堿激發泡沫混凝土干燥收縮影響因素及其抑制方法研究進展

孫浩洋,張秀芝*,陶文宏,閆孝偉,侯杰,鄭沛祺,豐曙霞,杜鵬

（1.濟南大學 材料科學與工程學院，濟南 250022；2.山東正珩新材料科技有限責任公司，濟南 250014；3.濟南大學山東省建筑材料制備與測試技術重點實驗室，濟南 250022）

泡沫混凝土因其在漿體中引入大量氣孔而具有密度低、隔熱隔音、耐火耐高溫的優點，被廣泛應用于預制裝配式自保溫墻體、狹窄空間建筑、路橋工程等工程領域[1]。長期以來，泡沫混凝土的生產以普通硅酸鹽水泥(Ordinary portland cement，OPC)為主要膠凝材料，但OPC生產過程會伴隨著大量CO2的產生，加劇溫室效應，使全球生態環境更加惡劣[2]。因此，尋求低碳型膠凝材料以替代OPC生產制備輕質多孔的泡沫混凝土具有非常重要的意義。

堿激發材料是一種以硅鋁質廢棄物(粉煤灰、礦渣和鋼渣等)為原料的低碳膠凝材料[3]，具有良好的力學性能和優異的耐化學腐蝕性[4]。據報道，相比于OPC，堿激發材料的生產能耗降低約40%，CO2排放降低60%～80%[5]。因此，將堿激發材料和泡沫混凝土相結合生產堿激發泡沫混凝土在推進綠色建筑、節能減排、減小能源壓力等方面都有著重要意義。

盡管堿激發材料具有許多優點，但是其高收縮仍是需要解決的問題之一，特別是在泡沫混凝土這樣高孔隙率材料中[6]。膠凝材料收縮的主要形式有化學收縮、塑性收縮、自收縮、干燥收縮、碳化收縮等。因在泡沫混凝土制備過程中通常會采用較高的水灰比，并且泡沫中也會含有大量的水分，因此干燥收縮對泡沫混凝土影響較大，容易造成產品的開裂，成為外界有害物質侵蝕的途徑[7]。特別是當密度降低至非結構材料水平時，孔隙之間的壁更薄，開裂風險也更高，從而顯著影響材料的力學性能和耐久性[8-9]。因此，在關注堿激發泡沫混凝土強度和導熱性能的同時，其干燥收縮性能應被重視[10]。本文基于國內外文獻資料，對堿激發泡沫混凝土干燥收縮影響因素、產生機制及減小干燥收縮的方法進行了總結與分析，以期為堿激發泡沫混凝土的研究與工程應用提供理論參考。

1 堿激發泡沫混凝土干燥收縮機制

孔徑分布對干燥收縮的大小有重要影響[11-12]，但對于孔徑的劃分不同文獻中的分類標準不同。本文以國際理論和應用化學聯合會(IUPAC)標準，按孔尺寸大小定義孔的類別為微孔(小于2 nm)、中孔(2～50 nm)和大孔(大于50 nm)。Shi[13]曾對比了OPC和堿激發礦渣砂漿的孔徑分布，發現堿激發砂漿的孔隙不連續。Collins等[14]研究了這種不連續孔徑分布與堿激發礦渣混凝土干燥收縮之間的關系，發現水玻璃激發礦渣混凝土中含有74%～82%的中孔(2～50 nm)，與OPC混凝土相比毛細應力更大，故在干燥過程中收縮更大。Palacios等[15]在研究聚丙烯醇減縮劑對水玻璃激發礦渣砂漿收縮性影響中發現：減縮劑改變了孔結構，增加了直徑在100～1 000 μm孔的百分比，最高可將收縮降至與OPC相近，此范圍的孔毛細管應力遠低于其他孔徑，可能與干燥收縮值無不利影響。

干燥收縮的機制有毛細管張力理論、表面張力理論、分離壓力理論和層間水遷移理論[16]，如圖1所示。其中，圖1(a)表示毛細管中的液面降低形成的彎月面使孔壁承受較大的應力，稱為毛細管張力理論，可通過下式Laplace方程[16-17]計算：

圖1 堿激發泡沫混凝土干燥收縮機制圖示：(a)毛細管力；(b)表面自由能；(c)分離壓力；(d)層間水運動[12]Fig.1 Diagram of alkali-activated foam concrete drying mechanism: (a) Capillary force; (b) Surface free energy; (c) Separation pressure;(d) Interlayer water movement[12]

式中：σ為收縮應力；γ為孔隙溶液的表面張力；HR為毛細管內的相對濕度；r為毛細管彎月面的臨界曲率半徑；M為水的摩爾質量；ρ是水的密度，取0.018 kg·mol-1；R為通用氣體常數，一般取8.314 J·mol-1·K-1；T為溫度。毛細管張力理論適用于相對濕度高于50%的高濕度環境已經基本取得共識，但是最低適用相對濕度仍存有爭議，35%～50%不等[18]。

圖1(b)為表面張力理論，表示材料表面吸附水層消失后表面分子引力不均衡所引起的收縮。隨凝膠表面吸附水的脫離，比表面自由能提高，材料將有減小表面積的趨勢，因而產生收縮[19]。這種力與顆粒尺寸有關，當顆粒大時就等于0，但對于比表面積較大(1 000 m2/kg)的細微顆粒，表面張力引起的體積收縮不容忽視。若是相對濕度較高時，表面吸附水層收縮應力也會減小，因此表面張力理論一般適用于解釋相對濕度40%以下的情況。

