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(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430065；2.武漢科技大學(xué) 高性能工程結(jié)構(gòu)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(chǎn)能耗高、環(huán)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(yè)廢棄物為原料，通過堿激發(fā)劑激發(fā)而成，在未使用水泥情況下，具有力學(xué)性能優(yōu)異、抗高溫、耐腐蝕及良好的抗?jié)B性等優(yōu)點，且制備工藝簡單，生產(chǎn)能耗很低，可減少60%～80%的CO2排放量[3-4]，被譽為21世紀(jì)蘊藏巨大發(fā)展?jié)摿Φ南冗M(jìn)綠色建筑材料。

高性能混凝土(High performance concrete)是一種新型高技術(shù)混凝土，采用常規(guī)材料和工藝生產(chǎn)，各項力學(xué)性能均滿足混凝土結(jié)構(gòu)要求，且兼具高耐久性、高工作性和高體積穩(wěn)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(yīng)用于實際工程中，朝高性能方面發(fā)展是現(xiàn)今亟需研究的前沿領(lǐng)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(yōu)化。同時，對鋼纖維增強地聚物混凝土基本力學(xué)性能進(jìn)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(dá)114.4 MPa，基本滿足高性能混凝土對力學(xué)性能方面的要求。同時，地聚物膠凝材料具有穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀類沸石結(jié)構(gòu)[12-13]，使地聚物混凝土在熱穩(wěn)定性方面表現(xiàn)優(yōu)異，并且Okoye等[14]研究發(fā)現(xiàn)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(jìn)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(xué)性能優(yōu)異，基本達(dá)到高性能混凝土的要求。

收縮性能是混凝土體積穩(wěn)定性的重要特性[16]之一，與混凝土強度、裂縫的產(chǎn)生和擴展，甚至是耐久性[17-19]密切相關(guān)。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(dǎo)致的混凝土開裂風(fēng)險也顯著增加。研究表明，地聚物混凝土早期收縮大，且現(xiàn)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(guān)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(guī)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(yīng)用于土木建筑領(lǐng)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(yīng)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(jìn)行早期收縮測試，分析了硅灰摻量、水玻璃模數(shù)和鋼纖維摻量對早期收縮性能的影響機制，進(jìn)一步得出早期收縮規(guī)律，并驗證了現(xiàn)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(dá)礦產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的運達(dá)牌S95一級?；郀t礦渣粉；粉煤灰采用河南鄭州德商貿(mào)有限公司生產(chǎn)的侯剛牌一級粉煤灰；硅灰采用河北靈壽縣展騰礦產(chǎn)品實力供應(yīng)商生產(chǎn)的展騰牌GH-J7Y5一級微硅粉。

細(xì)骨料采用天然河砂，堆積密度1 560 kg·m-3，細(xì)度模數(shù)為2.68。

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

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

水玻璃采用安徽蚌埠精誠化工有限責(zé)任公司生產(chǎn)的精誠牌101工業(yè)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(biāo)見表2。

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

堿采用江蘇艾康生物醫(yī)藥研發(fā)有限公司生產(chǎn)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(tài)晶體。

1.2 配合比

參考文獻(xiàn)[23]，經(jīng)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(nèi)外學(xué)者研究超高性能地聚物混凝土現(xiàn)狀及相關(guān)規(guī)范要求，硅灰質(zhì)量摻量采用4種水平：5wt%、10wt%、15wt%和20wt%；水玻璃模數(shù)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(shù)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(zhì)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(guī)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(nèi)，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(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)成型，養(yǎng)護(hù)(24±2) h后拆模，之后在溫度為(20±1)℃水箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)48 h。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，干燥收縮試件存放在溫度為(20±3)℃、相對濕度為50%±4%養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，自收縮試件采用工業(yè)薄膜進(jìn)行包裹密封后存放在普通養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)。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(guī)范《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2019)[25]制作邊長為100 mm的立方體試件，標(biāo)養(yǎng)28天后參照此規(guī)范進(jìn)行抗壓強度測試，用于評價早期收縮試件的抗壓強度指標(biāo)。

