地聚物混凝土收缩研究综述

赵人达，王永宝,，原 元，赵成功，秦鹏举

(1.西南交通大学土木工程学院，成都 610031；2.太原理工大学土木工程学院,太原 030024)

0 引 言

1978年，有学者研发了一种环境友好型材料-地聚物混凝土[1]。由于其具有强度高、渗透性和化学抵抗力好等优点[2-4]，得到了广泛关注。但地聚物混凝土在凝结硬化过程及成型后会产生收缩变形[5]，与基本力学性能相比，收缩试验和理论研究较为复杂，虽然目前已有学者开展了不同因素影响下的收缩特性研究，但由于试验结果的显著差异性和影响其收缩性能的多种因素之间的耦合关系，相关学者尚未对不同因素与收缩变形之间的关系达成共识，也未提出一种合理的收缩预测模型。因此，本文综述了碱激发剂种类、模数、含量，胶凝材料种类及含量，溶胶比，添加剂，养护条件，地聚物类型和Ca/Si摩尔比等因素对地聚物混凝土收缩影响的试验和理论研究情况，阐述了收缩模型的研究进展，指出了现有研究存在的不足。

1 收缩研究

根据产生的原因，混凝土收缩主要分为自收缩和干燥收缩。表1给出了地聚物收缩研究概况，表中“Strength”指实测28 d抗压强度，“Compared with OPC”为与作者同期进行的普通混凝土试件对比。由表1可知，不同学者测试的自收缩差别较大，极限收缩应变最大相差75倍[6-7]。干燥收缩测试结果也有较大差异，有的认为收缩应变仅有几百微应变[3,8-9]，而有的学者发现应变超过上千微应变[10-11]，远大于普通混凝土。多数情况下，自收缩仅有干燥收缩的30%[6]，但矿渣和石灰石粉基地聚物的自收缩大于干燥收缩[12]。

地聚物混凝土收缩速率与普通混凝土有较大差别，且不同胶凝材料类型的地聚物混凝土有不同的收缩特性。粉煤灰基地聚物混凝土自收缩在前1～3 d发展较快，后期稳定，但干燥收缩却在前28 d发展较快[13]，如图1所示，前1 d和7 d可达极限收缩的50%和90%[14]；掺加水泥后，收缩在28 d可达4 000 με，且28 d后的收缩仍增长较快[10]。矿渣基地聚物混凝土在前28～180 d[15-17]发展较快，后期增长较小，前7 d产生较大收缩的原因为内部相对湿度下降速度快，从而引起表面张力的快速下降[18]。粉煤灰+矿渣基地聚物混凝土的干燥收缩也在前7 d发展较快，后期变缓，半年后达1 045 με，总收缩较普通混凝土小[19]。总之，地聚物混凝土具有较快的化学反应速率和收缩增长率；受胶凝材料类型和配合比参数影响，表现为不同的收缩增长速率。

表1 自收缩和干燥收缩研究概况Table 1 Research summary of autogenous and drying shrinkage

注：1.0-1.0 代表SiO2和Na2O含量为1 mol
图1 自收缩和干燥收缩对比[13]
Fig.1 Comparison of autogenous and drying shrinkage[13]

1.1 自收缩

由表1可知，目前对粉煤灰、矿渣、粉煤灰+矿渣和粉煤灰+偏高岭土基地聚物混凝土的自收缩进行了诸多试验研究，不同胶凝材料类型的地聚物混凝土自收缩不同[31-32]。矿渣+石灰石粉基地聚物混凝土的自收缩应变50 d可达3 750 με，为普通混凝土的4～5倍[12,18]；而粉煤灰+矿渣基和粉煤灰+偏高岭土基地聚物混凝土的自收缩较低，小于普通混凝土[24]，相应砂浆的50 d收缩应变为450 με，矿物组合对减少自收缩有利[6]。

地聚物混凝土产生自收缩的原因为：受化学反应影响，混凝土内有较大空隙，而收缩与孔隙率呈正比[12]。另外，由于生成产物不同造成结构内部空隙的吸水率很小，这是引起不同胶凝材料地聚物收缩有差异的原因[7]。毛细管压力是高湿度环境下的地聚物混凝土自收缩驱动力，通过水化反应消耗孔隙水，会引起表面张力，产生较大自收缩[22]，但目前仍未较好地解释产生较大或较小收缩的原因[13]。试验结果还表明，自收缩与质量损失之间存在一定相关性[33]。

