S-H凝膠。隨水玻璃模數增大，C-(A-)S-H的平均分子鏈長(Molecular chain length，MCL)急劇增長，即橋位硅氧四面體所占比例顯著增大，依據量子化學從頭算法[39]的計算結果，Al進入硅鏈的概率顯著增大。礦渣中Al含量較少，但粉煤灰中Al含量較多，致使高性能地聚物混凝土漿體中C-(A-)S-H的Al/Si原子比大幅提升，而正三價的Al替代硅氧四面體中正四價的Si產生的負電荷需吸附Na+達到一定的平衡。因此，隨水玻璃模數增大，Al/Si原子比的提高也會增加吸附Na+的量，進而提高C-(A-)S-H的重組概率，加速C-(A-)S-H聚合度的提高，進而致使C-(A-)S-H密實度增加，最終導致高性能地聚物混凝土表觀體積減小，自收縮增大。此外，高性能地聚物混凝土漿體反應過程中，Ca2+與堿金屬陽離子同時競爭補償硅鏈去質子化羥基上的負電荷，相對于正一價的堿金屬陽離子，正二價的堿金屬陽離子更有優勢。因此，溶液中Ca2+濃度較高時會抑制Na+的吸附。隨水玻璃模數增大，膠凝材料發生水化反應生成的C-(A-)S-H等水化產物也逐漸增加，消耗了部分Ca+，顯著降低了混凝土漿體溶液中Ca+含量，致使Na+被C-(A-)S-H吸附的量增加，加速了C-(A-)S-H聚合度的提高，進而致使C-(A-)S-H密實度增加，最終導致高性能地聚物混凝土表觀體積減小，自收縮增大。

2.3 鋼纖維摻量

鋼纖維摻量對高性能地聚物混凝土早期收縮性能影響結果如圖5所示?？芍?，隨鋼纖維摻量增加，各組試件干燥收縮均依次降低，自收縮先增大后減小，之后再增大。其中，當鋼纖維摻量分別為0vol%、1vol%、2vol%和3vol%時，高性能地聚物混凝土平均干燥收縮量(自收縮量)分別為4 387×10-6、3 499×10-6、2 191×10-6和1 411×10-6(856×10-6、1 188×10-6、883×10-6和960×10-6)。當鋼纖維摻量由0vol%增加至1vol%時，試件平均干燥收縮量(自收縮量)降低了(提高了) 20.24%(38.8%)；當鋼纖維摻量由1vol%增加至2vol%時，試件平均干燥收縮量(自收縮量)降低了37.38%(25.65%)；當鋼纖維摻量由2vol%增加至3vol%時，試件平均干燥收縮量(自收縮量)降低了(提高了)35.62% (8.63%)。

圖5 鋼纖維摻量對高性能地聚物混凝土早期收縮性能的影響Fig.5 Effect of steel fiber content on early shrinkage of high performance geopolymer concrete