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(guī)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(chǎn)的BC-300型水泥膠砂比長儀進(jìn)行測試。測試前，利用校正桿對儀器進(jìn)行校正處理，準(zhǔn)確無誤后，對早期干燥收縮和自收縮試件逐一測定讀數(shù)，測完讀數(shù)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(shù)。測定讀數(shù)時，試件在比長儀中的上、下位置應(yīng)時刻保持一致，且讀數(shù)時應(yīng)左右旋轉(zhuǎn)試件，確保試件釘頭與比長儀正確接觸，讀數(shù)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(jié)果如圖3所示?？芍S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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(xiàn)[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(nèi)部孔隙，提升混凝土密實度，進(jìn)而降低混凝土內(nèi)水分遷移的速度，減少水分蒸發(fā)，最終導(dǎo)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(xiàn)[27]可知，隨硅灰摻量進(jìn)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(tài)為球狀，具有填充、“滾珠”和火山灰活性，硅灰與砂漿內(nèi)水分反應(yīng)生成的大量化合物會填充混凝土內(nèi)部孔隙，并且在堿性環(huán)境下，與粉煤灰水解產(chǎn)生的Ca+發(fā)生水化反應(yīng)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(jìn)行了優(yōu)化，降低了孔隙率，顯著細(xì)化了高性能地聚物混凝土孔結(jié)構(gòu)。依據(jù)Kelvin定律及Yang-Laplace方程[28]可知，當(dāng)混凝土體系內(nèi)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(xì)孔被液相慢慢填滿，半徑＞r0的毛細(xì)孔則被氣相填充。在半徑=r0的毛細(xì)孔中，由于毛細(xì)孔彎液面存在使液相和氣相交界處存在一定壓力差，進(jìn)而對毛細(xì)管壁產(chǎn)生向內(nèi)的拉應(yīng)力，且隨毛細(xì)管內(nèi)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(nèi)部孔隙及C-S-H凝膠對孔徑的優(yōu)化作用，使孔結(jié)構(gòu)得以顯著細(xì)化，r0減小速度也顯著加快，促使水分向更微小孔隙內(nèi)部重分布，加速后期r0的減小，進(jìn)而導(dǎo)致毛細(xì)壓力和內(nèi)應(yīng)力不斷增大。此外，依據(jù)Laplace 方程[29]可知，當(dāng)半徑r0固定不變時，毛細(xì)壓力和毛細(xì)管張力呈正相關(guān)，為使彎液面處于平衡狀態(tài)，毛細(xì)管張力不斷增加并作用于毛細(xì)孔壁引發(fā)混凝土產(chǎn)生干燥收縮，最終導(dǎo)致高性能地聚物混凝土干燥收縮增大。參考文獻(xiàn)[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(huán)境下，與粉煤灰水解產(chǎn)生的Ca+發(fā)生水化反應(yīng)生成C-S-H凝膠，進(jìn)而填充高性能地聚物混凝土內(nèi)部孔隙，細(xì)化孔結(jié)構(gòu)，且硅灰水化反應(yīng)較劇烈，加速消耗混凝土內(nèi)大量水分，這對于干燥收縮的降低非常不利，最終導(dǎo)致高性能地聚物混凝土干燥收縮增大。

參考文獻(xiàn)[27]可知，硅灰火山灰活性較強，水化反應(yīng)過程中消耗水分可顯著增大混凝土漿體內(nèi)自干燥作用，且摻加硅灰可細(xì)化混凝土基體內(nèi)孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增大毛細(xì)壓力和內(nèi)應(yīng)力，這對于自收縮的降低非常不利，最終導(dǎo)致高性能地聚物混凝土自收縮逐漸增大。Mazloom 等[33]研究也發(fā)現(xiàn)，相對于未摻加硅灰的基準(zhǔn)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(jié)果。參考文獻(xiàn)[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(xì)化孔結(jié)構(gòu)，增加小孔數(shù)量，增大自收縮；(2) 堿性環(huán)境下，高活性硅灰與粉煤灰水解產(chǎn)生的Ca+發(fā)生水化反應(yīng)生成C-SH凝膠，C-S-H凝膠附著于孔隙內(nèi)會細(xì)化孔結(jié)構(gòu)，增大自收縮；(3) 硅灰與水反應(yīng)會消耗部分混凝土漿體內(nèi)水分，進(jìn)而降低混凝土基體IRH，強化自干燥，最終導(dǎo)致自收縮增大。隨硅灰摻量的不斷增加，硅灰填充細(xì)化孔結(jié)構(gòu)的效果逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，粉煤灰水解產(chǎn)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(jié)構(gòu)細(xì)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(shù)

