高性能地聚物混凝土早期收缩特性

万聪聪,姜天华*

（1.武汉科技大学 城市建设学院，武汉 430065；2.武汉科技大学 高性能工程结构研究院，武汉 430065；3.城市更新湖北省工程研究中心，武汉 430065）

普通硅酸盐水泥存在生产能耗高、环境污染大[1-2]等亟待解决的问题。地聚物混凝土(Geopolymer concrete)以矿渣、粉煤灰和偏高岭土等工业废弃物为原料，通过碱激发剂激发而成，在未使用水泥情况下，具有力学性能优异、抗高温、耐腐蚀及良好的抗渗性等优点，且制备工艺简单，生产能耗很低，可减少60%～80%的CO2排放量[3-4]，被誉为21世纪蕴藏巨大发展潜力的先进绿色建筑材料。

高性能混凝土(High performance concrete)是一种新型高技术混凝土，采用常规材料和工艺生产，各项力学性能均满足混凝土结构要求，且兼具高耐久性、高工作性和高体积稳定性。已有研究表明，纤维增强是高性能混凝土的重要特征[5]，且钢纤维是高性能混凝土中普遍使用的一种增强纤维。地聚物混凝土早期强度较高，但存在脆性大、抗拉强度低等[6-8]缺点。为使地聚物混凝土广泛应用于实际工程中，朝高性能方面发展是现今亟需研究的前沿领域。研究表明，钢纤维对地聚物混凝土增强作用非常显著，可使地聚物混凝土强度、断裂韧性、抗冲击和抗疲劳等各项性能[9-11]得到全面优化。同时，对钢纤维增强地聚物混凝土基本力学性能进行测试可知，钢纤维增强地聚物混凝土抗压强度基本都在90～110 MPa之间，最高可达114.4 MPa，基本满足高性能混凝土对力学性能方面的要求。同时，地聚物胶凝材料具有稳定的三维网状类沸石结构[12-13]，使地聚物混凝土在热稳定性方面表现优异，并且Okoye等[14]研究发现在粉煤灰基地聚物混凝土中掺入适量硅灰可有效提升抗硫酸和氯盐侵蚀性能，李三等[15]研究也表明，在偏高岭土基地聚物混凝土掺入适量矿渣和粉煤灰可显著提高地聚物混凝土密实度，进而有效提升地聚物混凝土的抗冻融性能。综上所述，矿渣、粉煤灰和硅灰等材料用于制备地聚物混凝土，可有效提升混凝土的耐久性，且力学性能优异，基本达到高性能混凝土的要求。

收缩性能是混凝土体积稳定性的重要特性[16]之一，与混凝土强度、裂缝的产生和扩展，甚至是耐久性[17-19]密切相关。普通硅酸盐水泥混凝土早期收缩较大，强度却相对较低，由此导致的混凝土开裂风险也显著增加。研究表明，地聚物混凝土早期收缩大，且现有研究主要集中于单种前体材料的地聚物净浆和砂浆[20-22]，关于地聚物混凝土收缩的研究鲜有报道，高性能地聚物混凝土收缩的研究更加寥寥无几，收缩规律不够明确，收缩模型也不够完善。因此，为使高性能地聚物混凝土广泛应用于土木建筑领域，研究其早期收缩性能，对高性能地聚物混凝土在实际工程中的应用具有重要理论价值和实际意义。

通过配制9组(每组6个)高性能地聚物混凝土收缩试件，进行早期收缩测试，分析了硅灰掺量、水玻璃模数和钢纤维掺量对早期收缩性能的影响机制，进一步得出早期收缩规律，并验证了现有模型对高性能地聚物混凝土早期干燥收缩的适用性。

1 试验概况

1.1 原材料

胶凝材料：矿渣采用河北灵寿县运达矿产品有限公司生产的运达牌S95一级粒化高炉矿渣粉；粉煤灰采用河南郑州德商贸有限公司生产的侯刚牌一级粉煤灰；硅灰采用河北灵寿县展腾矿产品实力供应商生产的展腾牌GH-J7Y5一级微硅粉。

细骨料采用天然河砂，堆积密度1 560 kg·m-3，细度模数为2.68。

纤维采用河北衡水普方金属材料有限公司生产的侯刚牌CF-13镀铜直钢纤维。钢纤维各项性能指标见表1。

表1 钢纤维各项性能指标Table 1 Performance indicators of steel fiber

水玻璃采用安徽蚌埠精诚化工有限责任公司生产的精诚牌101工业级液体硅酸钠，略带淡黄色，半透明黏稠状液体。水玻璃成分及性能指标见表2。

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

碱采用江苏艾康生物医药研发有限公司生产的阿拉丁牌S111518-500 g颗粒状氢氧化钠，分析纯(AR)：96%，常温下呈白色固态晶体。

1.2 配合比

参考文献[23]，经多次试配，确定高性能地聚物混凝土配合比，见表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)

