综述：粉煤灰基地质聚合物混凝土配合比设计与力学性能建模研究

《Polymers》：Influence of Mix Design Parameters on Fresh and Hardened Properties of Geopolymer Concrete: A State-of-the-Art Review Seemab Tayyab, Wahid Ferdous, Weena Lokuge, Tuan Ngo, Andreas Gerdes and Allan Manalo

　　

研究人员针对粉煤灰（FA）基地质聚合物混凝土（GPC）的配合比设计标准化缺失及力学性能预测偏差问题开展系统性研究。通过分析碱激发剂参数（硅酸钠/氢氧化钠比值SS/SH、NaOH摩尔浓度、SiO2/Na2O比值、碱激发剂/胶凝材料比值AA/B）、前驱体特性（钙含量、细度）、集料级配及养护制度对GPC工作性、力学性能及微观结构的耦合影响机制，建立了目标强度法（TSM）指导下的40 MPa级GPC配合比设计流程。研究采用线性回归方法构建了FA-GPC弹性模量（E）与抗压强度（fc）的专用预测模型（E=2.75√fc,MPa），并通过与ACI 318、Eurocode 2等普通硅酸盐混凝土（OPC）规范公式及既有GPC经验公式对比验证其适用性。结果表明：GPC力学性能对碱激发剂化学参数高度敏感，AA/B最佳区间为0.4–0.7，SS/SH≈2.5及NaOH≈12 M可平衡反应活性与孔隙结构；FA-GPC弹性模量显著低于同强度OPC（低约55–165%），提出的平方根模型可准确预测15–50 MPa范围内FA-GPC刚度（R2=0.84）。该研究为GPC的结构化应用提供了理论依据与设计工具。

3. 配合比参数对GPC性能的影响

3.2 碱激发剂参数的影响

3.2.1 硅酸钠与氢氧化钠比例（SS/SH）：SS/SH通过改变溶液聚合度与OH^?浓度调控铝硅酸盐溶解与凝胶聚合速率。低SS/SH（<1.0）导致OH^?过量，引发凝胶过快沉淀，降低抗压强度；适宜SS/SH（~2.5）可优化凝胶网络交联度，提升早期与后期强度。

3.2.2 NaOH摩尔浓度的影响：NaOH浓度直接控制铝硅酸盐相的溶解动力学。2–6 M低浓度下溶解不充分，凝胶产量低，强度发展受限；10–12 M区间可显著提升抗压与抗拉强度（较2 M提高20–75%）；>12 M时过高OH^?浓度诱发凝胶过早沉淀，形成多孔结构，且高粘度导致工作性劣化与内部缺陷增加，强度下降可达50%。最佳摩尔浓度受养护温度、硅供应（SS/SH、SiO₂/Na₂O）及前驱体钙含量协同影响，需结合体系特性优化。

3.2.3 SiO₂/Na₂O比值的影响：该比值是碱激发剂化学的核心指标。低比值（<1.0）因OH^?过剩导致聚合不完全；提升至2.0–2.5时可增强前驱体溶解并促进复杂凝胶网络形成，强度增长达60%；超过最优值后，硅浓度过高显著增加溶液粘度，阻碍混合密实与凝胶连通性，导致强度倒缩。推荐与12 M NaOH及SS/SH≈2.5组合使用。

3.2.4 碱激发剂/胶凝材料比值（AA/B）的影响：AA/B决定反应液相含量与浆体流变性。提高AA/B（0.43→0.71）可改善流动性（坍落度提升8–80%）并增强溶解与凝胶化，在0.55–0.65区间达到强度峰值（较低于此区间提高40–100%）；AA/B>0.7引入过量OH^?，加速沉淀并增加孔隙率，降低强度；AA/B<0.4则导致反应不充分与工作性不良。综合推荐区间为0.4–0.7。

3.3 养护温度的影响：养护温度通过加速地质聚合反应动力学显著影响早期性能。升温（60→120°C）可促进凝胶生成并降低孔隙率，使FA-GGBFS基GPC的28 d抗压与劈裂抗拉强度分别提升31%与27%，弹性模量提高3.8%。但温度过高（80°C以上）易引发自由水快速散失与收缩开裂，破坏微观结构完整性。SEM观测证实：室温养护下反应缓慢，凝胶疏松多孔；60°C养护24 h可生成致密基体；80°C养护则诱发微裂纹。

3.4 集料的影响：集料占GPC体积60–80%，其级配、粒径与纹理主导工作性与强度。细集料/总集料比（FA/TA）为0.30–0.40时，浆体包裹性与界面过渡区（ITZ）粘结最优，抗压强度较0.25或0.45配比提高35%。最大粒径20 mm的粗集料可获得最高强度；粒径>20 mm易导致离析，<20 mm则需增加浆体用量以维持流动性。碎石因棱角效应增强机械咬合力，但工作性低于卵石。再生集料需经表面处理以改善吸水率与界面结合。