1.2 干燥收缩

目前相关学者开展了大量粉煤灰、矿渣、粉煤灰+矿渣、粉煤灰+偏高岭土、赤泥+矿渣、粉煤灰+矿渣+钠长石基地聚物混凝土干燥收缩试验。由表1可知，对粉煤灰基地聚物混凝土，除文献[10]有较大干燥收缩外，大多数学者测试的收缩应变在1 000 με以内，不同配比的干燥收缩小于普通混凝土[9,24,34]。而矿渣基地聚物混凝土的总干燥收缩应变在1 700 με以内[12,16-17,31]，比粉煤灰基地聚物混凝土大[14]，可达相同配比普通混凝土的4倍[35-37]。而粉煤灰+矿渣基地聚物混凝土的收缩应变在400～2 000 με之间[19,24,38]，干燥收缩可达相同配比的自密实混凝土的10倍[39]。粉煤灰+偏高岭土二元基地聚物的收缩应变较一元大[11]，可通过调节粉煤灰与偏高岭土比例的方法降低收缩应变。偏高岭土基地聚物混凝土的收缩较偏高岭土+粉煤灰基地聚物混凝土和普通混凝土小[27]。试验测试发现赤泥+矿渣基地聚物混凝土的收缩明显大于普通混凝土[28-29]，赤泥与矿渣比是影响收缩应变的主要原因，在配合比设计时需引起重视[29]。粉煤灰+矿渣+钠长石基地聚物混凝土的收缩应变是普通混凝土的2倍。扫描电镜结果显示化学反应吸水性少是导致其干燥收缩较大的主要原因[26]，也有学者认为其中间孔颗粒尺寸占有较大比例是引起较大收缩应变，较小质量损失的原因[36,38]，而过多的水分蒸发不足以解释其为何产生过大的干燥收缩[33]。

2 影响收缩的因素

大量研究发现,配合比(碱激发剂掺量[10,24]、矿渣掺量[24]、赤泥掺量[28-29]、粉煤灰掺量[6]、石灰石掺量[12]、溶胶比)、养护方式[8,10]和掺加剂[11]等均对收缩效应有较大影响。

2.1 碱激发剂种类

碱激发剂是地聚物混凝土的重要组成部分，其类型会显著影响其收缩性能[17]。水玻璃、氢氧化钠、硫酸钠、磷酸钠、碳酸钠、氢氧化钙和硅酸钾等均为常用的碱激发剂[15]，不同种类碱激发剂对收缩性能的影响不同。与水玻璃相比，以硫酸钠和磷酸钠为激发剂可降低其收缩应变[11,40]，掺量为0.5%的磷酸钠可降低40%的收缩，且磷酸钠的收缩降幅大于硫酸钠。采用碳酸钠作为碱激发剂产生的干燥收缩与普通混凝土相差不大，但小于同等情况下以水玻璃和氢氧化钠为碱激发剂的自收缩[41]和干燥收缩[40,42]。在以硅酸钠为碱激发剂的粉煤灰基地聚物混凝土中掺加10%的氢氧化钙，其28 d收缩应变可达2 500 με[43]；硅酸钾作为碱激发剂激发的偏高岭土基地聚物混凝土收缩较水玻璃高14%～32%，水玻璃激活效果要明显好于硅酸钾[27]。

2.2 碱激发剂模数及含量

图2是碱激发剂模数及含量对收缩的影响。由图2(a)知，水玻璃模数降低，粉煤灰基和粉煤灰+矿渣基地聚物混凝土的干燥收缩降低[38,44-45]；当模数由0.6增加到1.5时，矿渣基地聚物混凝土的90 d干燥收缩增加近5倍，硅酸凝结成具有较高吸水能力的硅胶是引起较高干燥收缩的原因[46]；在相同碱含量下，水玻璃模数由0.45变为1.05后，400 d的干燥收缩增加3倍[37]。另外，也有研究发现，矿渣基地聚物混凝土的干燥收缩可降低60%[14]，粉煤灰+矿渣基地聚物混凝土的自收缩和干燥收缩随水玻璃模数降低而增加[22]。

由图2(b)发现，收缩应变随碱激发剂中的活性SiO2和Na2O含量增加而增加，当含量由3.5%增加到5.5%后，干燥收缩提高10%。有学者发现，当含量由1.0%增加到1.5%时，7 d的自收缩增大2.7倍[13]。当模数恒定时，碱激发剂含量由4%增加到8%时，干燥收缩增加1.2倍[40,42,47]。干燥收缩并非一直随碱含量增加而增加，而是存在临界值，超过该值后，收缩降低[37]。另外，有试验表明碱激发剂含量对收缩基本无影响[10]，也有学者认为在粉煤灰基地聚物混凝土中增加碱激发剂掺量可减小空隙含量，进而减少收缩[14]。减少收缩的另外一种原因也可能是聚合反应导致水玻璃含量减小，而水玻璃是引起收缩的关键因素[48]。

