地聚物混凝土長(zhǎng)期時(shí)變變形研究進(jìn)展

楊世玉 趙人達(dá) 曾憲帥 靳賀松 李福海

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

地聚物(GP)是由激發(fā)劑溶液(NaOH溶液、Na2SiO3等)激發(fā)富硅鋁質(zhì)固廢材料(如偏高嶺土、粉煤灰、礦渣粉)而合成的無機(jī)膠凝材料。除了具備與普通硅酸鹽水泥相當(dāng)?shù)恼澈闲酝?，它還有優(yōu)異的耐熱性、耐火性、耐化學(xué)侵蝕性，并且其生產(chǎn)過程中的CO2排放量?jī)H為硅酸鹽水泥的1/6[1]。因此，它被認(rèn)為是一種綠色環(huán)保的水泥替代品。

混凝土的收縮和徐變是工程界長(zhǎng)期密切關(guān)注的話題[2- 10]?；炷潦湛s是指混凝土材料在卸載下的變形，可以簡(jiǎn)單地分為4種類型——塑性收縮、自收縮、碳化收縮和干縮。徐變通常可簡(jiǎn)單地計(jì)算為試件的總變形與在相同條件下相同時(shí)間段卸載試件的收縮變形之差。然而，值得一提的是，收縮和徐變實(shí)質(zhì)上并不是可以應(yīng)用疊加原理的獨(dú)立現(xiàn)象。影響收縮、徐變的因素很多，如混凝土強(qiáng)度、骨料的彈模、最大骨料粒徑、環(huán)境溫濕度、孔隙水含量、加載齡期、應(yīng)力水平等。

從理論上來講，地聚物比水泥基材料具有更高的收縮率，這是因?yàn)樗恢苯訁⑴c地聚物的生產(chǎn)合成。相當(dāng)多的水不受化學(xué)約束，因此更容易蒸發(fā)。2017年，Mastali等[11]歸納了影響地聚物收縮的有效參數(shù)，比如溫度、相對(duì)濕度、前驅(qū)體材料的組成和固化制度等。相較而言，近兩年的成果更多地關(guān)注地聚物收縮的程度、機(jī)理解析及改善措施。因此，這部分內(nèi)容可以看作前者的補(bǔ)充和繼續(xù)。但在堿活化混凝土的性能中，徐變是一個(gè)較少被研究和探索的特性。然而，這并不意味著這一特性不重要，特別是作為一種結(jié)構(gòu)材料的混凝土。因此，本文系統(tǒng)地歸納了近幾年地聚物混凝土收縮徐變的研究成果，并對(duì)今后需進(jìn)一步研究的相關(guān)問題提出了建議。

1 收縮性能

1.1 粉煤灰地聚物的收縮

1.1.1 粉煤灰來源和配比的影響

Gunasekera等[12]比較了多種粉煤灰地聚物(AAFA)混凝土的干縮。如表1所示，Gladstone和Pt.Augusta地聚物混凝土在1年期的干縮應(yīng)變分別為175 με和190 με，而Tarong地聚物和普通硅酸鹽水泥(OPC)混凝土1年的干縮應(yīng)變分別為615 με和475 με。通過對(duì)比粉煤灰的化學(xué)成分，筆者發(fā)現(xiàn)Tarong粉煤灰中的Si/Al質(zhì)量比、Si/Fe質(zhì)量比和Si/Ca質(zhì)量比均遠(yuǎn)大于其他兩種，這可能直接導(dǎo)致了該地聚物干縮的增大。Charoenchai等[13]用75%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的高鈣粉煤灰(C類)和25%的低鈣粉煤灰(F類)混合，制備了AAFA，試樣分別在25和60 ℃下固化24 h時(shí)，該AAFA的干縮應(yīng)變比純低鈣粉煤灰地聚物分別大了6倍和12倍。Neupane等[14]測(cè)試了坍落度為100～120 mm與坍落度為166～191 mm的AAFA混凝土在室溫下固化后的干縮應(yīng)變，結(jié)果表明，前者的干縮應(yīng)變跟同一強(qiáng)度等級(jí)的OPC混凝土基本相同。由于高水膠比、高含水率和高細(xì)骨料含量“三高”的影響，后者的干縮應(yīng)變較高，但其在56 d時(shí)的干縮應(yīng)變依然小于1 000 με。此外，如文獻(xiàn)[15]所示，摻入適量硅灰可將粉煤灰基地聚物混凝土的干縮應(yīng)變從原來的159 με減小為140 με，這初步說明硅灰對(duì)控制粉煤灰基地聚物混凝土的干縮應(yīng)變是有利的。