水玻璃模數(shù)對高性能地聚物混凝土早期收縮性能影響結(jié)果如圖4所示?？芍?，隨水玻璃模數(shù)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(dāng)水玻璃模數(shù)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(dāng)水玻璃模數(shù)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(dāng)水玻璃模數(shù)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(shù)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(xiàn)[36]可知，水玻璃模數(shù)會影響堿激發(fā)復(fù)合前體材料的水化程度及孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)一步影響堿激發(fā)復(fù)合前體材料中水的移動，且增大水玻璃模數(shù)會導(dǎo)致混凝土毛細(xì)孔隙率增加，進(jìn)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(shù)增加，高性能地聚物混凝土毛細(xì)孔隙率逐漸增加，混凝土基體內(nèi)水分移動的路徑也逐漸增多，進(jìn)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(shù)進(jìn)一步增大，高性能地聚物混凝土毛細(xì)孔隙率不斷增加，混凝土基體內(nèi)水分移動的路徑也顯著增多，不斷增加的毛細(xì)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(yuǎn)小于毛細(xì)孔隙率增多致使體系水分大量散失的負(fù)面影響，且水分大量散失會導(dǎo)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(dǎo)致高性能地聚物混凝土干燥收縮顯著增大。參考文獻(xiàn)[37]可知，隨水玻璃模數(shù)進(jìn)一步增大，膠凝材料水化產(chǎn)物也逐漸增加，進(jìn)而細(xì)化孔結(jié)構(gòu)，增大了毛細(xì)管力，即增大了收縮的驅(qū)動力；且增大水玻璃模數(shù)，混凝土漿體中氫氧鈣石晶體的數(shù)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(fā)生形變。此外，水玻璃模數(shù)增大，增加了吸附Na+的總量，進(jìn)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(shù)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(shù)由1.2增大至1.4的過渡段，水玻璃模數(shù)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(shù)增大，膠凝材料水化產(chǎn)物顯著增加，混凝土基體孔結(jié)構(gòu)得以更加細(xì)化，混凝土漿體中氫氧鈣石晶體數(shù)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(fā)生較大形變，且吸附Na+總量也不斷增加，導(dǎo)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(xiàn)為水玻璃模數(shù)由1.4增加至1.6的過渡段自收縮斜率更陡峭。