参考国内外学者研究超高性能地聚物混凝土现状及相关规范要求，硅灰质量掺量采用4种水平：5wt%、10wt%、15wt%和20wt%；水玻璃模数采用3种水平：1.2、1.4和1.6；钢纤维体积掺量采用4种水平：0vol%、1vol%、2vol%和3vol%。采用不同硅灰掺量、水玻璃模数及钢纤维掺量制作9组高性能地聚物混凝土早期收缩试件。其中，早期收缩试件水胶比和胶砂比分别固定为0.32和1 (胶凝材料均为矿渣、粉煤灰和硅灰)。为研究硅灰掺量对高性能地聚物混凝土早期收缩性能的影响机制，减弱甚至消除矿渣和粉煤灰等胶凝材料的影响，额外掺加硅灰并控制矿渣与粉煤灰质量比恒定为4∶1。各组早期收缩性能试验配合比见表4。

表4 早期收缩性能试验配合比 (kg·m-3)Table 4 Early shrinkage performance test mix proportion (kg·m-3)

1.3 试件制备

参照规范《水泥胶砂干缩试验方法》(JC/T 603-2004)[24]制作早期干燥收缩和自收缩试件。早期干燥收缩和自收缩试件边长均为25 mm×25 mm×280 mm，具体尺寸如图1所示。试件采用铸铁模具分两层浇筑在已装铜制钉头模具内，边浇筑边用捣棒捣压，捣压完毕后刮平试件表面，并在温度为(20±1)℃、相对湿度≥90%养护箱内养护成型，养护(24±2) h后拆模，之后在温度为(20±1)℃水箱内养护48 h。养护结束后，干燥收缩试件存放在温度为(20±3)℃、相对湿度为50%±4%养护箱内，自收缩试件采用工业薄膜进行包裹密封后存放在普通养护箱内。参照《水泥胶砂干缩试验方法》(JC/T 603-2004)[24]测试高性能地聚物混凝土的早期干燥收缩和自收缩。同时，参照规范《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)[25]制作边长为100 mm的立方体试件，标养28天后参照此规范进行抗压强度测试，用于评价早期收缩试件的抗压强度指标。

图1 早期收缩试件示意图Fig.1 Schematic diagram of early shrinkage specimen

1.4 试验过程及测试装置

参照规范《水泥胶砂干缩试验方法》(JC/T 603-2004)[24]，早期干燥收缩和自收缩试验均采用天津市建仪试验仪器厂生产的BC-300型水泥胶砂比长仪进行测试。测试前，利用校正杆对仪器进行校正处理，准确无误后，对早期干燥收缩和自收缩试件逐一测定读数，测完读数后用校正杆重新检查零点，零点变动超过±0.01 mm，则重新测定读数。测定读数时，试件在比长仪中的上、下位置应时刻保持一致，且读数时应左右旋转试件，确保试件钉头与比长仪正确接触，读数记录至0.001 mm。早期收缩试验装置如图2所示。

图2 早期收缩性能试验装置Fig.2 Early shrinkage performance test device

2 高性能地聚物混凝土早期收缩性能影响因素

2.1 硅灰掺量

硅灰掺量对高性能地聚物混凝土早期收缩性能影响结果如图3所示。可知，随硅灰掺量增加，各组试件干燥收缩均先减小后增大，自收缩先增大后减小，之后再增大。其中，当硅灰掺量分别为5wt%、10wt%、15wt%和20wt%时，高性能地聚物混凝土平均干燥收缩量(自收缩量)分别为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)。当硅灰掺量由5wt%增加至10wt%时，试件平均干燥收缩量(自收缩量)降低了(提高了) 6.05%(29.65%)；当硅灰掺量由10wt%增加至15wt%时，试件平均干燥收缩量(自收缩量)提高了(降低了)5.77% (0.31%)；当硅灰掺量由15wt%增加至20wt%时，试件平均干燥收缩量(自收缩量)提高了9.89% (0.63%)。

图3 硅灰掺量对高性能地聚物混凝土早期收缩性能的影响Fig.3 Effect of silica fume content on early shrinkage of high performance geopolymer concrete