參考文獻[40]可知，收縮通常指混凝土暴露于相對濕度＜100%空氣中發生的干燥收縮，且產生收縮有一個主要原因，即混凝土內部水分的遷移和散失。摻加鋼纖維后，鋼纖維在高性能地聚物混凝土中形成均勻分布的亂向三維空間網，進而對混凝土基體產生一定的空間約束，不僅可以有效抑制混凝土中骨料的下沉，提高混凝土均勻性，減少其固有缺陷，而且還可以阻止水分溢出的通道，減少水分散失，改善混凝土微觀結構[41]，最終降低高性能地聚物混凝土的干燥收縮。此外，改善微觀結構是鋼纖維降低收縮的另一個原因。文獻[42]研究表明，相對于未摻加鋼纖維的試件，摻加鋼纖維的試件累計水分損失更小，孔隙結構也發生了明顯變化，直徑較大的孔隙更多，較大毛細孔使毛細孔壓力減小，進而減少水分逸出，降低干燥收縮。參考文獻[43]可知，混凝土漿體發生干燥收縮，纖維受到擠壓并承擔部分應力抵抗干燥收縮。此外，膠凝材料水化產物附著于鋼纖維表面，堿激發劑呈堿性，腐蝕鋼纖維使其表面粗糙不平，促使鋼纖維與硬化漿體粘結界面得以有效加強，提高了鋼纖維和硬化漿體之間的粘結性能，進而有效抑制水分蒸發引起的毛細孔張力，最終表現為高性能地聚物混凝土干燥收縮的降低。參考文獻[44]可知，鋼纖維與混凝土基體之間存在的粘結作用可有效抑制混凝土干燥收縮。此外，摻加鋼纖維會影響混凝土的流動性和保水性，導致鋼纖維與混凝土基體界面粘結強度發生變化，進而影響干燥收縮。由圖5可知，當過量摻加鋼纖維時，混凝土坍落度顯著降低，在相同水膠比條件下，過量鋼纖維會占用部分拌合水使其缺乏足夠的漿體包裹與填充；同時，鋼纖維之間存在架力作用，致使混凝土拌合物內部摩擦力增大，進而導致拌合物和易性變差，影響試件澆筑時的密實度，增加內部初始缺陷，降低鋼纖維與混凝土基體的界面粘結強度，這對于干燥收縮的抑制不利，最終表現為鋼纖維摻量由1vol%增加至2vol%的過渡段干燥收縮降低率明顯大于鋼纖維摻量由2vol%增加至3vol%的過渡段。

參考文獻[44]可知，自收縮主要是由混凝土體系IRH降低，造成孔隙內液體表面形成彎液面，同時產生毛細孔負壓引起的。由于高性能地聚物混凝土水膠比相對較低，隨著水化反應的進行，混凝土基體內部水分迅速消耗，IRH顯著降低。依據Kelvin定律及Yang-Laplace方程[28]可知，當混凝土IRH固定不變時，存在臨界半徑r0，此時半徑＜r0的毛細孔被液相慢慢填滿，半徑＞r0的毛細孔則被氣相填充。在半徑=r0的毛細孔中，由于毛細孔彎液面存在使液相和氣相交界處存在一定壓力差，進而對毛細管壁產生向內的拉應力，且隨毛細管內彎液面半徑逐漸減小，壓力差越來越大。從微觀角度來說，即高性能地聚物混凝土總孔隙體積變小，此時孔結構得以顯著細化，r0減小速度也顯著加快，促使水分向更微小孔隙內部重分布，加速后期r0的減小和毛細管負壓的進一步增大，最終導致高性能地聚物混凝土自收縮增加。參考文獻[43]可知，隨鋼纖維摻量進一步增加，自收縮降低，分析其原因，這主要是由于摻入鋼纖維使混凝土內部孔隙總體積增加，毛細孔直徑變大且數量增多，進而減小毛細孔壓力，降低自收縮。此外，鋼纖維在混凝土內部形成均勻分布的亂向三維空間網，進而對混凝土基體產生一定的空間約束，提高混凝土均勻性，且混凝土漿體產生自收縮時，纖維受到擠壓并承擔部分應力抵抗自收縮使高性能地聚物混凝土的自收縮降低。參考文獻[45]可知，適量摻加鋼纖維可有效抑制自收縮，這主要是由于鋼纖維均勻分布于混凝土內部，一定程度上削弱了毛細孔內的收縮應力，進而導致自收縮降低；但過量摻加鋼纖維會導致其與混凝土基體接觸面形成大量界面結構，降低鋼纖維與混凝土基體的粘結性能，最終表現為高性能地聚物混凝土的自收縮不降反增。

3 高性能地聚物混凝土早期收縮曲線

3.1 高性能地聚物混凝土早期收縮規律

高性能地聚物混凝土試件早期干燥收縮試驗及速率曲線結果如圖6、圖7所示。由圖6可知，高性能地聚物混凝土早期干燥收縮隨齡期增長逐漸增大。測試前48 h，高性能地聚物混凝土干燥收縮增長速率較快，而測試前24 h，干燥收縮量增長較大。早期干燥收縮增長較快，之后逐漸趨于平緩。

圖6 高性能地聚物混凝土早期干燥收縮試驗曲線Fig.6 Early drying shrinkage test curves of high performance geopolymer concrete