3.5 化学外加剂与界面过渡区（ITZ）改性：高效减水剂与粘度改性剂可改善高碱环境下的分散性与坍落度保持，但其相容性受激发剂化学与前驱体组成制约。ITZ质量取决于集料堆积密度、浆体体积及表面反应性，通过优化级配、掺入活性微填料（如硅灰）或表面处理可密实ITZ并减少孔隙，从而提升强度与刚度。

4. 地质聚合物混凝土配合比设计

GPC配合比设计无法直接套用OPC的水灰比法（ACI 211.1），需统筹前驱体化学、激发剂参数、养护条件及集料体积等多变量耦合作用。主流方法包括：

4.1 目标强度法（TSM）：参照OPC设计理念，以AA/B为核心变量调整配比以满足指定抗压强度（如40 MPa）。该方法简便实用，但未充分考量耐久性与工作性。

4.2 性能基准法（PBM）：除强度外纳入氯离子渗透、吸水性及渗透性等耐久性指标，更贴合长期服役需求，但测试成本高且尚未标准化。

4.3 统计与经验法（SM）：采用回归分析、响应面法及田口实验设计量化参数交互影响，但普适性受限于特定数据集。

研究人员基于TSM建立了40 MPa级FA基、GGBFS基、FA–稻壳灰（RHA）基及FA–硅灰（SF）基GPC的配合比设计流程：

4.1 铝硅源材料选择：优选SiO₂/Al₂O₃比为2.0–3.5、Fe₂O₃含量可控的前驱体，钙含量影响凝结时间与早期强度。

4.2 AA/B确定：参照ACI 211.1曲线，40 MPa对应AA/B分别为0.55（FA基）、0.68（GGBFS基）、0.60（FA–RHA基）、0.65（FA–SF基）。

4.3 碱激发剂与胶凝材料用量计算：将OPC的“用水量”替换为“碱激发剂总量（AA）”。选定最大集料粒径19–20 mm、坍落度150–200 mm时，AA取215–222 kg/m³；按SS/SH=2.0拆分为NaOH（SH=AA/3）与硅酸钠（SS=2AA/3）。胶凝材料总量由AA/B反算（Binder=AA/(AA/B)），并按预设比例分配混合前驱体（如FA:RHA=80:20）。

4.4 集料用量确定：总集料体积占比取60%。按胶砂比1:2确定细集料用量，细/总集料比取0.30反推粗集料用量。该框架实现了AA/B、细度与集料优化的协同设计。

5. 理论建模（抗压强度-弹性模量关系）

5.1 目的与范围：建立FA-GPC弹性模量（E）与抗压强度（f_c）的专用经验关系。普通混凝土规范（ACI 318、AS 3600、ACI 363R、Eurocode 2）因未考虑地质聚合物凝胶结构、孔隙特征及ITZ差异，会高估FA-GPC刚度。

5.2 方法：收集文献中FA-GPC的配对数据（f_c, E），对比OPC规范公式与既有GPC公式（Nath & Sarker；Noushini）。

5.3 结果与分析：FA-GPC数据点普遍低于OPC参考线，而Nath–Sarker与Noushini公式拟合较好。线性回归获得方程：E_GPa=0.6061f_c,MPa?4.8103（R²=0.84），对应30 MPa、40 MPa、50 MPa的E分别为13.4 GPa、19.4 GPa、25.5 GPa。为满足规范形式E=k√f_c，通过积分法校准得k=2.75，最终推荐公式：E_GPa=2.75√f_c,MPa（15–50 MPa适用）。该模型较OPC规范保守，可为结构设计提供可靠刚度预测。

6. 结论

GPC性能受前驱体反应性、激发剂碱度与硅供应、液固比（AA/B）及养护成熟度四者耦合控制。强度提升需协同增加活性钙（如掺GGBFS）与优化激发剂参数（SS/SH≈2.5、NaOH≈12 M），避免高摩尔浓度引发的粘度剧增与孔隙缺陷。AA/B宜控制在0.4–0.7以平衡反应效率与密实度。40 MPa案例验证了TSM框架对多前驱体体系的适用性。针对FA-GPC刚度被OPC规范高估的问题，提出的E=2.75√f_c模型具有较高精度（R²=0.84），建议作为15–50 MPa范围内FA-GPC的设计预测式。未来需重点发展涵盖施工性、耐久性及标准化的GPC全生命周期设计方法。