表1 不同前驅(qū)體材料制備的地聚物混凝土的收縮特性Table 1 Shrinkage of geopolymer concrete prepared from different precursor materials

1)此處為1年的干縮應(yīng)變;2)RH為相對(duì)濕度。

由上述分析可見，F(xiàn)類粉煤灰地聚物混凝土的干縮應(yīng)變與普通硅酸鹽水泥混凝土相當(dāng)，甚至更小。由于含鈣量較高，C類粉煤灰地聚物的干縮應(yīng)變較大，且遠(yuǎn)大于普通混凝土的干縮應(yīng)變。與普通混凝土相似，較高的水膠比和含水率將大大增加地聚物混凝土的干縮應(yīng)變。

1.1.2 養(yǎng)護(hù)制度的影響

典型養(yǎng)護(hù)制度下AAFA混凝土的干縮應(yīng)變?nèi)绫?所示。Chi等[16]指出，在相同養(yǎng)護(hù)時(shí)長(zhǎng)的前提下，養(yǎng)護(hù)溫度越高，AAFA砂漿的干縮應(yīng)變?cè)酱?。AAFA在60 ℃下干固化或者蒸汽固化24 h后1年期的干縮應(yīng)變?cè)?00 με左右。同樣，具有高含量再生細(xì)骨料(RFA)的AAFA砂漿[17]的干縮應(yīng)變也隨著固化溫度的升高而增大。不同熱固化類型獲得的不同強(qiáng)度等級(jí)的AAFA混凝土的干縮應(yīng)變沒有顯著差異[18]。Sagoe-Crentsil等[19]在長(zhǎng)達(dá)1年的研究中發(fā)現(xiàn)，AAFA混凝土的干縮應(yīng)變均小于同等級(jí)的OPC混凝土。蒸汽固化(23 ℃和100%的RH)的AAFA混凝土的干縮應(yīng)變約為350 με，低于OPC混凝土(約為500 με)。這歸因于AAFA基體中不連通的毛細(xì)管網(wǎng)分布和早期強(qiáng)度發(fā)展。

Wallah等[20]測(cè)得的熱固化AAFA混凝土在1年期的干縮應(yīng)變約為100 με(23 ℃，RH為40%～60%)，室溫固化試樣3個(gè)月后的干縮應(yīng)變約為1 300 με。這個(gè)數(shù)值比熱固化后的試件大得多，且大部分發(fā)生在前幾周。無獨(dú)有偶，Tempest[21]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)48 h熱處理的地聚物混凝土的干縮應(yīng)變(約120 με)明顯低于室溫固化的。Fernández-Jiménez等[22]測(cè)得在85 ℃中固化20 h后的AAFA混凝土的干縮應(yīng)變終值約為200 με(21 ℃，RH：50%)。雖然室溫固化導(dǎo)致干縮增大，但這種固化條件導(dǎo)致粉煤灰的反應(yīng)程度較低。Ma[23]發(fā)現(xiàn)，室溫固化的AAFA具有較低的自收縮。

表2 不同養(yǎng)護(hù)條件對(duì)AAFA收縮的影響Table 2 Effect of different curing conditions on drying shrinkage of AAFA

如表3和圖1所示，Hojati等[24]指出，在低于85%的RH下，AAFA才會(huì)發(fā)生干縮。與同等孔隙率的OPC相比，在85%～70% 的RH下，AAFA的干燥速率快，且干縮應(yīng)變也更低，在試驗(yàn)中后期，AAFA基體中的孔隙率也更低。而在小于80%的RH時(shí)，AAFA與OPC的干縮速率-時(shí)間曲線基本相同。

表3 AAFA和OPC的配合比方案和養(yǎng)護(hù)制度[24]Table 3 AAFA and OPC mix ratio scheme and curing system

可見，固化溫度和時(shí)長(zhǎng)對(duì)地聚物混凝土的干縮具有顯著的影響。養(yǎng)護(hù)濕度條件和地聚物混凝土的強(qiáng)度等級(jí)對(duì)其干縮影響很小，這與普通混凝土的干縮特性完全不同。室溫固化的粉煤灰地聚物混凝土的干縮遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通混凝土，這可能是由室溫下粉煤灰的反應(yīng)程度低、自由水含量高導(dǎo)致的。相較于85 ℃，在65 ℃的固化條件可以更有效降低地聚物混凝土的干縮，這一反常結(jié)果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，固化時(shí)長(zhǎng)的增加可以促進(jìn)地聚物的反應(yīng)程度，降低基體材料的孔隙率，進(jìn)而降低地聚物的干縮，這與普通混凝土極為相似。