圖7 高性能地聚物混凝土早期干燥收縮速率曲線Fig.7 Early drying shrinkage rate curves of high performance geopolymer concrete

對各組試件干燥收縮曲線進行分析，結合干燥收縮速率曲線，可分為3個階段：

(1) 快速增長段(I)：收縮初期，高性能地聚物混凝土收縮速率較快，干燥收縮量基本呈線性上升。并且由圖6可以看出，在快速增長段終點到緩慢增長段起點，干燥收縮曲線有明顯的轉折點；

(2) 緩慢增長段(II)：隨齡期的增加，高性能地聚物混凝土收縮速率逐漸降低，干燥收縮量也緩慢增長，直至干燥收縮量達到峰值；

(3) 穩定段(III)：干燥收縮量達到峰值后逐漸趨于平穩，隨齡期不斷增加，高性能地聚物混凝土收縮速率基本保持不變，干燥收縮量也基本保持不變或略有降低。

高性能地聚物混凝土試件早期自收縮試驗及速率曲線結果如圖8、圖9所示。由圖8可知，高性能地聚物混凝土早期自收縮隨齡期增長先略微減小后逐漸增大。測試前72 h，自收縮增長速率較快，而測試前168 h，自收縮量增長較大。早期自收縮增長較快，之后逐漸趨于平緩。

圖8 高性能地聚物混凝土早期自收縮試驗曲線Fig.8 Early autogenous shrinkage test curves of high performance geopolymer concrete

圖9 高性能地聚物混凝土早期自收縮速率曲線Fig.9 Early autogenous shrinkage rate curves of high performance geopolymer concrete

對各組試件自收縮曲線進行分析，結合自收縮速率曲線，可分為3個階段：

(1) 快速增長段(I)：收縮初期，高性能地聚物混凝土收縮速率較快，自收縮量基本呈線性變化。并且由圖8可以看出，在快速增長段終點到緩慢增長段起點，自收縮曲線有明顯的轉折點；

(2) 緩慢增長段(II)：隨齡期的增加，高性能地聚物混凝土收縮速率逐漸降低，自收縮量也緩慢增長，直至自收縮量達到峰值；

(3) 穩定段(III)：自收縮量達到峰值后逐漸趨于平穩，隨齡期的不斷增加，高性能地聚物混凝土收縮速率略有降低，自收縮量也基本保持不變或略有降低。

3.2 高性能地聚物混凝土早期收縮模型

收縮模型是收縮性能的綜合反映，為實現對高性能地聚物混凝土收縮性能的全面分析，需建立完整的收縮模型。目前，較多應用于混凝土結構的干燥收縮模型[46-51]主要有ACI209 R(1992)模型、BS5400收縮模型、GL2000模型、CEB-FIP(1978)模型、王鐵夢模型和中國建筑科學研究院(China Academy of Building Research，CABR)收縮模型等。其中，GL2000模型采用28天混凝土實測抗壓強度計算收縮值，計算表達式簡單方便。在預測試驗實測收縮值時，與ACI209(1982)模型和CEB-FIP(1990)模型相比，GL2000模型計算精度更高，吻合度更好。通過對大量混凝土收縮徐變影響因素及數學模型進行試驗研究，并對試驗數據進行統計分析，由此提出的中國建筑科學研究院收縮模型較符合混凝土收縮實測值。因此，從上述收縮模型中選取GL2000模型和中國建筑科學研究院收縮模型對高性能地聚物混凝土實測收縮值進行預測，基于此評估現有混凝土收縮模型對高性能地聚物混凝土的適用性。GL2000模型和中國建筑科學研究院收縮模型表達式如下所示：

GL2000模型：

式中：β(h)為環境相對濕度對混凝土收縮的影響系數；β(t)為干燥齡期對混凝土收縮的影響系數；K為不同水泥品種對混凝土收縮的影響系數；fcm28為混凝土28天齡期立方體抗壓強度(MPa)；h為環境相對濕度；V/S為混凝土構件體積與表面積的比值(mm)；t為齡期(天)；t0為干燥開始時間(天)。