参考文献[26]可知，随硅灰掺量增加，硅灰作为微集料可填充高性能地聚物混凝土内部孔隙，提升混凝土密实度，进而降低混凝土内水分迁移的速度，减少水分蒸发，最终导致高性能地聚物混凝土干燥收缩降低。这可能是硅灰掺量由5wt%增加至10wt%时，高性能地聚物混凝土干燥收缩降低的原因之一。参考文献[27]可知，随硅灰掺量进一步增加，干燥收缩也逐渐增加，分析其原因，这主要是由于硅灰粒径较小，且形态为球状，具有填充、“滚珠”和火山灰活性，硅灰与砂浆内水分反应生成的大量化合物会填充混凝土内部孔隙，并且在碱性环境下，与粉煤灰水解产生的Ca+发生水化反应生成的水化硅酸钙(C-SH)凝胶对高性能地聚物混凝土孔径分布也进行了优化，降低了孔隙率，显著细化了高性能地聚物混凝土孔结构。依据Kelvin定律及Yang-Laplace方程[28]可知，当混凝土体系内部相对湿度(Internal relative humidity，IRH)固定不变时，存在临界半径r0，此时半径＜r0的毛细孔被液相慢慢填满，半径＞r0的毛细孔则被气相填充。在半径=r0的毛细孔中，由于毛细孔弯液面存在使液相和气相交界处存在一定压力差，进而对毛细管壁产生向内的拉应力，且随毛细管内弯液面半径逐渐减小，压力差越来越大。从微观角度来说，大量化合物填充混凝土内部孔隙及C-S-H凝胶对孔径的优化作用，使孔结构得以显著细化，r0减小速度也显著加快，促使水分向更微小孔隙内部重分布，加速后期r0的减小，进而导致毛细压力和内应力不断增大。此外，依据Laplace 方程[29]可知，当半径r0固定不变时，毛细压力和毛细管张力呈正相关，为使弯液面处于平衡状态，毛细管张力不断增加并作用于毛细孔壁引发混凝土产生干燥收缩，最终导致高性能地聚物混凝土干燥收缩增大。参考文献[30-32]可知，硅灰比表面积较大，含有大量活性SiO2，具有较强火山灰活性，在碱性环境下，与粉煤灰水解产生的Ca+发生水化反应生成C-S-H凝胶，进而填充高性能地聚物混凝土内部孔隙，细化孔结构，且硅灰水化反应较剧烈，加速消耗混凝土内大量水分，这对于干燥收缩的降低非常不利，最终导致高性能地聚物混凝土干燥收缩增大。

参考文献[27]可知，硅灰火山灰活性较强，水化反应过程中消耗水分可显著增大混凝土浆体内自干燥作用，且掺加硅灰可细化混凝土基体内孔结构，进而增大毛细压力和内应力，这对于自收缩的降低非常不利，最终导致高性能地聚物混凝土自收缩逐渐增大。Mazloom 等[33]研究也发现，相对于未掺加硅灰的基准组，掺加6wt%～15wt%硅灰的试件自收缩率增大了16.7%～50%。Akcay 等[34]在自密实混凝土中掺入硅灰，也得到了类似的结果。参考文献[35]可知，随硅灰掺量增加，高性能地聚物混凝土自收缩逐渐增大，分析其原因，这主要是由于：(1) 硅灰粒径较小，含量越多，填充效果越明显，并能有效细化孔结构，增加小孔数量，增大自收缩；(2) 碱性环境下，高活性硅灰与粉煤灰水解产生的Ca+发生水化反应生成C-SH凝胶，C-S-H凝胶附着于孔隙内会细化孔结构，增大自收缩；(3) 硅灰与水反应会消耗部分混凝土浆体内水分，进而降低混凝土基体IRH，强化自干燥，最终导致自收缩增大。随硅灰掺量的不断增加，硅灰填充细化孔结构的效果逐渐达到饱和状态，粉煤灰水解产生的Ca+也基本消耗殆尽，此时增加硅灰掺量对高性能地聚物混凝土孔结构细化作用不明显，自收缩也基本保持不变，这可能是硅灰掺量由10wt%增加至20wt%自收缩基本保持不变的原因之一。

2.2 水玻璃模数

水玻璃模数对高性能地聚物混凝土早期收缩性能影响结果如图4所示。可知，随水玻璃模数增大，各组试件干燥收缩均先减小后增大，自收缩均依次增大。其中，当水玻璃模数分别为1.2、1.4和1.6时，高性能地聚物混凝土平均干燥收缩量(自收缩量)分别为2 380×10-6、2 191×10-6和2 890×10-6(873×10-6、883×10-6和1 182×10-6)。当水玻璃模数由1.2增加至1.4时，试件平均干燥收缩量(自收缩量)降低了(提高了) 7.94% (1.23%)；当水玻璃模数由1.4增加至1.6时，试件平均干燥收缩量(自收缩量)提高了31.9% (33.83%)。

