碱激发泡沫混凝土干燥收缩影响因素及其抑制方法研究进展

孙浩洋,张秀芝*,陶文宏,闫孝伟,侯杰,郑沛祺,丰曙霞,杜鹏

（1.济南大学 材料科学与工程学院，济南 250022；2.山东正珩新材料科技有限责任公司，济南 250014；3.济南大学山东省建筑材料制备与测试技术重点实验室，济南 250022）

泡沫混凝土因其在浆体中引入大量气孔而具有密度低、隔热隔音、耐火耐高温的优点，被广泛应用于预制装配式自保温墙体、狭窄空间建筑、路桥工程等工程领域[1]。长期以来，泡沫混凝土的生产以普通硅酸盐水泥(Ordinary portland cement，OPC)为主要胶凝材料，但OPC生产过程会伴随着大量CO2的产生，加剧温室效应，使全球生态环境更加恶劣[2]。因此，寻求低碳型胶凝材料以替代OPC生产制备轻质多孔的泡沫混凝土具有非常重要的意义。

碱激发材料是一种以硅铝质废弃物(粉煤灰、矿渣和钢渣等)为原料的低碳胶凝材料[3]，具有良好的力学性能和优异的耐化学腐蚀性[4]。据报道，相比于OPC，碱激发材料的生产能耗降低约40%，CO2排放降低60%～80%[5]。因此，将碱激发材料和泡沫混凝土相结合生产碱激发泡沫混凝土在推进绿色建筑、节能减排、减小能源压力等方面都有着重要意义。

尽管碱激发材料具有许多优点，但是其高收缩仍是需要解决的问题之一，特别是在泡沫混凝土这样高孔隙率材料中[6]。胶凝材料收缩的主要形式有化学收缩、塑性收缩、自收缩、干燥收缩、碳化收缩等。因在泡沫混凝土制备过程中通常会采用较高的水灰比，并且泡沫中也会含有大量的水分，因此干燥收缩对泡沫混凝土影响较大，容易造成产品的开裂，成为外界有害物质侵蚀的途径[7]。特别是当密度降低至非结构材料水平时，孔隙之间的壁更薄，开裂风险也更高，从而显著影响材料的力学性能和耐久性[8-9]。因此，在关注碱激发泡沫混凝土强度和导热性能的同时，其干燥收缩性能应被重视[10]。本文基于国内外文献资料，对碱激发泡沫混凝土干燥收缩影响因素、产生机制及减小干燥收缩的方法进行了总结与分析，以期为碱激发泡沫混凝土的研究与工程应用提供理论参考。

1 碱激发泡沫混凝土干燥收缩机制

孔径分布对干燥收缩的大小有重要影响[11-12]，但对于孔径的划分不同文献中的分类标准不同。本文以国际理论和应用化学联合会(IUPAC)标准，按孔尺寸大小定义孔的类别为微孔(小于2 nm)、中孔(2～50 nm)和大孔(大于50 nm)。Shi[13]曾对比了OPC和碱激发矿渣砂浆的孔径分布，发现碱激发砂浆的孔隙不连续。Collins等[14]研究了这种不连续孔径分布与碱激发矿渣混凝土干燥收缩之间的关系，发现水玻璃激发矿渣混凝土中含有74%～82%的中孔(2～50 nm)，与OPC混凝土相比毛细应力更大，故在干燥过程中收缩更大。Palacios等[15]在研究聚丙烯醇减缩剂对水玻璃激发矿渣砂浆收缩性影响中发现：减缩剂改变了孔结构，增加了直径在100～1 000 µm孔的百分比，最高可将收缩降至与OPC相近，此范围的孔毛细管应力远低于其他孔径，可能与干燥收缩值无不利影响。

干燥收缩的机制有毛细管张力理论、表面张力理论、分离压力理论和层间水迁移理论[16]，如图1所示。其中，图1(a)表示毛细管中的液面降低形成的弯月面使孔壁承受较大的应力，称为毛细管张力理论，可通过下式Laplace方程[16-17]计算：

图1 碱激发泡沫混凝土干燥收缩机制图示：(a)毛细管力；(b)表面自由能；(c)分离压力；(d)层间水运动[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为收缩应力；γ为孔隙溶液的表面张力；HR为毛细管内的相对湿度；r为毛细管弯月面的临界曲率半径；M为水的摩尔质量；ρ是水的密度，取0.018 kg·mol-1；R为通用气体常数，一般取8.314 J·mol-1·K-1；T为温度。毛细管张力理论适用于相对湿度高于50%的高湿度环境已经基本取得共识，但是最低适用相对湿度仍存有争议，35%～50%不等[18]。