圖1(c)表示的是分離壓力，分離壓為兩個界面之間與界面距離相關的應力，是范德華引力、雙電層斥力和結構斥力的綜合體現[20]。在一定的濕度條件下，水分子吸附于凝膠表面，此過程會產生分離壓，而吸附水膜的厚度隨相對濕度的增加而增大。凝膠粒子之間通過范德華力相互吸引，當分離壓大于范德華力時，會迫使凝膠粒子相互分離，從而導致膨脹。當分離壓小于范德華力時，凝膠粒子兩個表面之間的距離減小，即收縮。一般適用于解釋相對濕度40%～100%的收縮情況[15]。

圖1(d)為層間水遷移理論的解釋示意圖，其歸因于水泥水化產物水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠的特殊層狀結構。當相對濕度小于11%時，凝膠的層間水流失引起基體收縮[15]。堿激發材料的反應產物多為水化硅鋁酸鈣(C-A-S-H)凝膠和水化硅鋁酸鈉(N-A-S-H)凝膠，如圖2的凝膠結構模型所示[21]。C-A-S-H的結構與C-S-H(I)相似，但是NA-S-H與天然沸石的三維網狀結構相似，因此，此機制不常用于解釋堿激發材料的收縮。

圖2 凝膠結構模型[21]Fig.2 Gel structure model[21]

綜上所述，干燥收縮本質是凝膠孔和毛細管內的收縮，相對濕度的不同，主導干燥收縮的機制不同[22]。影響堿激發材料干燥收縮的因素通過對相對濕度和孔隙尺寸與結構的影響，引起的干燥收縮程度不同。影響堿激發材料干燥收縮的因素可以分為外部因素和內部因素。外部因素指環境條件，包括溫度、相對濕度、風速等因素對材料表面水分蒸發速率的影響；內部因素決定材料本身的特征包括水化產物的種類、數量及孔隙率、孔結構等，這主要由前驅體、激發劑、水膠比、泡沫含量和外加劑影響。

2 堿激發泡沫混凝土干燥收縮影響因素

堿激發泡沫混凝土干燥收縮的影響因素包括前驅體、激發劑、水膠比、發泡方式與泡沫量和環境養護條件等的影響。

2.1 前驅體

堿激發材料中前驅體作為原料主要提供硅、鋁、鈣等元素，通過激發劑加快這些元素的氧化物在硬化過程中的解聚縮聚反應，最終生成由硅氧四面體[SiO4]4-和鋁氧四面體[AlO4]5-通過橋氧鍵連接的類沸石結構的膠凝材料[23]。與水泥基材料不同，堿激發材料的具體反應機制隨原料組成的不同而不同，圖3為堿激發材料反應過程示意圖[24]。根據鈣含量的不同，制備堿激發材料的原料可分為以下兩類：低鈣體系和高鈣體系。

圖3 堿激發反應過程[24]Fig.3 Alkali activated reaction process[24]

礦渣是高鈣體系的典型代表，礦渣的主要化學組成為CaO和無定形SiO2，主要活性組分是玻璃相，在堿性激發劑的作用下，玻璃體中共價鍵會發生斷裂、溶解并進一步發生反應，生成C/S=0.9～1.2、類似托貝莫來石的C-S-H凝膠和無定性態C-A-S-H凝膠[25-27]。

對于低鈣體系(如偏高嶺土和粉煤灰)，前驅體需要高堿環境才能活化，其主要水化產物N-AS-H凝膠為硅氧四面體與鋁氧四面體通過共享氧原子相連形成高度交聯的多孔凝膠結構，堿性陽離子(Na+、K+、Ca2+)存在框架腔內，與框架中帶負電的氧相連，起到平衡電荷的作用[28]。當原料中鈣含量增加時，水化產物中N-A-S-H凝膠量減少，C-A-S-H凝膠量增多，這有利于材料致密性和力學性能的提高[29]。由于堿激發材料反應產物中結晶相比OPC反應產物少，沒有鈣礬石等晶體物質；并且，Ye等[30]發現堿激發材料的前驅體反應產物本身的結構具有黏彈性，這均會使收縮持續時間更長。

前驅體的細度也是影響干燥收縮的原因之一。前驅體顆粒越細，材料強度越高，但同時也會引起更大的干燥收縮值，使體積穩定性下降[31]。周世華等[32]研究了水泥細度對硬化漿體干燥收縮的影響，試驗結果表明硅酸鹽水泥越細，砂漿體積穩定性越差，尤其是當水泥比表面積超過340 m2/kg時，水泥細度對砂漿體積穩定性的影響非常顯著。由于顆粒的比表面積越大，表面水消失速率越快，導致比表面自由能提高越大，材料的收縮增大。

一些研究中將堿激發材料收縮大歸因于比水泥材料更精細的孔結構[27-34]。由圖4可以看出，當水膠比為0.5 (w/b=0.5)時，與OPC漿體相比，堿激發材料中孔(1.25～25 nm)含量更高。據Adesanya等[35]測定，堿激發礦渣(AAS)漿體的中孔(2～50 nm)百分比為74.0%～82.0%，而OPC漿體的中孔百分比僅為24.7%～36.4%。因此，與水泥基材料相比，堿激發材料因水化產物不同所造成的高細孔結構是引起干燥收縮的重要原因。