1.1.3 堿性激發(fā)劑濃度的影響

如圖2所示，有學(xué)者研究了激發(fā)劑濃度對(duì)AAFA干縮的影響[25]，結(jié)果表明降低激發(fā)劑中的NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，高鈣AAFA的干縮應(yīng)變明顯變小了。而Na2SiO3/NaOH質(zhì)量比對(duì)AAFA的影響較為復(fù)雜，在質(zhì)量比為0.5或1.0時(shí)制備的AAFA的干縮應(yīng)變相對(duì)最小。Darshan等[26]指出，激發(fā)劑中Na2O含量和SiO2模數(shù)越大，高鈣AAFA砂漿的干縮應(yīng)變也越大，且明顯高于OPC砂漿。Ling等[27]進(jìn)行的基于高鈣AAFA的約束收縮試驗(yàn)表明，AAFA漿料的干縮應(yīng)變隨激發(fā)劑模數(shù)和濃度的增加而增加，AAFA混凝土的開裂傾向小于OPC混凝土，OPC混凝土的收縮雖然不大，卻先開裂。

由上述分析可見，較高的鈣和鈉含量均會(huì)增大地聚物的收縮，最終導(dǎo)致AAFA混凝土的干縮大于普通混凝土。然而，AAFA在約束收縮時(shí)出現(xiàn)裂縫的時(shí)間更晚，這可能是由AAFA中水化硅鋁酸鈉(N-A-S-H)的蠕變模量較普通混凝土中的水化硅酸鈣(C-S-H)低導(dǎo)致的。

1.1.4 AAFA的收縮機(jī)理和改善措施

Wallah[18]指出常溫固化的AAFA混凝土的孔隙體積較大，且在化學(xué)反應(yīng)過程中釋放的水在隨后一段時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)，引起了顯著的干縮應(yīng)變，特別是在最初的兩周內(nèi)。這很好地解釋了文獻(xiàn)[28]中所述AAFA混凝土中出現(xiàn)了較大的早期收縮應(yīng)變。Ridtirud等[29]指出液灰比和Na2O的增加或固化溫度的降低均可顯著增大AAFA的收縮，這與地聚物的低強(qiáng)度發(fā)展有關(guān)。此外，Gunasekera等[12]認(rèn)為孔徑為50 nm～1 μm范圍內(nèi)的硅鋁酸鹽凝膠基質(zhì)的均勻度和致密度決定了AAFA混凝土的干縮程度。

Ma等[30]指出，與水泥漿相比，AAFA漿料的自收縮機(jī)理是不同的。AAFA的自收縮不是由水泥漿中眾所周知的自干燥過程引起的，而是與硅鋁酸鹽凝膠結(jié)構(gòu)的連續(xù)重組和聚合有關(guān)。具有更細(xì)孔徑分布的AAFA樣品表現(xiàn)出更大的自生應(yīng)變。在AAFA砂漿中，干縮越大的質(zhì)量損失反而越小，這與OPC砂漿完全相反。這意味著質(zhì)量損失不是AAFA砂漿高收縮的唯一因素。事實(shí)上，相對(duì)于OPC砂漿，AAFA砂漿中孔隙溶液的表面張力更大，孔隙尺寸分布更細(xì)，毛細(xì)管應(yīng)力更顯著。

試驗(yàn)證明，高溫固化或延長(zhǎng)AAFA的固化時(shí)間可有效減輕干縮，這可能是由于地聚物孔隙細(xì)化，孔隙率降低，抗壓強(qiáng)度增大導(dǎo)致的[31- 32]，這種效應(yīng)與OPC混凝土相似。在AAFA中摻入纖維可以有效減輕地聚物的收縮，其中聚丙烯(PP)纖維比聚烯烴(PO)纖維[26]更為有效，長(zhǎng)纖維比短纖維效果更顯著[31]，這主要取決于纖維的摻量、彈性模量和纖維-基體界面的粘結(jié)。除此之外，由于玄武巖纖維具較高的鈣含量，它有利于水化硅酸鈣(C-S-H)、水化硅鋁酸鈣(C-A-S-H)與水化硅鋁酸鈉(N-A-S-H)的合成，并引起孔隙網(wǎng)絡(luò)的細(xì)化，進(jìn)而降低了AAFA的干縮[33]。再者，有文獻(xiàn)研究表明，納米TiO2[34]、氧化鈣(CaO)和生物燃燒灰(BFA)[35]、減縮劑(SRA)均可有效降低AAFA的干縮。添加氧化鋁和硅灰石填料還可以減少AAFA的熱收縮[36]。