一般情况下，收缩随氢氧化钠与水玻璃质量比增大而增大[24,43]，但该质量比可转化为模数和含量。对比发现，水玻璃模数对干燥收缩的影响大于碱激发含量[37]。

注：Ms=1.05代表碱模数为1.05;n=7.5%代表碱激发剂中Na2O含量为7.5%
图2 碱激发剂模数和含量对收缩的影响[37]
Fig.2 Effect of modulus and content of activator on shrinkage[37]

2.3 胶凝材料种类及含量

目前主要对矿渣[10,15,17]、粉煤灰[8]、粉煤灰+矿渣[11,19,24,38-39]、粉煤灰+偏高岭土[6]、赤泥+矿渣[29]、赤泥+粉煤灰[49]和粉煤灰+矿渣+钠长石[26]基地聚物混凝土的收缩进行了研究。粉煤灰+矿渣基地聚物混凝土随矿渣掺量增加，其自收缩增加[22-23]，但文献[24]认为增加矿渣掺量可减小收缩应变。有学者研究了矿渣和粉煤灰比对干燥收缩的影响，掺加粉煤灰可降低强度和干燥收缩[11,47]，即增加矿渣会增大干燥收缩，引发裂缝[45]，当矿渣掺量在30%以下可保证不产生较大干缩裂缝，这与普通硅酸盐水泥中掺加粉煤灰可减小收缩类似，但也有学者认为矿渣掺量超过50%后会降低干燥收缩[50]，主要原因为增加矿渣可减小孔隙率，增大密实度。

在粉煤灰+偏高岭土基地聚物混凝土中，掺加10%粉煤灰会增加自收缩，而干燥收缩却随粉煤灰掺量增加而减小[6]。还有学者发现，与不掺加偏高岭土的地聚物混凝土相比，当偏高岭土掺量为20%时(即降低粉煤灰掺量)，可降低20%的干燥收缩[11]。在赤泥+矿渣基地聚物混凝土中，随赤泥掺量增加，收缩先减小后增加，10%的赤泥掺量可降低收缩率，但进一步增加赤泥会增大收缩[28]。也有学者认为，当赤泥掺量在25%以下时，对总收缩影响较小，当赤泥掺量达到75%以上时，会导致裂缝产生[29]。赤泥+粉煤灰基地聚物混凝土往往较普通混凝土具有较小的收缩，需进一步从粗集料种类和类型角度探讨其对干燥收缩的影响[49]。

2.4 溶胶比

溶胶比对矿渣基地聚物混凝土的干燥收缩的影响不大[17]。对于粉煤灰+矿渣基地聚物混凝土，溶胶比为0.42的收缩较溶胶比为0.34的小，即随溶胶比增大，干燥收缩减小[21]，主要原因为溶胶比增大，溶液中的Na2O/H2O和SiO2/H2O降低(H2O增加)，减小了空隙相对湿度，引发较大的毛细水压力[23]。而对于赤泥+偏高岭土基地聚物混凝土，固液比增加可降低其收缩[51]，溶胶比对干燥收缩影响较小，但未得到试验验证[19]。除此以外，地聚物混凝土生成物的致密程度对干燥收缩也有较大影响，PS和PSS型地聚物混凝土的收缩率较PSDS型低27.8%～41.7%[27]。

2.5 添加剂

添加剂可分为无机物和有机物两类。无机物主要包括氧化镁、氧化钙、石膏、硫铝酸钙和纳米TiO2矿粉等，有机物主要包括醇类(聚乙二醇、聚丙烯乙二醇)、高吸水性聚合物材料和乳胶等。