圖4 普通硅酸鹽水泥(OPC)和堿激發礦渣(AAS)的干燥收縮與孔徑關系(水膠比w/b=0.5)[33]Fig.4 Relationship between drying shrinkage and pore size of ordinary portland cement (OPC) and alkali-activated slag (AAS)(Water-binder ratio w/b=0.5)[33]

2.2 激發劑

激發劑為前驅體的解聚提供堿性環境，是促使其加快反應的化學物質[22]。目前常用的激發劑主要是能夠提供OH-、SiO2、CO32-、SO42-的化合物，有苛性堿(MOH)，弱酸鹽(MF、M2CO3、M2PO4、硅酸鹽(M2OSiO2)等)(M為一價金屬元素)，其中應用廣泛的主要有NaOH、水玻璃、水泥、硅酸鹽水泥熟料等[36]。

在堿激發材料中，堿激發劑的種類和摻量將直接影響反應產物的組成和硬化后的孔隙分布，最終影響材料的收縮和力學性能，研究結果發現水玻璃作為激發劑比氫氧化鈉具有更優良的性能[37]。因最后形成凝膠與第一步溶出的硅氧單體和鋁氧單體的量相關，而影響前驅體溶解的主要因素包括堿激發劑溶液的濃度、離子種類、濃度等[38]。程國東等[39]發現眾多影響因素中對材料性能影響程度最低是水玻璃模數。

激發劑是堿激發材料與水泥基材料有較大區別的一個參數，因此，使用時可以根據產品性能要求，基于激發劑種類、模數、堿當量等參數對各性能的影響進行調控。

2.3 水膠比

水膠比會影響膠凝材料內部濕度，與微觀結構中化合物固體的形態密切相關，因此對混凝土的干燥收縮有顯著影響。由于干燥收縮一般在前7天發展較快，因此早期失水引起的干燥收縮是影響其耐久性的關鍵參數[40]。

泡沫混凝土為了獲得更好的和易性，一般使用較高水膠比，這會導致泡沫混凝土易產生由于物理失水引起的干燥收縮。在水泥基材料中，超過反應所需的水留在基體的孔隙內用于后續反應及維持內部相對濕度，防止因基體的凝膠失水導致強度下降，這時的水含量被稱為初始含水率。賈興文等[41]發現隨著初始含水率降低，試件的干燥收縮值近似線性下降；但此時自生收縮值將會增加，這也會導致材料總收縮增大。但若水膠比增大，過稀的漿體黏度下降，增加了材料內部孔隙連通性，過多的水分生成更多的毛細水分蒸發通道，造成更大收縮[42]。柴大霞等[43]制備了不同水膠比的堿礦渣泡沫混凝土，通過SEM觀察了微觀形貌，發現強度不同主要是由于微裂紋造成的。王洪飛等[44]研究了水膠比對堿礦渣泡沫混凝土力學性能影響，當水膠比為0.43時，通過對SEM圖像的觀察發現泡沫混凝土各微孔壁相對完整、大小均勻，能夠形成良好的微孔堆積和級配，此時力學性能最佳。因此，適宜的水膠比不僅有利于泡沫混凝土的和易性，同時有利于控制孔徑分布及減少孔的連通性，減少其體積收縮。

2.4 發泡方式與泡沫量

目前堿激發泡沫混凝土的發泡方式有化學發泡法和物理發泡法[45]?；瘜W發泡技術主要是以鋁粉、Zn粉、H2O2或Si等作為發氣劑，與堿激發材料漿體一起攪拌均勻，漿料中的部分物質與發氣劑反應產生H2或O2等氣體，然后注模成型，最后養護得到堿激發泡沫混凝土材料。物理發泡法，是將泡沫劑利用快速機械攪拌，通過引入空氣形成預制泡沫，然后將預制泡沫與預先制得的漿料混合，注模成型，最后養護到一定齡期后得到堿激發泡沫混凝土。

不同發泡方式形成的孔隙結構差異影響了泡沫混凝土的密度和性能。Zhang等[46]發現機械發泡生產的泡沫混凝土中孔隙尺寸比化學發泡混凝土中的孔隙尺寸更細、圓度更高、孔徑分布范圍更窄、孔尺寸更均勻；并且，孔隙的連通性與混合物的密度有關，與發泡方法無關。Zhao等[47]的研究中，化學發泡中所用發泡劑(例如H2O2)含量增加會增大孔徑，并導致出現不規則形狀的孔，孔隙連通率也較物理發泡的更大，水分更容易逸出。

采用物理發泡時，泡沫摻量也會影響材料的收縮，這與泡沫混凝土中孔隙含量相關。如圖5所示，隨著泡沫摻量(Foam volume，FV)從10wt%增加到50wt%，28天收縮值在逐漸下降。一些研究認為，泡沫混凝土中泡沫量越多收縮值越低，這可能是由于體系中漿體占比減少的緣故[48-49]。Rezaei等[50]以粉煤灰為硅鋁酸鹽前驅體，制備澆筑密度在600 kg/m3至1 100 kg/m3之間的泡沫混凝土，發現隨著密度降低，堿激發泡沫混凝土的干燥收縮率下降，其原因亦如是。