1.2 礦渣地聚物的收縮

1.2.1 AAS收縮的影響因素

大量文獻(xiàn)研究表明，與OPC相比，硅酸鈉活化的礦渣地聚物(AAS)具有更高的強(qiáng)度、更低的孔隙率和水化熱，但干縮率卻變大了，AAS的干縮應(yīng)變比OPC的收縮高6倍左右[37- 41]。通常，激發(fā)劑的種類和劑量對(duì)AAS的干縮有一定影響。如圖3所示，隨著激發(fā)劑中Na2O濃度的增加，AAS的干縮率也增加。當(dāng)Na2SiO3中Na2O的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為2.5%、3.5%和4.5%(即圖3中2NS、3NS和4NS)時(shí)，AAS砂漿在7 d的干縮應(yīng)變分別為1 249.9 με、4 804.8 με和8 206.2 με。AAS的干縮和自收縮都很高。大部分的干燥發(fā)生在早期(前7 d)，且逐步干燥比直接干縮得更多[42]。

隨著激發(fā)劑用量的增加，自收縮也變大，這是由于激發(fā)劑的增多導(dǎo)致水合程度增加、總孔隙率降低和孔徑細(xì)化，因此，自干燥導(dǎo)致非常高的化學(xué)收縮和高毛細(xì)管壓力。在這種情況下，即使與OPC的孔隙率相當(dāng)，AAS的自干燥也可能會(huì)更厲害。

圖3 AAS砂漿的干縮應(yīng)變[39]Fig.3 Drying shrinkage of AAS mortars

Hu等[43]進(jìn)一步指出，隨著液態(tài)硅酸鈉模數(shù)從0增加到0.5，AAS砂漿的自收縮增大，模數(shù)超過1.5后，自收縮反而減小，這與內(nèi)部相對(duì)濕度和孔隙溶液表面張力的變化趨勢(shì)相似。

此外，Jiao等[44]研究了用Na2CO3和NaOH激發(fā)礦渣地聚物的干縮，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，隨著Na2CO3與NaOH物質(zhì)的量比的增加，AAS漿料的干縮應(yīng)變?cè)黾?。干縮應(yīng)變與砂漿的中孔(孔徑為2.5～50 nm)體積呈正相關(guān)[45]。

由上述分析可見，鈉含量的增加會(huì)導(dǎo)致AAS混凝土的干縮應(yīng)變快速增加，而AAS混凝土早期劇烈的水化反應(yīng)也致使其自收縮迅速發(fā)展。盡管AAS具有優(yōu)越的力學(xué)性能，但AAS混凝土的干縮和自收縮程度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通混凝土，這嚴(yán)重限制了它的推廣應(yīng)用。

1.2.2 AAS收縮的機(jī)理

OPC和AAS收縮的原因和機(jī)理是相同的，但砂漿的內(nèi)部相對(duì)濕度和孔隙溶液的表面張力等影響參數(shù)是顯著不同的。AAS中，反應(yīng)產(chǎn)物的空間分布比普通硅酸鹽水泥基體系的更均勻，平均孔徑也更小。激發(fā)劑中較高的Na2O含量和SiO2模量增加了反應(yīng)程度和孔溶液的表面張力，而基體內(nèi)部相對(duì)濕度降低，致使毛細(xì)管應(yīng)力約為OPC砂漿的4倍，這很好地解釋了為什么AAS收縮比OPC的大[46]。Melo和Collins等[39- 40]指出，在相對(duì)濕度大于50%時(shí)，AAS收縮的主要驅(qū)動(dòng)力是毛細(xì)管壓力。Ye等[47]認(rèn)為AAS的高收縮是由于C-A-S-H的徐變模量較低及C-A-S-H中堿金屬陽離子的加入，后者降低了C-A-S-H層的堆積規(guī)律性并使C-A-S-H在干燥時(shí)更容易塌陷和重新分布。

由此可知，相較于OPC，AAS的高收縮一方面是由于AAS具有更加細(xì)化的孔隙結(jié)構(gòu)孔溶液的表面張力，另一方面是由于AAS中膠凝材料的低徐變模量和結(jié)構(gòu)性缺陷。