大量研究发现活性氧化镁[5,52]、氧化钙[11,53]、石灰石粉[26]和硫铝酸钙[54]可显著降低其收缩变形。加入6%的活性氧化镁后，矿渣+粉煤灰+硅灰基地聚物混凝土7 d自收缩和28 d干燥收缩分别降低72.1%和20.0%，主要原因为活性氧化镁在碱性环境中生成了可填补微小空隙的氢氧化镁，其在浆体中的膨胀效应抵消了部分收缩，从而提高了密实度和强度[52]。有学者发现当在矿渣基地聚物混凝土中掺加30%的石灰石时，收缩增加，当增加到50%时，收缩减小[12]；加入5%的Ca(OH)2可增加Ca/Si比，生成收缩较小的C4AH13胶凝材料，从而减少其自收缩和干燥收缩，但会增加塑性收缩和初凝时间[21]。另外，加入少量硫铝酸钙、氧化钙和收缩缩减剂后，56 d的干燥收缩将分别减少41%～45%、54%～56%和35%～44%[54]。对粉煤灰+矿渣+钠长石基地聚物混凝土而言，加入5%的石膏，可减小8%的干燥收缩，主要原因是石膏增加了铝元素的溶解量[26]。Yuan等[53]探讨了收缩添加剂对矿渣基地聚物混凝土的影响。结果表明，在矿渣基地聚物混凝土中掺加8%的收缩添加剂后，干燥收缩由420 με降低为190 με。通过对比以氢氧化钙和氢氧化钙+石膏激发的矿渣基地聚物混凝土的自收缩和干燥收缩发现，虽然掺加石膏会增加空隙率，减小强度，但可降低2倍干燥收缩[55]。在粉煤灰基地聚物混凝土中掺入纳米TiO2粉可填充内部微观空隙，增加抗压强度[56]，掺入5%的纳米TiO2矿粉可减少一半的干燥收缩[57]。

除此以外，明矾石等膨胀剂[11]及硫酸钠、超细粉煤灰、符合富勒颗粒分布曲线的细沙[58]等的加入也可显著改善干燥收缩[26]。上述添加剂中，掺入氧化钙和硫铝酸钙后化学反应较为迅速，不宜控制，而氧化镁的收缩降低效果较好[52]。

有机物激发剂中，聚乙二醇也可改善干燥收缩[26]，在99%的相对湿度中养护，并掺入1%和2%的聚丙烯乙二醇可降低50%和85%的干燥收缩[35]，但相对湿度降低为50%后，对干燥收缩的影响减小。将普通混凝土的收缩缩减剂—高吸水性聚合物用于地聚物混凝土可提高初、终凝时间，减少自收缩[41]，但会降低后期强度。此外，掺加少量乳胶也可减小收缩[26]。另外，相关学者也尝试在内部掺加混合纤维、再生玻璃纤维的方法减少干燥收缩，但混合纤维会因增加内部空隙率而增大干燥收缩，却能延缓干燥收缩裂缝的产生[59]。掺入再生玻璃纤维的地聚物混凝土抗压强度降低，抗弯强度提高，收缩会减小[39]。

2.6 养护条件

养护条件也是影响收缩的重要因素之一[10,31]，主要原因为水化过程需要较多非结合水，采用蒸汽养护(湿养护[8])可减少水分损失，保证水化反应的顺利进行，从而降低收缩[40]。自然环境下的干燥收缩为蒸汽养护条件下的6倍[8]，收缩降低效果优于普通混凝土[14]。不同养护条件下的地聚物混凝土干燥收缩关系为：空气养护>石灰水养护>控制温度和相对湿度养护[10]，部分浸水养护>完全浸水养护[50,60]，NaOH溶液完全浸水养护>水溶液完全浸水养护[60]，保证水化过程中周围环境有充足水分是降低收缩的重要措施。

常温和高温养护，地聚物混凝土收缩分别为1 000 με和200 με，提高养护温度是降低收缩的另一措施[24]。Castel等[25]认为当养护时间为1 d时，养护温度由40 ℃提高到80 ℃后，极限干燥收缩由1 920 με降低到400 με；当养护时间变为3 d，提高养护温度对收缩的降低作用明显减小。除温度外，增大养护湿度也可减小干燥收缩，当环境相对湿度由50%提高到99%时，干燥收缩降低3.8倍[35]。Jia等[54]同时测量了矿渣基地聚物混凝土内部的相对湿度和收缩，结果显示收缩与相对湿度之间存在较强的线性关系[41]，内部相对湿度变化是引起干燥收缩的主要原因。

2.7 地聚物类型

地聚物类型也是影响其收缩的关键，净浆、砂浆和混凝土是地聚物的三种类型，由表1可知，目前较多学者开展了地聚物砂浆的收缩效应研究，对混凝土[26]的收缩试验研究仍较为欠缺。虽然砂浆和混凝土收缩变形之间不存在明显的函数关系，但一般而言，地聚物中掺加一定数量的细骨料(砂子)可减少其收缩[29]，砂浆的收缩大于混凝土，净浆的收缩要大于砂浆[6]，这是因为细、粗骨料对净浆或砂浆的变形有约束作用[44,50]。