图4 水玻璃模数对高性能地聚物混凝土早期收缩性能的影响Fig.4 Effect of water glass modulus on early shrinkage of high performance geopolymer concrete

参考文献[36]可知，水玻璃模数会影响碱激发复合前体材料的水化程度及孔隙结构，孔隙结构进一步影响碱激发复合前体材料中水的移动，且增大水玻璃模数会导致混凝土毛细孔隙率增加，进而致使水的移动有了更多的机会和路径。由图4可知，随水玻璃模数增加，高性能地聚物混凝土毛细孔隙率逐渐增加，混凝土基体内水分移动的路径也逐渐增多，进而给体系提供了更多的水分，这对于干燥收缩的降低非常有利。随水玻璃模数进一步增大，高性能地聚物混凝土毛细孔隙率不断增加，混凝土基体内水分移动的路径也显著增多，不断增加的毛细孔隙率给体系提供了大量的水分，但给体系提供水分对干燥收缩改善的影响远小于毛细孔隙率增多致使体系水分大量散失的负面影响，且水分大量散失会导致混凝土体积减小，这对于干燥收缩的降低非常不利，最终导致高性能地聚物混凝土干燥收缩显著增大。参考文献[37]可知，随水玻璃模数进一步增大，胶凝材料水化产物也逐渐增加，进而细化孔结构，增大了毛细管力，即增大了收缩的驱动力；且增大水玻璃模数，混凝土浆体中氢氧钙石晶体的数量也逐渐减少，这使混凝土基体抵抗变形的能力降低而更容易发生形变。此外，水玻璃模数增大，增加了吸附Na+的总量，进而提高了水化硫铝酸钙(C-(A-)S-H)聚合度，加速了C-(A-)S-H凝胶密实度的提高和表观体积的减小，这可能是水玻璃模数由1.4增大至1.6时高性能地聚物混凝土干燥收缩显著增大和自收缩增大的原因之一。相对于水玻璃模数由1.2增大至1.4的过渡段，水玻璃模数由1.4增大至1.6的过渡段自收缩增长率较大，表明在该过渡段随水玻璃模数增大，胶凝材料水化产物显著增加，混凝土基体孔结构得以更加细化，混凝土浆体中氢氧钙石晶体数量也显著减少，这使混凝土基体抵抗变形的能力不断降低而发生较大形变，且吸附Na+总量也不断增加，导致C-(A-)S-H聚合度显著提高，混凝土基体表观体积显著减小，最终表现为水玻璃模数由1.4增加至1.6的过渡段自收缩斜率更陡峭。

参考文献[38]可知，在碱性环境条件下，粉煤灰和矿渣等胶凝材料发生水化反应会生成C-(A-)S-H凝胶。随水玻璃模数增大，C-(A-)S-H的平均分子链长(Molecular chain length，MCL)急剧增长，即桥位硅氧四面体所占比例显著增大，依据量子化学从头算法[39]的计算结果，Al进入硅链的概率显著增大。矿渣中Al含量较少，但粉煤灰中Al含量较多，致使高性能地聚物混凝土浆体中C-(A-)S-H的Al/Si原子比大幅提升，而正三价的Al替代硅氧四面体中正四价的Si产生的负电荷需吸附Na+达到一定的平衡。因此，随水玻璃模数增大，Al/Si原子比的提高也会增加吸附Na+的量，进而提高C-(A-)S-H的重组概率，加速C-(A-)S-H聚合度的提高，进而致使C-(A-)S-H密实度增加，最终导致高性能地聚物混凝土表观体积减小，自收缩增大。此外，高性能地聚物混凝土浆体反应过程中，Ca2+与碱金属阳离子同时竞争补偿硅链去质子化羟基上的负电荷，相对于正一价的碱金属阳离子，正二价的碱金属阳离子更有优势。因此，溶液中Ca2+浓度较高时会抑制Na+的吸附。随水玻璃模数增大，胶凝材料发生水化反应生成的C-(A-)S-H等水化产物也逐渐增加，消耗了部分Ca+，显著降低了混凝土浆体溶液中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，进而致使C-(A-)S-H密实度增加，最终导致高性能地聚物混凝土表观体积减小，自收缩增大。