1.2.3 AAS收縮的改善措施

根據(jù)AAS的收縮機(jī)理，有4種降低AAS干縮的方法：①早期膨脹反應(yīng)；②高溫處理；③減小收縮驅(qū)動(dòng)力的影響；④內(nèi)部固化。例如，AAS的化學(xué)收縮約為硅酸鹽水泥的兩倍，并隨激發(fā)劑模量和pH值的增加而增大，這可能是由于膨脹晶相，如鈣礬石和氫氧鈣石的形成有限。Ye等[48]給出了AAS化學(xué)收縮與pH值和模數(shù)的量化關(guān)系。針對(duì)AAS的早期收縮應(yīng)變，Thomas等[28]指出固化較長(zhǎng)時(shí)間或在高溫下可以有效減輕收縮，這歸因于總孔隙率的降低，說明在干燥條件下AAC較大的干縮主要是由于延遲的產(chǎn)物形成和微結(jié)構(gòu)發(fā)展。適量加入減縮混合物(SRA)可以將孔隙溶液的表面張力降低一半，從而使AAS的干縮應(yīng)變也降低一半[49]。減縮劑(SRA)的添加大大粗化了AAS中的孔結(jié)構(gòu)，顯著增加了臨界孔徑d0值，導(dǎo)致干縮減輕。摻入6%的石膏[49]或納米TiO2[50]都能降低AAS的干縮，前者由于AFt和AFm相的補(bǔ)償效應(yīng)，而后者由于納米TiO2的添加，造成AAS中的1.25～25 nm孔徑的孔隙率顯著降低。中等反應(yīng)性的MgO幾乎不影響收縮，添加高于5%的高反應(yīng)性MgO顯著降低了AAS的干縮應(yīng)變，但干燥條件下依然會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的微裂紋[38]。CSAE(硫鋁酸鈣型膨脹劑)、CE(CaO型膨脹劑)可降低干縮應(yīng)變，其中CE在干縮控制方面效果更好[51]。改善固化條件對(duì)降低AAS的干縮也有明顯的效果。其中，高溫固化[47]<高溫水和CO2固化<水固化<空氣固化。相同固化條件下，強(qiáng)度等級(jí)為C50的AAS顯示出比C30的干縮應(yīng)變更低[52]。使用飽和的細(xì)頁巖輕質(zhì)骨料在降低AASM自收縮方面非常有效[38]?；谘趸┐嫉腟RA可以顯著降低AAS砂漿的自生和干縮，而MgO膨脹劑相對(duì)不太有效[43]。

此外，Ye等[47]評(píng)價(jià)了高溫固化、硫酸鹽富集、鈣富集對(duì)堿激發(fā)礦渣(AAS)減縮的效果。結(jié)果表明，高溫固化可以通過增強(qiáng)和穩(wěn)定C-A-S-H納米粒子之間的結(jié)合顯著降低AAS的收縮。然而，通過早期膨脹反應(yīng)減緩收縮效果較差，因?yàn)锳AS干縮的主要原因是C-A-S-H的長(zhǎng)期黏彈/黏塑性變形。Li等[53]還嘗試研究了偏高嶺土(MK)對(duì)AAS漿料自收縮的改善作用，結(jié)果表明，添加MK阻礙了化學(xué)收縮的發(fā)展和孔結(jié)構(gòu)的細(xì)化，自干燥過程和漿料中產(chǎn)生的孔隙壓力顯著減小。

1.3 二元地聚物的收縮

1.3.1 粉煤灰-礦渣地聚物的收縮

Lee等[54]發(fā)現(xiàn)在0～30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))范圍內(nèi)增加粉煤灰-礦渣地聚物(AFS)中的礦渣組分導(dǎo)致更密實(shí)的基質(zhì)，但是自收縮[55]和干縮均變大，且AFS的干縮應(yīng)變高于OPC水泥[56]。AFS漿料在初凝前的自收縮主要?dú)w因于化學(xué)收縮引起的體積收縮，這種現(xiàn)象與OPC體系中的發(fā)現(xiàn)一致。根據(jù)Li等[57]的研究，AFS混凝土(粉煤灰∶礦渣質(zhì)量比為1∶1)在1 d齡期開始干燥，則AFS的干縮應(yīng)變遠(yuǎn)高于OPC的。如果AFS混凝土在干燥前于密封條件下儲(chǔ)存28 d，則隨后的AFS和OPC的干縮幅度是相當(dāng)?shù)摹６?dāng)AFS混凝土中粉煤灰∶礦渣質(zhì)量比為2∶1時(shí)，在6個(gè)月后的干縮很小，且遠(yuǎn)低于OPC混凝土的報(bào)道值[58]。

由此可見，礦渣含量對(duì)AFS的收縮率有顯著的影響：AFS的早齡期收縮較大，在礦渣含量低于30%時(shí)，AFS可獲得與OPC水泥相當(dāng)?shù)幕蛘吒偷氖湛s率。利用粉煤灰和適量的礦渣制備的地聚物混凝土既可以滿足強(qiáng)度的要求，又可以較好地控制其收縮率，是一種前景廣闊的建筑材料。

1.3.2 粉煤灰-礦渣地聚物的收縮機(jī)理和改善措施

1.3.3 其他典型二元地聚物的收縮

Chang等[72]用偏高嶺土替代30%的礦渣，發(fā)現(xiàn)地聚物砂漿在50%的RH(25±2 ℃)條件下28 d齡期的干縮應(yīng)變?cè)?50～760 με之間，在70%的RH下降至270～340 με。但取代率為70%時(shí)，干縮反而增大。