圖5 水泥-砂基體10%～50%泡沫摻量的干燥收縮[42]Fig.5 Drying shrinkage of cement-sand matrix with 10%-50% foam content[42]

2.5 環境影響

環境條件包括相對濕度、溫度、風速等，這些因素決定了材料的干燥程度。當環境在較低相對濕度、高溫、高風速時，材料表面到材料底層將形成較大的濕度梯度。濕度梯度使干燥材料表面的收縮受到具有較低收縮率底層材料的限制，導致垂直于干燥表面裂紋的產生，從而降低材料的耐久性[51]。泡沫混凝土內部連通的孔隙使其表面積比普通混凝土更大，因此在凝結硬化過程中更容易失水；而且堿激發材料干縮比較大，養護濕度和溫度的變化都會引起堿激發材料中水化產物及水分變化。目前，用于泡沫混凝土的外部養護技術包括傳統的加水養護(即噴水、噴霧、蒸汽養護等)和密封養護(即通過塑料薄膜、防水覆蓋物、表面涂層等)[27]。蒸汽養護可以提高堿激發泡沫混凝土的水化程度，溫度升高水化程度增大，抗壓強度提高的同時可以降低孔隙的連通性[52]。

材料的最終收縮不僅取決于相對濕度或質量損失，還取決于干燥速率和養護齡期，最終收縮會隨著養護齡期的延長而降低。葉家元等[53]的實驗中，在標準養護或淡水養護條件下，堿激發硬化漿體中的游離堿會隨著水分向外部遷移，從而降低激發劑的后期激發效果，同時由于堿激發材料的溶解-解聚-縮聚水化過程必須有水的參與，當環境濕度較低時，水化進程自然受到影響。自然養護條件下，由于膠結漿體中水分容易蒸發，漿體干縮增大，水化作用減弱，故多孔混凝土抗壓強度降低。Collins等[14]發現，當相對濕度(RH)大于50%時，堿激發礦渣混凝土360天內的干燥收縮值遠遠大于OPC混凝土。Collins等[54]在其他研究中，堿激發混凝土在50%相對濕度時，224天的干燥收縮值高于OPC混凝土，而在相對濕度40%下養護500天與OPC混凝土之間沒有顯著差異。另外，高溫蒸壓養護可以減小材料的收縮，詳見3.7節。

3 抑制堿激發泡沫混凝土干燥收縮的方法

由上述可知，影響堿激發泡沫混凝土收縮的因素既有外因也有內因，因此要抑制其收縮也要從這兩個方面進行調節，從而達到防止開裂的目的。這一部分將從前驅體、激發劑、集料、納米顆粒、纖維、外加劑和養護制度等方面總結討論減小堿激發泡沫混凝土干燥收縮的措施和機制。

3.1 前驅體

原料中鈣含量高有利于材料致密性和力學性能提高，但這也增加了材料的收縮率。粉煤灰具有火山灰效應和微集料效應，能起到增強和堵塞混凝土中的毛細組織的作用，降低總孔隙率，減小收縮。但是粉煤灰過多會帶來延緩凝結和強度發展的副作用[55]。薛恒岳[56]把粉煤灰-礦渣砂漿中粉煤灰的摻量從70wt%提高到90wt%，90天干燥收縮值從7 237×10-6降低至6 503×10-6。

堿激發材料干燥收縮較大的另一個原因是水化產物中的結晶相較少，故含有微量的鈣的偏高嶺土可以促進結晶度良好的斜方鈣沸石相生成，以在一定程度上減小收縮[57]。與其他前驅體化學反應過程不同，堿激發偏高嶺土具有沸石的NH4+離子交換性質，反應產物是無定形類沸石，這種低聚合度的產物使堿激發偏高嶺土材料在化學反應過程中體積會發生膨脹，這一特性也是偏高嶺土可以減小收縮的原因之一[58]。

綜上，前驅體選擇適量低鈣或無鈣材料(如粉煤灰、偏高嶺土等)，有利于從水化產物種類與結構上減少收縮。但由于低鈣前驅體會延長凝結時間，應用在泡沫混凝土中不但影響早期強度，還會影響泡沫穩定性。因此，堿激發泡沫混凝土在膠凝材料基體設計上應綜合考慮凝結時間、強度與收縮的關系，對前驅體的種類及摻量進行調整與復合，以提高各礦物在材料中的有效合理利用。

3.2 激發劑

研究表明，水玻璃作為激發劑比NaOH、Na2CO3或Na2SO4具有更高的早期強度，也具有更顯著的收縮[59]。這主要是由于水玻璃激發的漿體水化速率較快，在早期形成低鈣硅比的C-S-H凝膠較多，纖維化程度高，凝膠孔較多，故較大的表面張力引起較大收縮。其最初7天的干燥收縮值幾乎達到其總干燥收縮值的70%，之后收縮速率逐漸降低。因此導致水玻璃激發的堿礦渣泡沫混凝土干縮高于NaOH激發的堿礦渣泡沫混凝土[60]。