2.3 钢纤维掺量

钢纤维掺量对高性能地聚物混凝土早期收缩性能影响结果如图5所示。可知，随钢纤维掺量增加，各组试件干燥收缩均依次降低，自收缩先增大后减小，之后再增大。其中，当钢纤维掺量分别为0vol%、1vol%、2vol%和3vol%时，高性能地聚物混凝土平均干燥收缩量(自收缩量)分别为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)。当钢纤维掺量由0vol%增加至1vol%时，试件平均干燥收缩量(自收缩量)降低了(提高了) 20.24%(38.8%)；当钢纤维掺量由1vol%增加至2vol%时，试件平均干燥收缩量(自收缩量)降低了37.38%(25.65%)；当钢纤维掺量由2vol%增加至3vol%时，试件平均干燥收缩量(自收缩量)降低了(提高了)35.62% (8.63%)。

图5 钢纤维掺量对高性能地聚物混凝土早期收缩性能的影响Fig.5 Effect of steel fiber content on early shrinkage of high performance geopolymer concrete

参考文献[40]可知，收缩通常指混凝土暴露于相对湿度＜100%空气中发生的干燥收缩，且产生收缩有一个主要原因，即混凝土内部水分的迁移和散失。掺加钢纤维后，钢纤维在高性能地聚物混凝土中形成均匀分布的乱向三维空间网，进而对混凝土基体产生一定的空间约束，不仅可以有效抑制混凝土中骨料的下沉，提高混凝土均匀性，减少其固有缺陷，而且还可以阻止水分溢出的通道，减少水分散失，改善混凝土微观结构[41]，最终降低高性能地聚物混凝土的干燥收缩。此外，改善微观结构是钢纤维降低收缩的另一个原因。文献[42]研究表明，相对于未掺加钢纤维的试件，掺加钢纤维的试件累计水分损失更小，孔隙结构也发生了明显变化，直径较大的孔隙更多，较大毛细孔使毛细孔压力减小，进而减少水分逸出，降低干燥收缩。参考文献[43]可知，混凝土浆体发生干燥收缩，纤维受到挤压并承担部分应力抵抗干燥收缩。此外，胶凝材料水化产物附着于钢纤维表面，碱激发剂呈碱性，腐蚀钢纤维使其表面粗糙不平，促使钢纤维与硬化浆体粘结界面得以有效加强，提高了钢纤维和硬化浆体之间的粘结性能，进而有效抑制水分蒸发引起的毛细孔张力，最终表现为高性能地聚物混凝土干燥收缩的降低。参考文献[44]可知，钢纤维与混凝土基体之间存在的粘结作用可有效抑制混凝土干燥收缩。此外，掺加钢纤维会影响混凝土的流动性和保水性，导致钢纤维与混凝土基体界面粘结强度发生变化，进而影响干燥收缩。由图5可知，当过量掺加钢纤维时，混凝土坍落度显著降低，在相同水胶比条件下，过量钢纤维会占用部分拌合水使其缺乏足够的浆体包裹与填充；同时，钢纤维之间存在架力作用，致使混凝土拌合物内部摩擦力增大，进而导致拌合物和易性变差，影响试件浇筑时的密实度，增加内部初始缺陷，降低钢纤维与混凝土基体的界面粘结强度，这对于干燥收缩的抑制不利，最终表现为钢纤维掺量由1vol%增加至2vol%的过渡段干燥收缩降低率明显大于钢纤维掺量由2vol%增加至3vol%的过渡段。

参考文献[44]可知，自收缩主要是由混凝土体系IRH降低，造成孔隙内液体表面形成弯液面，同时产生毛细孔负压引起的。由于高性能地聚物混凝土水胶比相对较低，随着水化反应的进行，混凝土基体内部水分迅速消耗，IRH显著降低。依据Kelvin定律及Yang-Laplace方程[28]可知，当混凝土IRH固定不变时，存在临界半径r0，此时半径＜r0的毛细孔被液相慢慢填满，半径＞r0的毛细孔则被气相填充。在半径=r0的毛细孔中，由于毛细孔弯液面存在使液相和气相交界处存在一定压力差，进而对毛细管壁产生向内的拉应力，且随毛细管内弯液面半径逐渐减小，压力差越来越大。从微观角度来说，即高性能地聚物混凝土总孔隙体积变小，此时孔结构得以显著细化，r0减小速度也显著加快，促使水分向更微小孔隙内部重分布，加速后期r0的减小和毛细管负压的进一步增大，最终导致高性能地聚物混凝土自收缩增加。参考文献[43]可知，随钢纤维掺量进一步增加，自收缩降低，分析其原因，这主要是由于掺入钢纤维使混凝土内部孔隙总体积增加，毛细孔直径变大且数量增多，进而减小毛细孔压力，降低自收缩。此外，钢纤维在混凝土内部形成均匀分布的乱向三维空间网，进而对混凝土基体产生一定的空间约束，提高混凝土均匀性，且混凝土浆体产生自收缩时，纤维受到挤压并承担部分应力抵抗自收缩使高性能地聚物混凝土的自收缩降低。参考文献[45]可知，适量掺加钢纤维可有效抑制自收缩，这主要是由于钢纤维均匀分布于混凝土内部，一定程度上削弱了毛细孔内的收缩应力，进而导致自收缩降低；但过量掺加钢纤维会导致其与混凝土基体接触面形成大量界面结构，降低钢纤维与混凝土基体的粘结性能，最终表现为高性能地聚物混凝土的自收缩不降反增。