Yang等[73]指出，用0～30%的粉煤灰取代偏高嶺土降低了前驅(qū)體的平均反應(yīng)性，導(dǎo)致偏高嶺土-粉煤灰地聚物聚合階段時(shí)間延長(zhǎng)。這促進(jìn)了凝膠的致密化，形成了更緊湊的N-A-S-H凝膠相。雖然此過程增加了自收縮，但也限制了水分從孔隙網(wǎng)絡(luò)中蒸發(fā)，導(dǎo)致干縮應(yīng)變減小。后者在偏高嶺土地聚物中起主導(dǎo)作用。

還有一些其他二元地聚物的收縮特性被研究。如，Yusuf等[74]研究了磨碎的鋼渣(GSS)與超細(xì)棕櫚油燃料灰(UPOFA)組合的堿性活化粘合劑(AAGU)的干縮，結(jié)果表明，鋼渣組分具有較大的孔體積，它提供的Ca2+增強(qiáng)了基體骨架網(wǎng)絡(luò)(C-(A)-S-H)的體積模量，改善了微觀結(jié)構(gòu)密度和強(qiáng)度，降低了AAGU的干縮率。而采用低NaOH/Na2SiO3質(zhì)量比對(duì)降低AAGU的干縮率有利[75]。

相較于粉煤灰地聚物而言，偏高嶺土地聚物的干縮率較大，并且在改善礦渣地聚物的收縮率方面相對(duì)乏力；降低鈉含量可以降低AAGU的干縮率。綜合前文可見，在地聚物混凝土中嚴(yán)格控制鈉含量對(duì)減小收縮具有顯著意義。

1.4 其他地聚物的收縮

Matalkah等[76]的研究表明，堿活化粉煤灰-礦渣-鈉長(zhǎng)石地聚物(AAC)的干縮率為OPC的兩倍，但添加2.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硅灰能使AAC水泥的干縮顯著降低，并與OPC水泥相當(dāng)。Nguyen等[77]指出，減縮混合物(SRA)可以在不降低地聚物砂漿強(qiáng)度的情況下減輕地聚物砂漿的收縮，并隨著摻量增加效果越來越好。

Kani等[78]研究了天然火山灰地聚物粘結(jié)劑，發(fā)現(xiàn)聚合反應(yīng)導(dǎo)致了較大的體積收縮。收縮性能受化學(xué)成分和固化條件的影響較大，其中Si/Na物質(zhì)的量比為影響最顯著的化學(xué)成分因素，潮濕環(huán)境中的水熱養(yǎng)護(hù)能有效地降低收縮。

Kuenzel等[79- 81]研究了MK在室溫下的干縮。結(jié)果表明，地聚物中陽離子的電荷密度、陽離子的總量是MK在室溫下干縮的主要敏感性影響因素；同時(shí)，Vidal等[82]發(fā)現(xiàn)添加鉬酸銨可以控制MK地聚物的縮聚反應(yīng)，并降低其收縮；Xiang等[83]用細(xì)砂替代不同含量的偏高嶺土可以改善偏高嶺土基地聚物灌漿材料(MGGM)的顆粒堆積和致密性，干縮應(yīng)變可降低65%；此外，Li等[84]系統(tǒng)研究了MK的化學(xué)收縮，結(jié)果表明，MK的化學(xué)變形與反應(yīng)過程之間存在明顯的相關(guān)性。MK最初表現(xiàn)為化學(xué)收縮，第2階段為化學(xué)膨脹，最后階段又為化學(xué)收縮，這與只存在單調(diào)化學(xué)收縮的普通硅酸鹽水泥完全不同。