水玻璃模數和堿當量也會直接影響堿激發材料的收縮特性[22]。圖6為堿激發礦渣砂漿長達6個月中激發劑變化對孔徑分布和干燥收縮的影響[61]。如圖6(a)所示，與水玻璃激發的礦渣砂漿相比，水玻璃模數MS=0 (NaOH激發)砂漿具有相當多的大孔(50～10 000 nm)和中孔(2～50 nm)。對于水玻璃激發的砂漿，MS=0.4砂漿的中孔量約為MS=1.2砂漿的一半。MS=0.4砂漿的大孔數量也低于MS=1.2砂漿。圖6(b)顯示，隨著MS增大干燥收縮明顯增加，在MS=0.4以上，干燥收縮也隨著Na2O含量的增加而增加[55]。Ye等[30]也發現適當增加堿當量可以增加反應程度，細化孔結構，增加中孔(10～100 nm)的占比。

圖6 堿激發礦渣砂漿：(a) 孔徑分布；(b) 水玻璃模數；(c) 堿當量對干燥收縮的影響[61]Fig.6 Alkali-activated slag mortar: (a) Pore size distribution;(b) Influence of sodium silicate modulus; (c) Alkali equivalent on drying shrinkage[61]

因此，與NaOH作為激發劑相比，水玻璃作為激發劑在帶來更高強度的同時也會導致干燥收縮增加。當堿激發泡沫混凝土應用于非結構材料時可以適當降低堿當量或水玻璃模數來平衡試件的強度和干燥收縮。若需要較高干密度，則可以考慮加入集料來提高物理性能，減小干縮。

3.3 集料

無論是在硅酸鹽水泥混凝土還是泡沫混凝土中，集料對收縮的抑制作用都是不可取代的。集料減少收縮的本質是其具有一定的硬度從而限制了材料的整體變形。集料在承受應力時通常不會表現出明顯的蠕變，而且由于集料自身的低滲透性低，體積不會因失水而發生變化。在泡沫混凝土中，集料與膠凝材料比越高，膠凝材料體積分數越小，材料收縮就越減小。

集料粒徑增大會使泡沫混凝土干燥收縮值增加，因此為了避免泡沫大面積破裂，泡沫混凝土所用集料粒徑一般不超過3 mm[62]。毫米級玻璃粉也可以代替細砂，而且玻璃粉中無定形二氧化硅含量較高，具有火山灰性質，隨著時間推移，玻璃粉顆粒表面會和漿體反應形成更致密的凝膠從而使兩者結合更緊密。Ailar等[63]將玻璃粉摻到30wt%發現：56天收縮值為1 500 μm/m，比對比組降低了40%以上，強度比砂集料泡沫混凝土提高了77%。由于玻璃的密度比砂小，要使加砂的樣品與加玻璃粉的樣品達到相同的密度，需要加入更多的泡沫來平衡。以玻璃粉作為集料的泡沫混凝土其強度比加砂的高出許多，其中一個原因就是相同干密度加砂的泡沫混凝土泡沫量更大，增加了孔隙的連通性，并且加玻璃粉組的孔隙圓度更高，提高了強度。

超過膠凝材料細度的玻璃粉作為集料也可以顯著降低基體的干燥收縮[64]。龔建清等[65]發現在干密度為800 kg/m3堿激發泡沫混凝土中，當玻璃粉摻量為20wt%時，干燥收縮值最低，由于玻璃粉活性低于礦渣，前期未反應顆粒起到集料的骨架支撐作用；并且玻璃粉早期水化反應比礦渣緩慢，反應產物減少，從而引起的收縮較??；隨著玻璃粉的溶解和水化的進行，玻璃粉的高二氧化硅含量和高堿含量，可以促進C-(N-)A-S-H 凝膠的形成，有利于細化孔隙并減少連通孔，增加了漿體中水分遷移難度，降低了后期的收縮[66]。

堿激發泡沫混凝土中所摻入集料的種類、尺寸和數量與砂漿和混凝土中的要求不同，為了保證泡沫的穩定性，集料尺寸最好不要超過3 mm，集膠比不超過0.5。另外，像玻璃粉這樣的活性集料可能與基體發生堿集料反應導致膨脹破壞[67]。

3.4 納米顆粒

納米顆粒在堿激發材料中可以起到填充孔隙密實結構、作為晶核誘導晶體形成、阻滯孔隙內水分的蒸發與滲流等作用，使收縮得以控制并增強漿體的抗壓強度[68]。Yang等[69]證實了在堿激發礦渣基材料中使用納米TiO2不僅可以降低干縮，還提高了試樣的抗壓強度。這與納米TiO2可以加速堿激發礦渣的水化進程、提高水化反應度、形成致密的微觀結構有關[70]。楊凌艷[71]研究了摻量為礦粉質量的0.5%的金紅石型納米TiO2可使28天堿激發礦渣總孔隙率降至基準組的69.5%，孔尺寸在1.25～25 nm的含量降低至59.6%，收縮減小。

如圖7所示，高活性的納米MgO (MgOH)同樣可以促進堿激發礦渣膠凝材料早期水化反應，所形成的物質可填充孔隙(其中，MgOM為中等活性的納米MgO)[72]。Huang等[73]將高活性的MgO應用于高爐礦渣基地聚物的收縮控制，發現當高活性MgO摻量低于8wt%時，可減少堿激發礦渣材料的收縮率。甘戈金等[74]發現，S85級的MgO摻量為30wt%的試塊28天斷面形貌可以觀察到大量由MgO轉化生成的Mg(OH)2與MgCO3晶體，對漿體的收縮有顯著的補償作用。