3 高性能地聚物混凝土早期收缩曲线

3.1 高性能地聚物混凝土早期收缩规律

高性能地聚物混凝土试件早期干燥收缩试验及速率曲线结果如图6、图7所示。由图6可知，高性能地聚物混凝土早期干燥收缩随龄期增长逐渐增大。测试前48 h，高性能地聚物混凝土干燥收缩增长速率较快，而测试前24 h，干燥收缩量增长较大。早期干燥收缩增长较快，之后逐渐趋于平缓。

图6 高性能地聚物混凝土早期干燥收缩试验曲线Fig.6 Early drying shrinkage test curves of high performance geopolymer concrete

图7 高性能地聚物混凝土早期干燥收缩速率曲线Fig.7 Early drying shrinkage rate curves of high performance geopolymer concrete

对各组试件干燥收缩曲线进行分析，结合干燥收缩速率曲线，可分为3个阶段：

(1) 快速增长段(I)：收缩初期，高性能地聚物混凝土收缩速率较快，干燥收缩量基本呈线性上升。并且由图6可以看出，在快速增长段终点到缓慢增长段起点，干燥收缩曲线有明显的转折点；

(2) 缓慢增长段(II)：随龄期的增加，高性能地聚物混凝土收缩速率逐渐降低，干燥收缩量也缓慢增长，直至干燥收缩量达到峰值；

(3) 稳定段(III)：干燥收缩量达到峰值后逐渐趋于平稳，随龄期不断增加，高性能地聚物混凝土收缩速率基本保持不变，干燥收缩量也基本保持不变或略有降低。

高性能地聚物混凝土试件早期自收缩试验及速率曲线结果如图8、图9所示。由图8可知，高性能地聚物混凝土早期自收缩随龄期增长先略微减小后逐渐增大。测试前72 h，自收缩增长速率较快，而测试前168 h，自收缩量增长较大。早期自收缩增长较快，之后逐渐趋于平缓。

图8 高性能地聚物混凝土早期自收缩试验曲线Fig.8 Early autogenous shrinkage test curves of high performance geopolymer concrete

图9 高性能地聚物混凝土早期自收缩速率曲线Fig.9 Early autogenous shrinkage rate curves of high performance geopolymer concrete

对各组试件自收缩曲线进行分析，结合自收缩速率曲线，可分为3个阶段：

(1) 快速增长段(I)：收缩初期，高性能地聚物混凝土收缩速率较快，自收缩量基本呈线性变化。并且由图8可以看出，在快速增长段终点到缓慢增长段起点，自收缩曲线有明显的转折点；

(2) 缓慢增长段(II)：随龄期的增加，高性能地聚物混凝土收缩速率逐渐降低，自收缩量也缓慢增长，直至自收缩量达到峰值；

(3) 稳定段(III)：自收缩量达到峰值后逐渐趋于平稳，随龄期的不断增加，高性能地聚物混凝土收缩速率略有降低，自收缩量也基本保持不变或略有降低。

3.2 高性能地聚物混凝土早期收缩模型

收缩模型是收缩性能的综合反映，为实现对高性能地聚物混凝土收缩性能的全面分析，需建立完整的收缩模型。目前，较多应用于混凝土结构的干燥收缩模型[46-51]主要有ACI209 R(1992)模型、BS5400收缩模型、GL2000模型、CEB-FIP(1978)模型、王铁梦模型和中国建筑科学研究院(China Academy of Building Research，CABR)收缩模型等。其中，GL2000模型采用28天混凝土实测抗压强度计算收缩值，计算表达式简单方便。在预测试验实测收缩值时，与ACI209(1982)模型和CEB-FIP(1990)模型相比，GL2000模型计算精度更高，吻合度更好。通过对大量混凝土收缩徐变影响因素及数学模型进行试验研究，并对试验数据进行统计分析，由此提出的中国建筑科学研究院收缩模型较符合混凝土收缩实测值。因此，从上述收缩模型中选取GL2000模型和中国建筑科学研究院收缩模型对高性能地聚物混凝土实测收缩值进行预测，基于此评估现有混凝土收缩模型对高性能地聚物混凝土的适用性。GL2000模型和中国建筑科学研究院收缩模型表达式如下所示：