2 徐變性能

通常，徐變與載荷、骨料類型和比率、空氣溫濕度及加載齡期等密切相關(guān)。已發(fā)表的研究表明，地聚物的配合比和固化條件對(duì)徐變的貢獻(xiàn)也是至關(guān)重要的[85]，典型粉煤灰地聚物混凝土的徐變系數(shù)或徐變比的研究結(jié)果匯總于表4。Lee等[86]進(jìn)一步指出液固比的增加導(dǎo)致AAFA混凝土產(chǎn)生更大的徐變，膠/砂比對(duì)AAFA的徐變影響很小。Wallah等[20]采用干燥和蒸汽兩種方式固化AAFA混凝土，按7 d齡期抗壓強(qiáng)度的40%加載，結(jié)果表明，AAFA的徐變比OPC混凝土的小。Sagoe-Crentsil等[87]指出，干燥養(yǎng)護(hù)的AAFA的徐變小于蒸汽養(yǎng)護(hù)的。Wallah[18]研究了抗壓強(qiáng)度為40、47、57 MPa的熱固性GP混凝土的徐變，發(fā)現(xiàn)這3種強(qiáng)度的混凝土的1年期的徐變系數(shù)在0.6～0.7之間，而67 MPa的GP混凝土徐變系數(shù)僅為0.4。地聚物混凝土在14～28 d的強(qiáng)度發(fā)展較低，但徐變隨加載齡期的變化顯著[88]，這一點(diǎn)與OPC混凝土有所不同。Hardjito等[89]也觀察到，中等強(qiáng)度地聚物混凝土的徐變比同等等級(jí)的OPC混凝土低。Hanif等[90]的研究表明，24 h熱處理(60 ℃)粉煤灰地聚物混凝土的徐變率為OPC混凝土的50%。Wallah等[20，91]對(duì)AAFA混凝土進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)1年的徐變性能研究,結(jié)果表明，AAFA混凝土的徐變率較低，約為澳大利亞AS3600—2009標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)中OPC徐變率的50%。

Sagoe-Crentsil等[19]指出，40 MPa級(jí)GP混凝土的基本徐變系數(shù)(0.1)比相應(yīng)的OPC混凝土低40%～60%。Gunasekera等[12]討論了3種不同來源的低鈣粉煤灰地聚物混凝土的徐變發(fā)展,結(jié)果表明，Gladstone和Pt.Augusta地聚物混凝土在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)與OPC混凝土的徐變應(yīng)變基本相當(dāng)。這兩種地聚物混凝土的徐變應(yīng)變?cè)?年后達(dá)到了約700 με，相當(dāng)于OPC混凝土的總徐變應(yīng)變。然而，

表4 典型地聚物的徐變Table 4 Creep of typical geopolymer

Tarong地聚物混凝土的徐變應(yīng)變?cè)?年后達(dá)到約1 900 με。筆者發(fā)現(xiàn)，Tarong粉煤灰中的Si/Al質(zhì)量比、Si/Fe質(zhì)量比和Si/Ca質(zhì)量比均遠(yuǎn)大于其他兩種，這可能影響了地聚物的徐變性能，但還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

Noushini等[31]發(fā)現(xiàn)，0.5%的PP和PO纖維增加了AAFA混凝土的抗壓徐變，它的徐變應(yīng)變分別提高了約19%和30%。這可能是由于PP纖維的彈性模量較低，同時(shí)纖維的摻入在地聚物基體中引入了初始缺陷。

由上述分析可見，影響AAFA混凝土徐變的有效參數(shù)與OPC混凝土的基本一致。大部分研究都表明AAFA混凝土的徐變較OPC混凝土要低。但個(gè)別文獻(xiàn)卻獲得了完全相反的結(jié)論，這可能是由于粉煤灰的品質(zhì)和化學(xué)成分差異較大所導(dǎo)致的，這也對(duì)地聚物混凝土徐變機(jī)理的研究提出了更高的要求。

此外，Ma等[93]指出密封和未密封條件下的AAS混凝土的徐變系數(shù)均高于OPC混凝土的徐變系數(shù)，文獻(xiàn)[94]也獲得了相同的結(jié)論。盡管AAS混凝土中的C-S-H膠凝比OPC混凝土的結(jié)晶級(jí)更高(這可能會(huì)降低AAS混凝土的徐變)，但它的低Ca/Si物質(zhì)的量比又增強(qiáng)了徐變效應(yīng)。從測(cè)試結(jié)果來看，增強(qiáng)效應(yīng)似乎占主導(dǎo)地位[93]。Castel等[60]研究了兩種養(yǎng)護(hù)方式下礦渣-粉煤灰地聚物混凝土試件的徐變,結(jié)果表明，3 d、40 ℃(40 ℃烘箱中保存3 d，下同)和7 d、80 ℃固化試驗(yàn)的早期徐變系數(shù)與Eurocode 2規(guī)范中的預(yù)測(cè)結(jié)果相似，但徐變發(fā)展50 d后，其徐變系數(shù)似乎小于Eurocode 2中的計(jì)算值。這與文獻(xiàn)[18,91]的結(jié)論一致。它還表明添加少量BFS對(duì)AAFA混凝土的徐變影響不大。