參考文獻(xiàn)[38]可知，在堿性環(huán)境條件下，粉煤灰和礦渣等膠凝材料發(fā)生水化反應(yīng)會生成C-(A-)S-H凝膠。隨水玻璃模數(shù)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(jù)量子化學(xué)從頭算法[39]的計算結(jié)果，Al進(jìn)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(chǎn)生的負(fù)電荷需吸附Na+達(dá)到一定的平衡。因此，隨水玻璃模數(shù)增大，Al/Si原子比的提高也會增加吸附Na+的量，進(jìn)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(jìn)而致使C-(A-)S-H密實度增加，最終導(dǎo)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(yīng)過程中，Ca2+與堿金屬陽離子同時競爭補償硅鏈去質(zhì)子化羥基上的負(fù)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(yōu)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(shù)增大，膠凝材料發(fā)生水化反應(yīng)生成的C-(A-)S-H等水化產(chǎn)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(jìn)而致使C-(A-)S-H密實度增加，最終導(dǎo)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(jié)果如圖5所示。可知，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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(xiàn)[40]可知，收縮通常指混凝土暴露于相對濕度＜100%空氣中發(fā)生的干燥收縮，且產(chǎn)生收縮有一個主要原因，即混凝土內(nèi)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(wǎng)，進(jìn)而對混凝土基體產(chǎn)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(jié)構(gòu)[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(jié)構(gòu)是鋼纖維降低收縮的另一個原因。文獻(xiàn)[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(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯變化，直徑較大的孔隙更多，較大毛細(xì)孔使毛細(xì)孔壓力減小，進(jìn)而減少水分逸出，降低干燥收縮。參考文獻(xiàn)[43]可知，混凝土漿體發(fā)生干燥收縮，纖維受到擠壓并承擔(dān)部分應(yīng)力抵抗干燥收縮。此外，膠凝材料水化產(chǎn)物附著于鋼纖維表面，堿激發(fā)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(jié)界面得以有效加強，提高了鋼纖維和硬化漿體之間的粘結(jié)性能，進(jìn)而有效抑制水分蒸發(fā)引起的毛細(xì)孔張力，最終表現(xiàn)為高性能地聚物混凝土干燥收縮的降低。參考文獻(xiàn)[44]可知，鋼纖維與混凝土基體之間存在的粘結(jié)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(dǎo)致鋼纖維與混凝土基體界面粘結(jié)強度發(fā)生變化，進(jìn)而影響干燥收縮。由圖5可知，當(dāng)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(nèi)部摩擦力增大，進(jìn)而導(dǎo)致拌合物和易性變差，影響試件澆筑時的密實度，增加內(nèi)部初始缺陷，降低鋼纖維與混凝土基體的界面粘結(jié)強度，這對于干燥收縮的抑制不利，最終表現(xiàn)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(xiàn)[44]可知，自收縮主要是由混凝土體系IRH降低，造成孔隙內(nèi)液體表面形成彎液面，同時產(chǎn)生毛細(xì)孔負(fù)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(yīng)的進(jìn)行，混凝土基體內(nèi)部水分迅速消耗，IRH顯著降低。依據(jù)Kelvin定律及Yang-Laplace方程[28]可知，當(dāng)混凝土IRH固定不變時，存在臨界半徑r0，此時半徑＜r0的毛細(xì)孔被液相慢慢填滿，半徑＞r0的毛細(xì)孔則被氣相填充。在半徑=r0的毛細(xì)孔中，由于毛細(xì)孔彎液面存在使液相和氣相交界處存在一定壓力差，進(jìn)而對毛細(xì)管壁產(chǎn)生向內(nèi)的拉應(yīng)力，且隨毛細(xì)管內(nèi)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(jié)構(gòu)得以顯著細(xì)化，r0減小速度也顯著加快，促使水分向更微小孔隙內(nèi)部重分布，加速后期r0的減小和毛細(xì)管負(fù)壓的進(jìn)一步增大，最終導(dǎo)致高性能地聚物混凝土自收縮增加。參考文獻(xiàn)[43]可知，隨鋼纖維摻量進(jìn)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(nèi)部孔隙總體積增加，毛細(xì)孔直徑變大且數(shù)量增多，進(jìn)而減小毛細(xì)孔壓力，降低自收縮。此外，鋼纖維在混凝土內(nèi)部形成均勻分布的亂向三維空間網(wǎng)，進(jìn)而對混凝土基體產(chǎn)生一定的空間約束，提高混凝土均勻性，且混凝土漿體產(chǎn)生自收縮時，纖維受到擠壓并承擔(dān)部分應(yīng)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(xiàn)[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(nèi)部，一定程度上削弱了毛細(xì)孔內(nèi)的收縮應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致自收縮降低；但過量摻加鋼纖維會導(dǎo)致其與混凝土基體接觸面形成大量界面結(jié)構(gòu)，降低鋼纖維與混凝土基體的粘結(jié)性能，最終表現(xiàn)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(guī)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(jié)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(jìn)行分析，結(jié)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(zhuǎn)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(dá)到峰值；

(3) 穩(wěn)定段(III)：干燥收縮量達(dá)到峰值后逐漸趨于平穩(wěn)，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(jié)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(jìn)行分析，結(jié)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(zhuǎn)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(dá)到峰值；

(3) 穩(wěn)定段(III)：自收縮量達(dá)到峰值后逐漸趨于平穩(wěn)，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(xiàn)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(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)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(xué)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(dá)式簡單方便。在預(yù)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(shù)學(xué)模型進(jìn)行試驗研究，并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，由此提出的中國建筑科學(xué)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(xué)研究院收縮模型對高性能地聚物混凝土實測收縮值進(jìn)行預(yù)測，基于此評估現(xiàn)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(xué)研究院收縮模型表達(dá)式如下所示：

GL2000模型：

式中：β(h)為環(huán)境相對濕度對混凝土收縮的影響系數(shù)；β(t)為干燥齡期對混凝土收縮的影響系數(shù)；K為不同水泥品種對混凝土收縮的影響系數(shù)；fcm28為混凝土28天齡期立方體抗壓強度(MPa)；h為環(huán)境相對濕度；V/S為混凝土構(gòu)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(xué)研究院收縮模型：