中國建筑科學研究院收縮模型：

式中：β1為環境相對濕度對混凝土收縮的影響系數；β2為混凝土構件截面尺寸對混凝土收縮的影響系數；β3為養護條件對混凝土收縮的影響系數；β4為粉煤灰取代水泥量對混凝土收縮的影響系數；β5為混凝土強度等級對混凝土收縮的影響系數。

基于抗壓強度實測數據，可得高性能地聚物混凝土28天抗壓強度實測值，即fcm28，見表5。

表5 高性能地聚物混凝土28天齡期立方體抗壓強度fcm28值 (MPa)Table 5 Measured value of 28 days compressive strength(fcm28) of high performance geopolymer concrete (MPa)

依據試驗條件，參照相關規范[48]可知，環境相對濕度h取0.4；由于試件尺寸為25 mm×25 mm×280 mm，計算可得試件體積與表面積比值V/S=5.98291；干燥開始時間t0取3天。依據上述參數，計算可得εshu、β(h)=0.96979和β(t)=[(t-3)/(t+2.36927)]0.5。綜上所述，計算可得εsh，由該計算式計算可得GL2000模型早期干燥收縮預測曲線。GL2000模型早期干燥收縮預測曲線和實測曲線如圖10所示。

圖10 GL2000模型高性能地聚物混凝土早期干燥收縮預測曲線和試驗曲線對比Fig.10 Comparison of GL2000 model early drying shrinkage prediction curves and test curves of high performance geopolymer concrete

由圖10可知，應用GL2000模型對高性能地聚物混凝土干燥收縮值進行預測，預測值與高性能地聚物混凝土干燥收縮實測值吻合度較高。分析其原因，這主要是由于GL2000模型對不同水泥品種影響系數K較敏感，而高性能地聚物混凝土中礦渣和粉煤灰等膠凝材料不同于水泥，因此可通過改變水泥品種影響系數K獲取適用于預測高性能地聚物混凝土干燥收縮的預測曲線，不同水泥品種對混凝土收縮影響系數K如圖11所示。

圖11 不同水泥品種對混凝土收縮影響系數KFig.11 Influence coefficient K of different cement varieties on concrete shrinkage

隨硅灰摻量和水玻璃模數增加，水泥品種影響系數K先減小后增大，且均在硅灰摻量和水玻璃模數分別為10%和1.4時降至最低，與高性能地聚物混凝土早期干燥收縮隨硅灰摻量和水玻璃模數增加變化規律一致。水泥品種影響系數K隨鋼纖維摻量增加依次降低，且在鋼纖維摻量為3vol%時降至最低，與高性能地聚物混凝土早期干燥收縮隨鋼纖維摻量增加變化規律一致。綜上可知，對于不同配比高性能地聚物混凝土早期干燥收縮曲線，可通過改變水泥品種影響系數K獲取適用于預測高性能地聚物混凝土早期干燥收縮的預測曲線，且K值隨硅灰摻量、水玻璃模數和鋼纖維摻量等變量增加變化規律一致。

依據試驗條件，參照相關規范[51]可知，環境相對濕度對混凝土收縮影響系數β1取1.3；由于試件尺寸為25 mm×25 mm×280 mm，計算可得試件體積與表面積比值V/S=5.98291，故混凝土構件截面尺寸對混凝土收縮影響系數β2取1.2；養護條件對混凝土收縮影響系數β3取1；高性能地聚物混凝土收縮試件未使用水泥，不存在粉煤灰取代水泥量，故粉煤灰取代水泥量對混凝土收縮影響系數β4取1；由表5可知，高性能地聚物混凝土抗壓強度在68～114.4 MPa之間，故混凝土強度等級對混凝土收縮影響系數β5取1.15。綜上所述，計算可得ε(t)=1.794t/(152.79+3.27t)×10-3，由該計算式計算可得中國建筑科學研究院收縮模型早期干燥收縮預測曲線。中國建筑科學研究院收縮模型早期干燥收縮預測曲線和實測曲線如圖12所示。

圖12 中國建筑科學研究院(CABR)收縮模型高性能地聚物混凝土早期干燥收縮預測曲線和試驗曲線對比Fig.12 Comparison of early drying shrinkage prediction curves and test curves of shrinkage model of China Academy of Building Research(CABR) for high performance geopolymer concrete