圖7 不同活性的氧化鎂摻量對堿激發礦渣干燥收縮的影響[72]Fig.7 Effect of MgO content with different activity on drying shrinkage of alkali activated slag[72]

碳基納米材料包括富勒烯、納米管和納米石墨等，這些納米材料形態不同，特別是碳納米管可以在納米尺度上提供橋接效應，以增強凝膠抵抗變形應力。此外，尺寸為20～40 nm的碳基納米材料還可以通過成核效應誘導水化產物形成，以增加基體密實度；并作為填料細化50 nm以下的孔結構，從而減小毛細管應力和干燥收縮[75]。在水泥基材料中碳納米管對基體具有增強作用，即使在較小的用量(0.1wt%)下，也能有效增強C-SH凝膠，使干燥收縮率降低15%～21%。在堿礦渣材料中，摻量0.1wt%的碳納米管的樣品比不加的收縮率減少20%[76]。與碳納米管的作用相似，邱軍付等[68]研究發現納米纖維比普通聚丙烯纖維更能增強泡沫混凝土的韌性，可起到“晶核”作用，吸附周圍的粒子，降低收縮。

3.5 纖維

任何作用于基體的能量都會轉化為裂紋并導致材料的破壞，因此混凝土材料結構不僅需要具有一定耐久性的基體，還包括能夠吸收裂紋擴展能量的黏彈性摻雜物。纖維可以作為混凝土材料中的一種黏彈性組分，它的延伸性能可以大量吸收來自外界的能量，最終達到抑制基體材料中裂縫發展的效果[77]。

纖維可以有效改善基體的機械特性，提高基體的抗彎曲、抗拉伸開裂、抗沖擊和抗收縮等性能。纖維對基體材料的增強性，取決于纖維類型、長徑比和摻量[78]。合成纖維可以增強拉伸強度和沖擊強度，并消除溫度和收縮裂紋。Amran[79]研究發現密度為1 000～1 900 kg/m3的不含聚丙烯(PP)纖維的泡沫混凝土150天的干燥收縮應變在400 μm/m～1 250 μm/m之間，加入3vol%摻量PP纖維的收縮降低至400 μm/m左右。Kudyakov等[80]將膠凝材料質量2%的石棉纖維加入水泥基泡沫混凝土中，發現閉口孔的尺寸更均勻，收縮減小50%。Mamun等[81]發現，摻有0.2vol%的聚丙烯微纖維的泡沫混凝土，不僅可以保持所需的流動性，還可以有效地減小了干縮。詹炳根等[82]發現摻入0.6vol%的耐堿玻璃纖維的泡沫混凝土3天、7天和14天的干燥收縮分別降低了40.5%、33.7%和18.68%。綜上，可以看出纖維對早期干縮的抑制作用非常明顯。

天然纖維如大麻纖維、亞麻纖維、棕櫚纖維等，具有環保、可再生、無腐蝕性、價格便宜的優點且來源廣泛。為了更好地適應堿激發材料強堿性的環境、提高機械性能和耐久性，需要對其進行改性[83]。在水泥基復合材料中使用大麻纖維的研究顯示出提高能量吸收能力、降低收縮和提高抗沖擊性能的潛力[84]。

纖維混雜可以結合不同類型纖維的優點。水泥基泡沫混凝土中，摻量為0.30wt%，長度為15 mm的混雜纖維(玄武巖纖維與聚乙烯醇(PVA))收縮值只有基準組的43%左右，有效降低了干燥收縮[85]。表1中列舉了不同纖維在泡沫混凝土中的應用實驗結果[86-89]?？梢钥闯?，纖維可以有效抑制泡沫混凝土的收縮與開裂，但是纖維的種類、長度及長徑比等參數影響其效果。體積分數大于0.25vol%的纖維就可以提高抗壓強度[90]，且纖維不宜超過15 mm，過長的纖維可能會結團，不僅無法起到減縮的目的，反而在基體中形成缺陷，降低材料強度。目前PP纖維和PVA纖維在泡沫混凝土中使用較多，若使用天然纖維，一般要先進行預處理。目前對于纖維增強堿激發泡沫混凝土研究中，界面與基體的結合效果相對研究較少，如何進一步加強纖維與堿激發材料的界面結合及纖維在高堿性環境下的適應性還需進一步探究。

表1 纖維種類及摻量對泡沫混凝土干燥收縮的影響Table 1 Effect of fiber type and content on drying shrinkage of alkali-activated foam concrete

3.6 外加劑

由于堿激發材料體系較高的堿度及復雜的凝結硬化過程，大多數適用于水泥體系的外加劑并不一定能適用于堿激發材料。但是由于材料進一步工程化應用的需求，研究者也取得了一定的成果[91-93]。目前常用的化學外加劑有表面活性劑、膨脹劑、減縮劑和高吸水性聚合物等。這些外加劑可以使膠凝材料的孔結構更致密，降低復合材料中毛細管的比例和總孔隙率，并促進結晶相的產生。本節總結了多種外加劑對堿激發泡沫混凝土干燥收縮的作用機制與影響。