GL2000模型：

式中：β(h)为环境相对湿度对混凝土收缩的影响系数；β(t)为干燥龄期对混凝土收缩的影响系数；K为不同水泥品种对混凝土收缩的影响系数；fcm28为混凝土28天龄期立方体抗压强度(MPa)；h为环境相对湿度；V/S为混凝土构件体积与表面积的比值(mm)；t为龄期(天)；t0为干燥开始时间(天)。

中国建筑科学研究院收缩模型：

式中：β1为环境相对湿度对混凝土收缩的影响系数；β2为混凝土构件截面尺寸对混凝土收缩的影响系数；β3为养护条件对混凝土收缩的影响系数；β4为粉煤灰取代水泥量对混凝土收缩的影响系数；β5为混凝土强度等级对混凝土收缩的影响系数。

基于抗压强度实测数据，可得高性能地聚物混凝土28天抗压强度实测值，即fcm28，见表5。

表5 高性能地聚物混凝土28天龄期立方体抗压强度fcm28值 (MPa)Table 5 Measured value of 28 days compressive strength(fcm28) of high performance geopolymer concrete (MPa)

依据试验条件，参照相关规范[48]可知，环境相对湿度h取0.4；由于试件尺寸为25 mm×25 mm×280 mm，计算可得试件体积与表面积比值V/S=5.98291；干燥开始时间t0取3天。依据上述参数，计算可得εshu、β(h)=0.96979和β(t)=[(t-3)/(t+2.36927)]0.5。综上所述，计算可得εsh，由该计算式计算可得GL2000模型早期干燥收缩预测曲线。GL2000模型早期干燥收缩预测曲线和实测曲线如图10所示。

图10 GL2000模型高性能地聚物混凝土早期干燥收缩预测曲线和试验曲线对比Fig.10 Comparison of GL2000 model early drying shrinkage prediction curves and test curves of high performance geopolymer concrete

由图10可知，应用GL2000模型对高性能地聚物混凝土干燥收缩值进行预测，预测值与高性能地聚物混凝土干燥收缩实测值吻合度较高。分析其原因，这主要是由于GL2000模型对不同水泥品种影响系数K较敏感，而高性能地聚物混凝土中矿渣和粉煤灰等胶凝材料不同于水泥，因此可通过改变水泥品种影响系数K获取适用于预测高性能地聚物混凝土干燥收缩的预测曲线，不同水泥品种对混凝土收缩影响系数K如图11所示。

图11 不同水泥品种对混凝土收缩影响系数KFig.11 Influence coefficient K of different cement varieties on concrete shrinkage

随硅灰掺量和水玻璃模数增加，水泥品种影响系数K先减小后增大，且均在硅灰掺量和水玻璃模数分别为10%和1.4时降至最低，与高性能地聚物混凝土早期干燥收缩随硅灰掺量和水玻璃模数增加变化规律一致。水泥品种影响系数K随钢纤维掺量增加依次降低，且在钢纤维掺量为3vol%时降至最低，与高性能地聚物混凝土早期干燥收缩随钢纤维掺量增加变化规律一致。综上可知，对于不同配比高性能地聚物混凝土早期干燥收缩曲线，可通过改变水泥品种影响系数K获取适用于预测高性能地聚物混凝土早期干燥收缩的预测曲线，且K值随硅灰掺量、水玻璃模数和钢纤维掺量等变量增加变化规律一致。

依据试验条件，参照相关规范[51]可知，环境相对湿度对混凝土收缩影响系数β1取1.3；由于试件尺寸为25 mm×25 mm×280 mm，计算可得试件体积与表面积比值V/S=5.98291，故混凝土构件截面尺寸对混凝土收缩影响系数β2取1.2；养护条件对混凝土收缩影响系数β3取1；高性能地聚物混凝土收缩试件未使用水泥，不存在粉煤灰取代水泥量，故粉煤灰取代水泥量对混凝土收缩影响系数β4取1；由表5可知，高性能地聚物混凝土抗压强度在68～114.4 MPa之间，故混凝土强度等级对混凝土收缩影响系数β5取1.15。综上所述，计算可得ε(t)=1.794t/(152.79+3.27t)×10-3，由该计算式计算可得中国建筑科学研究院收缩模型早期干燥收缩预测曲线。中国建筑科学研究院收缩模型早期干燥收缩预测曲线和实测曲线如图12所示。