應用中國建筑科學研究院收縮模型對高性能地聚物混凝土干燥收縮值進行預測，預測值遠低于高性能地聚物混凝土干燥收縮實測值。分析其原因，這可能是由于中國建筑科學研究院收縮模型是由我國眾多學者對我國大量混凝土收縮徐變影響因素及數學模型進行研究，并基于對應試驗數據提出的。因此，該收縮模型對原始進行回歸分析的大量原始數據依賴性較強，且用于回歸分析原始數據的混凝土強度均較低，而高性能地聚物混凝土抗壓強度均在68～114.4 MPa之間，強度等級較高。綜上可知，中國建筑科學研究院收縮模型完全不適用于高性能地聚物混凝土早期干燥收縮預測。

綜上所述，現有混凝土干燥收縮模型基本不適用于高性能地聚物混凝土，分析其原因，這主要是由于高性能地聚物混凝土早期收縮快，現有干燥收縮模型中收縮隨時間發展函數基本為雙曲線函數，不符合高性能地聚物混凝土收縮特性，而GL2000模型中收縮隨時間發展函數為指數函數，較符合高性能地聚物混凝土收縮特性。因此，GL2000模型可較準確預測高性能地聚物混凝土早期干燥收縮隨齡期發展變化規律。

4 結 論

(1) 硅灰粒徑較小，可填充高性能地聚物混凝土內部孔隙，提升混凝土密實度，降低水分遷移的速度，減少水分蒸發，降低干燥收縮。隨硅灰摻量進一步增加，高活性硅灰與粉煤灰水解產生的Ca+發生水化反應生成水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠，C-S-H凝膠附著于孔隙內會細化孔結構，增大干燥收縮和自收縮，且硅灰與水反應會消耗部分混凝土漿體內水分，降低混凝土基體內部相對濕度(IRH)，強化自干燥，增大自收縮。因此，為有效控制高性能地聚物混凝土的早期收縮，硅灰摻量宜控制在5%左右。

(2) 水玻璃模數增大導致混凝土毛細孔隙率增加，進而給體系提供更多的水分，降低干燥收縮。隨水玻璃模數進一步增大，水化產物的增加細化了孔結構，增大了毛細管力，且混凝土漿體中氫氧鈣石晶體的數量也逐漸減少，使混凝土基體抵抗變形的能力降低而更容易發生形變，增大干燥收縮和自收縮。此外，水玻璃模數增大，增加了吸附Na+的總量，進而提高水化硫鋁酸鈣(C-(A-)SH)聚合度，加速了C-(A-)S-H凝膠密實度的提高和表觀體積的減小，增大干燥收縮和自收縮。因此，為有效控制高性能地聚物混凝土的早期收縮，水玻璃模數宜控制在1.4左右。

(3) 在高性能地聚物混凝土中，鋼纖維形成均勻分布的亂向三維空間網，對混凝土基體產生一定的空間約束，提高混凝土均勻性，阻止水分溢出的通道，減少水分散失，改善混凝土微觀結構，且鋼纖維受收縮應力擠壓并承擔部分應力抵抗收縮，降低干燥收縮和自收縮。但過量摻加鋼纖維會導致其與混凝土基體接觸面形成大量界面結構，降低鋼纖維與混凝土基體的粘結性能，不利于混凝土收縮的降低。因此，為有效控制高性能地聚物混凝土的早期收縮，并且適當考慮經濟效益，鋼纖維摻量宜控制在2vol%左右。

(4) 高性能地聚物混凝土早期干燥收縮隨齡期增長逐漸增大，早期自收縮先略微減小后逐漸增大，且均在測試初期收縮增長較快，并最終趨于平緩。因此，高性能地聚物混凝土在實際施工過程中應加強早期的保濕養護，減弱甚至消除早期收縮產生的收縮裂縫對混凝土結構承載力及壽命周期的影響。

(5) 與中國建筑科學研究院收縮模型相比，GL2000模型更符合高性能地聚物混凝土收縮特性，可較準確預測高性能地聚物混凝土早期干燥收縮隨齡期發展變化規律。