图1(b)为表面张力理论，表示材料表面吸附水层消失后表面分子引力不均衡所引起的收缩。随凝胶表面吸附水的脱离，比表面自由能提高，材料将有减小表面积的趋势，因而产生收缩[19]。这种力与颗粒尺寸有关，当颗粒大时就等于0，但对于比表面积较大(1 000 m2/kg)的细微颗粒，表面张力引起的体积收缩不容忽视。若是相对湿度较高时，表面吸附水层收缩应力也会减小，因此表面张力理论一般适用于解释相对湿度40%以下的情况。

图1(c)表示的是分离压力，分离压为两个界面之间与界面距离相关的应力，是范德华引力、双电层斥力和结构斥力的综合体现[20]。在一定的湿度条件下，水分子吸附于凝胶表面，此过程会产生分离压，而吸附水膜的厚度随相对湿度的增加而增大。凝胶粒子之间通过范德华力相互吸引，当分离压大于范德华力时，会迫使凝胶粒子相互分离，从而导致膨胀。当分离压小于范德华力时，凝胶粒子两个表面之间的距离减小，即收缩。一般适用于解释相对湿度40%～100%的收缩情况[15]。

图1(d)为层间水迁移理论的解释示意图，其归因于水泥水化产物水化硅酸钙(C-S-H)凝胶的特殊层状结构。当相对湿度小于11%时，凝胶的层间水流失引起基体收缩[15]。碱激发材料的反应产物多为水化硅铝酸钙(C-A-S-H)凝胶和水化硅铝酸钠(N-A-S-H)凝胶，如图2的凝胶结构模型所示[21]。C-A-S-H的结构与C-S-H(I)相似，但是NA-S-H与天然沸石的三维网状结构相似，因此，此机制不常用于解释碱激发材料的收缩。

图2 凝胶结构模型[21]Fig.2 Gel structure model[21]

综上所述，干燥收缩本质是凝胶孔和毛细管内的收缩，相对湿度的不同，主导干燥收缩的机制不同[22]。影响碱激发材料干燥收缩的因素通过对相对湿度和孔隙尺寸与结构的影响，引起的干燥收缩程度不同。影响碱激发材料干燥收缩的因素可以分为外部因素和内部因素。外部因素指环境条件，包括温度、相对湿度、风速等因素对材料表面水分蒸发速率的影响；内部因素决定材料本身的特征包括水化产物的种类、数量及孔隙率、孔结构等，这主要由前驱体、激发剂、水胶比、泡沫含量和外加剂影响。

2 碱激发泡沫混凝土干燥收缩影响因素

碱激发泡沫混凝土干燥收缩的影响因素包括前驱体、激发剂、水胶比、发泡方式与泡沫量和环境养护条件等的影响。

2.1 前驱体

碱激发材料中前驱体作为原料主要提供硅、铝、钙等元素，通过激发剂加快这些元素的氧化物在硬化过程中的解聚缩聚反应，最终生成由硅氧四面体[SiO4]4-和铝氧四面体[AlO4]5-通过桥氧键连接的类沸石结构的胶凝材料[23]。与水泥基材料不同，碱激发材料的具体反应机制随原料组成的不同而不同，图3为碱激发材料反应过程示意图[24]。根据钙含量的不同，制备碱激发材料的原料可分为以下两类：低钙体系和高钙体系。

图3 碱激发反应过程[24]Fig.3 Alkali activated reaction process[24]

矿渣是高钙体系的典型代表，矿渣的主要化学组成为CaO和无定形SiO2，主要活性组分是玻璃相，在碱性激发剂的作用下，玻璃体中共价键会发生断裂、溶解并进一步发生反应，生成C/S=0.9～1.2、类似托贝莫来石的C-S-H凝胶和无定性态C-A-S-H凝胶[25-27]。

对于低钙体系(如偏高岭土和粉煤灰)，前驱体需要高碱环境才能活化，其主要水化产物N-AS-H凝胶为硅氧四面体与铝氧四面体通过共享氧原子相连形成高度交联的多孔凝胶结构，碱性阳离子(Na+、K+、Ca2+)存在框架腔内，与框架中带负电的氧相连，起到平衡电荷的作用[28]。当原料中钙含量增加时，水化产物中N-A-S-H凝胶量减少，C-A-S-H凝胶量增多，这有利于材料致密性和力学性能的提高[29]。由于碱激发材料反应产物中结晶相比OPC反应产物少，没有钙矾石等晶体物质；并且，Ye等[30]发现碱激发材料的前驱体反应产物本身的结构具有黏弹性，这均会使收缩持续时间更长。