3.6.1 發泡劑與減水劑

物理發泡法所用發泡劑一般為有機表面活性劑，可以降低孔隙液表面張力。發泡劑類型不同所制備的泡沫密度有差異，為使泡沫混凝土達到同一密度所需的泡沫量也不同，從而對基體的影響程度也不同。發泡劑通過改變孔隙溶液的表面張力進而改變彎月面形成處的孔隙半徑，起到與減縮劑類似的效果，從而影響最終收縮的程度。

減水劑作為一種表面活性劑，吸附于粉料顆粒表面時可顯示電性能，因而粉料顆粒由于表面帶有相同電荷而產生相互排斥，顆粒分散后將包裹在內部的水排出，得以潤滑漿體提高流動性能[94]。

Bakharev等[95]觀察到萘系減水劑在高爐礦渣基地聚物體系中失效并會降低強度，木質素磺酸鹽類外加劑使收縮率略有降低。

因此，在硅酸鹽水泥混凝土中使用的減水劑不一定適用于堿激發泡沫混凝土?？赡苁菧p水劑在堿激發材料的強堿性環境中化學結構被破壞，從而降低了使用效果。例如萘系減水劑會增加堿激發材料的收縮，聚羧酸減水劑也會使材料產生大量大孔和連通孔，使材料更易失水，強度下降，收縮增大[15]。另外，減水劑與泡沫劑的相容性在泡沫混凝土中也需考慮。因此，研發與尋找可適用于堿激發材料體系的減水劑對于高強自流平堿激發泡沫混凝土的生產尤其重要，這也是堿激發材料發展應用的中急需解決的問題。

3.6.2 膨脹劑與減縮劑

膨脹劑是在膠凝材料水化硬化時通過體積膨脹來填充孔隙從而達到減小收縮的目的。這種收縮補償機制主要歸因于氫氧化鈣和鈣礬石這些晶體的形成。但是蔣俊等[96]研究發現膨脹組分能降低泡沫混凝土的干燥收縮，但強度有所降低。減縮劑可以降低水表面張力及凹液面的接觸角，當減縮劑用量達3%時，可使干燥收縮率降低20%～50%。將外加劑與膨脹劑相結合，協同效應發揮各自優勢，可使干燥收縮減少80%[36]。醇類可以降低干燥收縮并且對強度、干密度等性能影響很小，可用于堿激發泡沫混凝土作為減縮劑。但是某些醚類降低表面張力和降低收縮能力非常強會影響泡沫的穩定性，并不適用泡沫混凝土[97]。Palacios等[15]研究了聚丙二醇基減縮劑，發現其除了可以減小孔隙溶液與骨架之間的表面張力，還可以促使膠凝材料形成更多的大孔隙，使曲液面引起的應力減小，使體系產生收縮的內在驅動力變小，從而減少材料收縮。同時，聚丙二醇基減縮劑還可以延緩了高爐礦渣基材料在低濕度養護下的激發時間。Ling等[98]對比了己二醇基減縮劑應用于水泥基材料與堿激發粉煤灰材料的收縮有效性，結果表明：己二醇基減縮劑使堿激發粉煤灰材料在保持強度基本不變的前提下，孔結構變粗，自由干縮與圓環約束收縮均明顯降低，裂紋萌生時間明顯延遲，裂紋寬度顯著減小。這些都是基于己二醇基減縮劑使堿激發粉煤灰材料臨界孔隙半徑增大的結果。

某些材料可以吸水并在反應過程中逐漸釋放所吸附水分，用于維持內部反應所需的水分，有效降低材料體系的收縮，這種養護方式稱為內養護，用于內養護的材料稱為內養護劑。柴大霞等[99]的研究中摻入陶粒的泡沫混凝土在自然養護下也能減小收縮。聚丙烯酸鈉鹽高吸水樹脂的摻入會使堿激發泡沫混凝土干燥收縮和自收縮減小。丁慶軍等[62]研究發現，高吸水樹脂雖然可以有效降低泡沫混凝土的收縮，但是樹脂不斷釋放水分之后會留下孔隙，大大影響了強度。根據膠孔比理論，孔隙率每增加1%，混凝土強度就將降低約5%[100]。

綜上，研究者們通過引入外加劑對堿激發材料的功能屬性或本征性能進行調控，膨脹劑、減縮劑和高吸水性聚合物均可有效降低堿激發材料的收縮率，但也會在一定程度上影響材料的聚合反應動力學，因此材料力學性能的變化不可忽視。然而，這些外加劑對力學性能的影響在文獻中存在諸多矛盾，這可能由于外加劑種類和堿激發材料的成分差異所引起，其相關性能演化及作用機制也需深入研究。

3.7 養護制度

通過蒸壓養護的方式可以部分減小收縮。水泥基泡沫混凝土砌塊經過蒸壓養護可以明顯改善收縮。Nambiar等[49]用50℃固化試樣，發現在較高溫度下固化的試樣收縮率略有下降。升高養護溫度可以加速材料的反應速率，提高早期強度，這可能是由于高溫會加速堿活化，因此導致收縮的孔隙水會減少[101]。