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

基于抗壓強度實測數(shù)據(jù)，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(jù)試驗條件，參照相關(guān)規(guī)范[48]可知，環(huán)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(jù)上述參數(shù)，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(yù)測曲線。GL2000模型早期干燥收縮預(yù)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(yù)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(yīng)用GL2000模型對高性能地聚物混凝土干燥收縮值進(jìn)行預(yù)測，預(yù)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(shù)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(shù)K獲取適用于預(yù)測高性能地聚物混凝土干燥收縮的預(yù)測曲線，不同水泥品種對混凝土收縮影響系數(shù)K如圖11所示。

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

隨硅灰摻量和水玻璃模數(shù)增加，水泥品種影響系數(shù)K先減小后增大，且均在硅灰摻量和水玻璃模數(shù)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(shù)增加變化規(guī)律一致。水泥品種影響系數(shù)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(guī)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(shù)K獲取適用于預(yù)測高性能地聚物混凝土早期干燥收縮的預(yù)測曲線，且K值隨硅灰摻量、水玻璃模數(shù)和鋼纖維摻量等變量增加變化規(guī)律一致。

依據(jù)試驗條件，參照相關(guān)規(guī)范[51]可知，環(huán)境相對濕度對混凝土收縮影響系數(shù)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(gòu)件截面尺寸對混凝土收縮影響系數(shù)β2取1.2；養(yǎng)護(hù)條件對混凝土收縮影響系數(shù)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(shù)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(shù)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(xué)研究院收縮模型早期干燥收縮預(yù)測曲線。中國建筑科學(xué)研究院收縮模型早期干燥收縮預(yù)測曲線和實測曲線如圖12所示。

圖12 中國建筑科學(xué)研究院(CABR)收縮模型高性能地聚物混凝土早期干燥收縮預(yù)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(yīng)用中國建筑科學(xué)研究院收縮模型對高性能地聚物混凝土干燥收縮值進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測值遠(yuǎn)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(xué)研究院收縮模型是由我國眾多學(xué)者對我國大量混凝土收縮徐變影響因素及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，并基于對應(yīng)試驗數(shù)據(jù)提出的。因此，該收縮模型對原始進(jìn)行回歸分析的大量原始數(shù)據(jù)依賴性較強，且用于回歸分析原始數(shù)據(jù)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(xué)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(yù)測。

綜上所述，現(xiàn)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(xiàn)有干燥收縮模型中收縮隨時間發(fā)展函數(shù)基本為雙曲線函數(shù)，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(fā)展函數(shù)為指數(shù)函數(shù)，較符合高性能地聚物混凝土收縮特性。因此，GL2000模型可較準(zhǔn)確預(yù)測高性能地聚物混凝土早期干燥收縮隨齡期發(fā)展變化規(guī)律。

4 結(jié) 論

(1) 硅灰粒徑較小，可填充高性能地聚物混凝土內(nèi)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(fā)，降低干燥收縮。隨硅灰摻量進(jìn)一步增加，高活性硅灰與粉煤灰水解產(chǎn)生的Ca+發(fā)生水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠，C-S-H凝膠附著于孔隙內(nèi)會細(xì)化孔結(jié)構(gòu)，增大干燥收縮和自收縮，且硅灰與水反應(yīng)會消耗部分混凝土漿體內(nèi)水分，降低混凝土基體內(nèi)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(shù)增大導(dǎo)致混凝土毛細(xì)孔隙率增加，進(jìn)而給體系提供更多的水分，降低干燥收縮。隨水玻璃模數(shù)進(jìn)一步增大，水化產(chǎn)物的增加細(xì)化了孔結(jié)構(gòu)，增大了毛細(xì)管力，且混凝土漿體中氫氧鈣石晶體的數(shù)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(fā)生形變，增大干燥收縮和自收縮。此外，水玻璃模數(shù)增大，增加了吸附Na+的總量，進(jìn)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(shù)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(wǎng)，對混凝土基體產(chǎn)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(jié)構(gòu)，且鋼纖維受收縮應(yīng)力擠壓并承擔(dān)部分應(yīng)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(dǎo)致其與混凝土基體接觸面形成大量界面結(jié)構(gòu)，降低鋼纖維與混凝土基體的粘結(jié)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(dāng)考慮經(jīng)濟(jì)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(yīng)加強早期的保濕養(yǎng)護(hù)，減弱甚至消除早期收縮產(chǎn)生的收縮裂縫對混凝土結(jié)構(gòu)承載力及壽命周期的影響。

(5) 與中國建筑科學(xué)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(zhǔn)確預(yù)測高性能地聚物混凝土早期干燥收縮隨齡期發(fā)展變化規(guī)律。