作为主要的建筑材料，传统混凝土因其高机械强度、出色的耐久性和成本效益而被广泛应用于民用建筑、工业设施、桥梁、交通基础设施和国防工程中。然而，其固有的脆性降低了抗拉强度和抗断裂能力[1]，从而显著增加了对老化结构修复的需求[2]。为了解决这些问题，基于微观力学设计原理开发了工程水泥基复合材料（ECC）[3]，该材料通过纤维-基体的协同作用实现应变硬化和多次开裂行为，通常能在服役载荷下将裂缝宽度限制在100微米以下。这一性能特点提高了抗震性[4]、抗冲击性[5]和耐久性[6]等。因此，ECC已被应用于桥面铺装、大坝加固和隧道衬砌[7]。值得注意的是，传统ECC配方中的水泥含量为830至1200公斤/立方米，是普通混凝土的2.5–3倍[8]。从环境角度来看，这种需求的增加加剧了水泥生产，而水泥制造占全球人为二氧化碳排放量的5–8%[9]。因此，在实现高延展性和保持较大碳足迹之间存在一个关键难题。幸运的是，地质聚合物已成为波特兰水泥的可行替代品，并具有在生产过程中减少50–80%二氧化碳排放的潜力[10]。因此，Lee等人[11]于2012年率先开发了工程地质聚合物复合材料（EGC）[12]，该材料结合了地质聚合物的环境优势与ECC的优异机械性能。这一创新材料体系自此受到了广泛关注。
迄今为止，EGC领域的研究主要集中在两个主要方向。第一个方向是通过多种前驱体进行材料创新，包括基于粉煤灰[13]、粒化高炉矿渣（GGBFS）[14]、 meta氧化铝[15]和混合前驱体的系统[16]。其中，GGBFS和粉煤灰的应用最为广泛[17]。开发的基于矿渣/粉煤灰的EGC表现出优异的机械性能和环境可持续性，抗压强度可达180.7兆帕，抗拉应变可达9.1%[18]。第二个方面是优化机械性能。Choi等人[14]使用1.75体积%的聚乙烯（PE）纤维在基于矿渣的EGC中实现了13.1兆帕的抗拉强度和7.5%的抗拉应变。Hoàng等人[19]报道了基于粉煤灰的地质聚合物的抗拉应变为13.68%，抗拉强度为6.79兆帕。Ling等人[20]制备的基于粉煤灰/矿渣的EGC在28天时的抗压强度和抗拉强度分别为102.3兆帕和6.8兆帕。与ECC相比，EGC显示出更强的机械性能和抗腐蚀性。然而，尽管取得了这些进展，但由于长期耐久性和体积不稳定性的问题[21],[22],[23]，特别是在自收缩机制方面了解不足，工业应用仍然受到限制。
尽管有许多研究调查了自收缩[24,25]，但其背后的机制仍部分不清楚[26]。目前普遍认为这种现象是由于自干燥过程中内部水分流失导致毛细张力产生的[27],[28],[29],[30]。水泥水化导致内部相对湿度（IRH）降低，使毛细孔从饱和状态变为非饱和状态。通过液滴形成，产生负毛细压力，最终导致宏观体积收缩[21,31,32]。虽然承认了毛细应力的作用，但许多学者认为地质聚合物的自收缩还涉及其他驱动因素，如空间水化力[33]。过度的收缩已被证明会导致混凝土结构开裂，从而损害其机械性能和长期耐久性[34,35]。先前的研究证实了地质聚合物和EGC系统在早期存在显著的自收缩。例如，Li等人[33]指出，7天时矿渣/粉煤灰地质聚合物浆体的自收缩约为3700微米，是波特兰水泥基浆体的六倍。纯矿渣地质聚合物系统的自收缩更为明显。Jiang等人[36]记录7天时的自收缩值为5060微米。值得注意的是，EGC在早期也表现出明显的变形行为。Yin等人[37]在仅3天的固化时间内记录了1191微米的收缩值。EGC显著的早期自收缩在初始固化阶段会产生较大的内部拉应力，从而影响其早期力学性能，阻碍其更广泛的应用。
已经进行了大量研究以开发减少混凝土收缩的方法，如使用减缩剂（SRAs）[38]、膨胀剂[39,40]、内部固化[36]和外部固化[41]。其中，使用超吸水性聚合物（SAP）进行内部固化因其在直接向混凝土基质供水方面显著的有效性而引起了大量研究兴趣[42]和自收缩[43]。SAP是一种交联的大分子材料，能够吸收并保持相当于其自身质量数百倍的水分。在水泥水化和硬化过程中，储存的水分逐渐释放到周围浆体中[44]。这一机制已被充分验证可以有效减少混凝土收缩[45]。例如，Laurence等人[46]证明，添加0.257%的SAP可在7天内将水泥砂浆的自收缩减少80%以上。在超高性能混凝土中，Liu等人[47]发现使用0.4%的非离子SAP可以完全消除自收缩。该聚合物吸收多余的混合水并在硬化过程中逐渐释放，从而保持浆体中的高IRH[39,48]。近年来，学术界越来越关注将SAP作为内部固化剂应用于地质聚合物系统以减少收缩[36,49]。Yang等人[39]记录到，含有0.3% SAP的基于矿渣的地质聚合物砂浆在14天时的自收缩仅为对照组的25%，SAP改善了孔结构并减少了收缩。同样，Li等人[48]观察到含有0.16% SAP的基于矿渣/粉煤灰的地质聚合物浆体在7天内的自收缩减少了50%以上，并发现SAP通过补偿其IRH来减少收缩。此外，关于SAP在EGC中的应用的研究也有所扩展。Yin等人[37]进一步研究了含有SAP颗粒的EGC，发现添加SAP可以有效减轻收缩，提高抗拉性能并增强耐久性。然而，SAP也可能阻碍地质聚合物系统的强度发展[50,51]。
从上述文献综述中可以看出，大多数关于EGC的研究主要集中在优化其机械性能上，包括抗压强度[52]、抗拉性能[53]、抗弯强度[54]、抗冲击性[55]和自修复能力[57]。然而，对于减少EGC显著的早期自收缩的关注较少，这无法为其设计和工程应用提供充分的支持。目前，关于SAP改善EGC性能的作用的研究仍然有限，SAP如何影响EGC的早期力学性能、收缩行为和微观结构演变的具体机制也不清楚。此外，由于EGC与传统混凝土在材料组成、微观结构特征和反应机制上的差异，现有的混凝土自收缩预测模型可能不适用于EGC。如何解决这些关键问题对于研究人员和工业用户来说仍然是一个未解之谜。
本研究阐明了SAP调节EGC早期水化动力学、力学性能和自收缩的机制。采用宏观分析技术，包括等温量热法、抗压强度测试、单轴拉伸测试和自收缩测量，来评估SAP用量（0.1–0.4%）和水灰比（w/b）（0.26–0.30）对抗压强度、抗拉强度、应力-应变响应和收缩变形的影响。此外，还应用了微观分析技术，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和核磁共振（NMR），以阐明EGC中纤维-基体界面和孔结构特征的变化过程。深入讨论了控制SAP改性EGC性能的内在机制。因此，利用实验数据开发了一个用于EGC自收缩预测的模拟模型。