雖然高溫養護可以減小收縮，但是Traven等[102]發現600℃以上堿激發材料會產生熱收縮現象。研究了堿激發粉煤灰-偏高嶺土泡沫混凝土在高溫下的收縮性能，發現摻加偏高嶺土可以降低熱收縮，與粉煤灰基體的試樣相比熱收縮減??；并且用鉀類激發劑比鈉類激發劑材料熱收縮小(雖然鉀類激發劑的強度低于鈉類激發劑的)。Duxson等[103]也得到了相同的結論，但是硅鋁比增大會使晶相數量減少，增加熱收縮率。堿激發材料耐熱性優于水泥基材料，因此堿激發泡沫混凝土可作為隔熱保溫材料用于更高溫度的環境，具有更廣的應用。

三維聚合的 N-A-S-H 凝膠具有與沸石類似的結構，這為堿激發膠凝材料用作制備沸石的前驅體奠定了基礎[104]。近年來，有不少研究堿激發膠凝材料的學者表示，在堿激發材料中發現了類沸石的晶體結構，特別是在高溫環境下[105-106]。

蒸壓養護和高溫養護更適用于預制構件的生產，但需要對溫度進行限制，否則干燥收縮減小的同時熱收縮也會影響到材料的耐久性。大型構件及現場制備的方式則無法采用以上方式進行養護，可以考慮通過摻入集料、纖維或內養護劑的方式來降低收縮率。

4 結論與展望

影響堿激發泡沫混凝土材料干燥收縮的因素最終歸結為基體的收縮與內部結構的變化?；w是由水化產物的組成、結構和數量及未水化顆粒構成；結構為各組分在材料中的比例、分布狀態及材料內的孔隙率、孔尺寸及孔結構等。

(1) 堿激發材料水化產物中結晶相少，本身的結構具有黏彈性。其中高鈣體系主要生成類似托貝莫來石的水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠和無定形態水化硅鋁酸鈣(C-A-S-H)凝膠，低鈣體系主要生成水化硅鋁酸鈉(N-A-S-H)，因高鈣體系的產物有較大的表面張力，產生更大的干燥收縮；水膠比對孔隙有更直接的影響，增大水膠比會增加材料內部孔隙連通性風險，過多的水分生成更多的毛細水分蒸發通道，造成更大收縮；水玻璃作為激發劑、堿當量的增加在帶來更高強度的同時也會增加中孔含量，導致干燥收縮增加。在堿激發泡沫混凝土中，物理發泡與化學發泡產生的孔結構和孔尺寸不同，材料密度對孔隙的連通性影響較大，漿體體積減少，密度降低，干燥收縮降低。

(2) 抑制堿激發泡沫混凝土干燥收縮的方法有適當引入低鈣原料，可以通過改變水化產物、生成晶體或堵塞孔隙的方式。降低水玻璃模數和堿當量可以粗化孔徑減小干縮。集料可起到減小收縮的作用，但考慮到泡沫穩定性，集料的尺寸最好不要超過3 mm，集膠比不超過0.5。玻璃粉作為集料時前期活性低于前驅體，起到骨架支撐作用，后期玻璃粉的高二氧化硅含量和高堿含量，可以促進C-(N-)A-S-H凝膠的形成，有利于細化孔隙并減少連通孔，降低收縮。摻加纖維時長度不宜超過15 mm，使用天然纖維要考慮強堿環境對表面的破壞，將纖維進行改性和處理；納米顆粒在堿激發材料中可以起到填充孔隙密實結構、作為晶核誘導晶體形成、阻滯孔隙內水分的蒸發與滲流等作用，使收縮得以控制。利用外加劑和養護條件減小堿激發泡沫混凝土收縮還需進一步探索，以得到突破性的結果。

雖然對于堿激發泡沫混凝土干燥收縮及抑制措施已經取得了相當的成果，但以下幾個方面可能是還需進一步深入展開的工作：

(1) 由于堿激發泡沫混凝土的原料成分和性能波動較大，不同來源的原材料會帶來完全不同的凝結硬化行為。若原材料理化性質的復雜性無法得到全面的認識，將阻礙相關研究的進一步探索。因此，確立原材料組成與產品性能之間的定量關系對堿激發泡沫混凝土更廣泛的應用非常重要；

(2) 由于水化產物結構不同和摻入泡沫的原因，堿激發泡沫混凝土的收縮機制與硅酸鹽水泥基材料不完全相同。雖然部分應用于堿激發泡沫混凝土的減縮方法與堿激發混凝土、水泥基材料相同，但是在堿激發泡沫混凝土中所起作用的程度不同。要厘清堿激發泡沫混凝土收縮機制、明確收縮程度及如何抑制干燥收縮的同時平衡其他各項性能需要結合堿激發材料和泡沫混凝土兩方面的特點；

(3) 孔徑和孔隙率均與材料干燥收縮有很強的相關性，影響堿激發材料干燥收縮的因素通過對相對濕度和孔隙的影響，引起的干燥收縮程度不同。目前堿激發泡沫混凝土孔隙結構對收縮的影響有一定的研究，但是如何有效地調控孔隙分布及孔尺寸的研究還較欠缺。因此，調控這些影響因素對堿激發泡沫混凝土孔隙形態的影響需要后續進一步的研究總結，這將是堿激發泡沫混凝土未來突破的重要目標。