2.8 Ca/Si等元素摩尔比

干燥收缩也受胶凝材料的元素摩尔比(Ca/Si、Al/Si、Mg/Si、Na/Si)影响，其中Ca/Si对收缩影响最大，其次是Al/Si、Mg/Si、Na/Si，因此在配合比设计时，应考虑胶凝材料元素摩尔比，重点关注CaO含量(可转化为Ca/Si)对干燥收缩的影响[44]。一般而言，Ca/Si越低，收缩越大[45]，但在矿渣基地聚物混凝土内掺加粉煤灰能改变这种特性，表现为粉煤灰掺量越多，收缩越小；在地聚物混凝土中增加Ca(OH)2可将Ca/Si由0.72增加到1.02，干燥裂缝和质量损失减少，而质量损失与自收缩之间呈现较强的线性关系，因此，自收缩减小16%[21]。也有学者研究表明碱激发剂中的Si含量(可转化为Ca/Si)也显著影响自收缩和干燥收缩[33]。Na含量的增加会增加结构水含量，从而减小干燥收缩[58]。

3 预测模型

虽然目前已经有了诸多普通混凝土的收缩预测模型，但针对适合于地聚物混凝土的收缩预测模型研究较少，现阶段大多数学者仅将普通混凝土的试验结果与地聚物混凝土进行了对比，结果发现,JSCE[61]和CEB10模型[62]均不能较好地预测地聚物混凝土的收缩[15]，CEB10模型明显低估了其收缩[15]，澳大利亚规范模型可描述地聚物混凝土收缩，但明显高估了其干燥收缩[8,24]。基于少量矿渣地聚物混凝土的收缩试验结果和CEB10模型[62]获得模型的计算结果明显大于JTG模型的预测结果[16]。Mastali等[44]对比了ACI209、B3和GL2000模型与干燥收缩试验结果的差异，结果显示在收缩较小时，B3和GL2000模型高估实测结果，在收缩较大时，B3和GL2000模型低估实测结果，而ACI209模型的预测结果与试验结果吻合较好。Taghvayi等[37]发现ACI209模型明显低估矿渣基地聚物混凝土的干燥收缩，并指出由于目前干燥收缩试验数据较少，较难得出合理的收缩模型。由于地聚物混凝土的配比参数和化学反应原理较复杂，其收缩模型中需要考虑更多参数，如Si/Al等，尚需进一步探讨。

4 结语与展望

综上所述，国内外学者广泛开展了不同因素影响下的地聚物混凝土收缩效应研究，取得了部分共识性结论，但由于影响因素较多，现有研究仍存在以下不足。

(1)碱激发剂。水玻璃和氢氧化钠虽是常用碱激发剂，且可获得强度较高的地聚物混凝土，但会引起较大的收缩变形，而掺入磷酸钠和碳酸钠等碱激发剂可不同程度地降低收缩变形，因此，需进一步开展不同碱激发剂种类和掺量的收缩研究。

(2)添加剂。掺入不同添加剂可减小地聚物混凝土的收缩，目前对掺加聚乙二醇、聚丙烯乙二醇、氧化镁、纳米二氧化钛等添加剂的收缩研究尚处于起步阶段，开展不同添加剂对地聚物混凝土收缩效应的研究迫在眉睫。

(3)收缩模型。虽然目前相关学者已对溶胶比、养护条件、胶凝材料类型、碱激发剂掺量和模数等因素对收缩变形的影响进行了研究，但尚未对不同因素与收缩变形的影响达成共识，仍需开展大量试验研究，探讨不同因素与收缩效应的关系，进而提出适用于地聚物混凝土的收缩预测模型。

(4)胶凝材料种类。粉煤灰、矿渣、偏高岭土和赤泥是常用的胶凝材料，不同矿物组成显著影响其收缩应变，如何尽可能多地利用工业废渣，制造强度较高、收缩较小的地聚物混凝土尚需进一步开展研究。

(5)收缩机理。收缩会引起地聚物混凝土结构裂缝、变形，进而影响其在实际工程中的应用，但目前关于地聚物混凝土的收缩效应研究大多停留在试验方面，仅初步探讨了内部相对湿度扩散、空隙等因素对收缩效应的影响，后续仍需从化学反应原理、微观结构等方面进行广泛论证分析，深入探讨收缩的发生和发展机理。