眾所周知，混凝土徐變的主要原因之一是C-S-H的徐變，它受Ca/Si物質(zhì)的量比的影響。在文獻(xiàn)[95]和[96]中，通過納米/微孔試驗(yàn)獲知混凝土的徐變隨C-S-H的接觸徐變模量的減小而增大。有學(xué)者[97- 98]采用納米壓痕技術(shù)對(duì)Ca/Si物質(zhì)的量比在0.6～1.5范圍合成的C-S-H的接觸徐變模量進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，Ca/Si物質(zhì)的量比越低，C-S-H的接觸徐變模量越低。Chen等[99]采用納米壓痕技術(shù)研究了偏高嶺土基地聚物(MKGS)粘合劑的徐變行為，結(jié)果表明，通過優(yōu)化Si/Al物質(zhì)的量比降低平均孔徑時(shí)，雖然孔隙率幾乎不變，但楊氏模量和徐變模量增加。特別地，當(dāng)Si/Al物質(zhì)的量比接近1.0時(shí)，存在沸石相；而當(dāng)Si/Al物質(zhì)的量比接近2.2時(shí)，存在大量殘留的偏高嶺土顆粒，這些微觀結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致粘合劑的孔徑增加，徐變模量降低。

鑒于對(duì)地聚物混凝土徐變的研究文獻(xiàn)較少，要客觀地評(píng)價(jià)地聚物徐變的發(fā)展規(guī)律、機(jī)理和控制方法，還有很多基礎(chǔ)研究需要去做。

3 結(jié)語

基于對(duì)文獻(xiàn)的梳理和歸納，主要可以得出如下結(jié)論：

(1)粉煤灰來源、配合比和養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)AAFA的收縮有顯著的影響。大部分情況下，AAFA體系的干縮比OPC的?。幌鄬?duì)于高溫養(yǎng)護(hù)，室溫養(yǎng)護(hù)下的AAFA干縮較大，但自收縮較低；AAFA在低于85%的RH時(shí)才會(huì)發(fā)生干縮，且AAFA干縮收斂速率較OPC快；高鈣粉煤灰制備的地聚物的干縮大于OPC，但開裂較遲；隨著水膠比和激發(fā)劑濃度的增加，干縮也增大。

(2)AAFA的干縮與孔隙率、50 nm～1 μm孔徑的均勻性及試件強(qiáng)度發(fā)展有關(guān)，但與試件質(zhì)量損失的相關(guān)性較低。高溫固化、延長(zhǎng)固化時(shí)長(zhǎng)或摻入彈模較高的玄武巖纖維、納米TiO2及減縮劑等均可以降低AAFA的干縮。

(3)與OPC混凝土相比，AAS混凝土具有更大的干縮和自收縮，這是AAS基體中孔隙細(xì)化、內(nèi)部相對(duì)濕度較低、孔隙溶液表面張力較大的緣故。高溫固化，添加適量的減縮劑、石膏、納米SiO2、高反應(yīng)性MgO、膨脹劑均可以有效降低AAS的干縮；添加MK和飽和的細(xì)頁巖輕質(zhì)骨料等還可以降低AAS的自收縮。

(4)當(dāng)?shù)V渣占比低于20%時(shí)，礦渣-粉煤灰地聚物(AFS)的收縮較小;但摻量超過50%時(shí)，自收縮和干燥收縮均較大。降低礦渣組分和激發(fā)劑模數(shù)，提高養(yǎng)護(hù)溫度，摻入CaSiO4、細(xì)石灰粉及玻璃纖維等可降低AFS的干縮；此外，使用較高pH值的硅酸鈉激發(fā)劑可以減輕AFS的干縮，但化學(xué)收縮卻增大了。

(5)AAFA混凝土的徐變較OPC混凝土小，但其值可能受粉煤灰的化學(xué)成分影響較大。干燥養(yǎng)護(hù)要優(yōu)于蒸汽養(yǎng)護(hù)。加入少量礦渣對(duì)AAFA混凝土的徐變影響不大，添加彈性模量較低的纖維可能導(dǎo)致AAFA混凝土的徐變顯著增加；納米壓痕技術(shù)可以正確評(píng)價(jià)地聚物混凝土的徐變；混凝土的徐變隨著C-S-H的接觸模量的減小而增大。

從整理的文獻(xiàn)資料來看，粉煤灰-礦渣地聚物混凝土同時(shí)具備優(yōu)良的力學(xué)性能和收縮徐變特性，是一種很有潛力的建筑材料。今后應(yīng)該進(jìn)一步研究其約束收縮，以評(píng)價(jià)其開裂性能。地聚物的收縮已經(jīng)積累了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，下一步應(yīng)該修正OPC混凝土的收縮發(fā)展函數(shù)或者建立新的收縮模型，以簡(jiǎn)便地描述地聚物混凝土的收縮發(fā)展，便于工程應(yīng)用。地聚物混凝土的徐變研究尚不充分，根據(jù)我國(guó)國(guó)情，應(yīng)該著重研究粉煤灰和礦渣基地聚物混凝土的徐變，以充分掌握這種新型建筑材料的徐變特性、機(jī)理和控制方法。