图12 中国建筑科学研究院(CABR)收缩模型高性能地聚物混凝土早期干燥收缩预测曲线和试验曲线对比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

应用中国建筑科学研究院收缩模型对高性能地聚物混凝土干燥收缩值进行预测，预测值远低于高性能地聚物混凝土干燥收缩实测值。分析其原因，这可能是由于中国建筑科学研究院收缩模型是由我国众多学者对我国大量混凝土收缩徐变影响因素及数学模型进行研究，并基于对应试验数据提出的。因此，该收缩模型对原始进行回归分析的大量原始数据依赖性较强，且用于回归分析原始数据的混凝土强度均较低，而高性能地聚物混凝土抗压强度均在68～114.4 MPa之间，强度等级较高。综上可知，中国建筑科学研究院收缩模型完全不适用于高性能地聚物混凝土早期干燥收缩预测。

综上所述，现有混凝土干燥收缩模型基本不适用于高性能地聚物混凝土，分析其原因，这主要是由于高性能地聚物混凝土早期收缩快，现有干燥收缩模型中收缩随时间发展函数基本为双曲线函数，不符合高性能地聚物混凝土收缩特性，而GL2000模型中收缩随时间发展函数为指数函数，较符合高性能地聚物混凝土收缩特性。因此，GL2000模型可较准确预测高性能地聚物混凝土早期干燥收缩随龄期发展变化规律。

4 结 论

(1) 硅灰粒径较小，可填充高性能地聚物混凝土内部孔隙，提升混凝土密实度，降低水分迁移的速度，减少水分蒸发，降低干燥收缩。随硅灰掺量进一步增加，高活性硅灰与粉煤灰水解产生的Ca+发生水化反应生成水化硅酸钙(C-S-H)凝胶，C-S-H凝胶附着于孔隙内会细化孔结构，增大干燥收缩和自收缩，且硅灰与水反应会消耗部分混凝土浆体内水分，降低混凝土基体内部相对湿度(IRH)，强化自干燥，增大自收缩。因此，为有效控制高性能地聚物混凝土的早期收缩，硅灰掺量宜控制在5%左右。

(2) 水玻璃模数增大导致混凝土毛细孔隙率增加，进而给体系提供更多的水分，降低干燥收缩。随水玻璃模数进一步增大，水化产物的增加细化了孔结构，增大了毛细管力，且混凝土浆体中氢氧钙石晶体的数量也逐渐减少，使混凝土基体抵抗变形的能力降低而更容易发生形变，增大干燥收缩和自收缩。此外，水玻璃模数增大，增加了吸附Na+的总量，进而提高水化硫铝酸钙(C-(A-)SH)聚合度，加速了C-(A-)S-H凝胶密实度的提高和表观体积的减小，增大干燥收缩和自收缩。因此，为有效控制高性能地聚物混凝土的早期收缩，水玻璃模数宜控制在1.4左右。

(3) 在高性能地聚物混凝土中，钢纤维形成均匀分布的乱向三维空间网，对混凝土基体产生一定的空间约束，提高混凝土均匀性，阻止水分溢出的通道，减少水分散失，改善混凝土微观结构，且钢纤维受收缩应力挤压并承担部分应力抵抗收缩，降低干燥收缩和自收缩。但过量掺加钢纤维会导致其与混凝土基体接触面形成大量界面结构，降低钢纤维与混凝土基体的粘结性能，不利于混凝土收缩的降低。因此，为有效控制高性能地聚物混凝土的早期收缩，并且适当考虑经济效益，钢纤维掺量宜控制在2vol%左右。

(4) 高性能地聚物混凝土早期干燥收缩随龄期增长逐渐增大，早期自收缩先略微减小后逐渐增大，且均在测试初期收缩增长较快，并最终趋于平缓。因此，高性能地聚物混凝土在实际施工过程中应加强早期的保湿养护，减弱甚至消除早期收缩产生的收缩裂缝对混凝土结构承载力及寿命周期的影响。

(5) 与中国建筑科学研究院收缩模型相比，GL2000模型更符合高性能地聚物混凝土收缩特性，可较准确预测高性能地聚物混凝土早期干燥收缩随龄期发展变化规律。