前驱体的细度也是影响干燥收缩的原因之一。前驱体颗粒越细，材料强度越高，但同时也会引起更大的干燥收缩值，使体积稳定性下降[31]。周世华等[32]研究了水泥细度对硬化浆体干燥收缩的影响，试验结果表明硅酸盐水泥越细，砂浆体积稳定性越差，尤其是当水泥比表面积超过340 m2/kg时，水泥细度对砂浆体积稳定性的影响非常显著。由于颗粒的比表面积越大，表面水消失速率越快，导致比表面自由能提高越大，材料的收缩增大。

一些研究中将碱激发材料收缩大归因于比水泥材料更精细的孔结构[27-34]。由图4可以看出，当水胶比为0.5 (w/b=0.5)时，与OPC浆体相比，碱激发材料中孔(1.25～25 nm)含量更高。据Adesanya等[35]测定，碱激发矿渣(AAS)浆体的中孔(2～50 nm)百分比为74.0%～82.0%，而OPC浆体的中孔百分比仅为24.7%～36.4%。因此，与水泥基材料相比，碱激发材料因水化产物不同所造成的高细孔结构是引起干燥收缩的重要原因。

图4 普通硅酸盐水泥(OPC)和碱激发矿渣(AAS)的干燥收缩与孔径关系(水胶比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 激发剂

激发剂为前驱体的解聚提供碱性环境，是促使其加快反应的化学物质[22]。目前常用的激发剂主要是能够提供OH-、SiO2、CO32-、SO42-的化合物，有苛性碱(MOH)，弱酸盐(MF、M2CO3、M2PO4、硅酸盐(M2OSiO2)等)(M为一价金属元素)，其中应用广泛的主要有NaOH、水玻璃、水泥、硅酸盐水泥熟料等[36]。

在碱激发材料中，碱激发剂的种类和掺量将直接影响反应产物的组成和硬化后的孔隙分布，最终影响材料的收缩和力学性能，研究结果发现水玻璃作为激发剂比氢氧化钠具有更优良的性能[37]。因最后形成凝胶与第一步溶出的硅氧单体和铝氧单体的量相关，而影响前驱体溶解的主要因素包括碱激发剂溶液的浓度、离子种类、浓度等[38]。程国东等[39]发现众多影响因素中对材料性能影响程度最低是水玻璃模数。

激发剂是碱激发材料与水泥基材料有较大区别的一个参数，因此，使用时可以根据产品性能要求，基于激发剂种类、模数、碱当量等参数对各性能的影响进行调控。

2.3 水胶比

水胶比会影响胶凝材料内部湿度，与微观结构中化合物固体的形态密切相关，因此对混凝土的干燥收缩有显著影响。由于干燥收缩一般在前7天发展较快，因此早期失水引起的干燥收缩是影响其耐久性的关键参数[40]。

泡沫混凝土为了获得更好的和易性，一般使用较高水胶比，这会导致泡沫混凝土易产生由于物理失水引起的干燥收缩。在水泥基材料中，超过反应所需的水留在基体的孔隙内用于后续反应及维持内部相对湿度，防止因基体的凝胶失水导致强度下降，这时的水含量被称为初始含水率。贾兴文等[41]发现随着初始含水率降低，试件的干燥收缩值近似线性下降；但此时自生收缩值将会增加，这也会导致材料总收缩增大。但若水胶比增大，过稀的浆体黏度下降，增加了材料内部孔隙连通性，过多的水分生成更多的毛细水分蒸发通道，造成更大收缩[42]。柴大霞等[43]制备了不同水胶比的碱矿渣泡沫混凝土，通过SEM观察了微观形貌，发现强度不同主要是由于微裂纹造成的。王洪飞等[44]研究了水胶比对碱矿渣泡沫混凝土力学性能影响，当水胶比为0.43时，通过对SEM图像的观察发现泡沫混凝土各微孔壁相对完整、大小均匀，能够形成良好的微孔堆积和级配，此时力学性能最佳。因此，适宜的水胶比不仅有利于泡沫混凝土的和易性，同时有利于控制孔径分布及减少孔的连通性，减少其体积收缩。

2.4 发泡方式与泡沫量

目前碱激发泡沫混凝土的发泡方式有化学发泡法和物理发泡法[45]。化学发泡技术主要是以铝粉、Zn粉、H2O2或Si等作为发气剂，与碱激发材料浆体一起搅拌均匀，浆料中的部分物质与发气剂反应产生H2或O2等气体，然后注模成型，最后养护得到碱激发泡沫混凝土材料。物理发泡法，是将泡沫剂利用快速机械搅拌，通过引入空气形成预制泡沫，然后将预制泡沫与预先制得的浆料混合，注模成型，最后养护到一定龄期后得到碱激发泡沫混凝土。

不同发泡方式形成的孔隙结构差异影响了泡沫混凝土的密度和性能。Zhang等[46]发现机械发泡生产的泡沫混凝土中孔隙尺寸比化学发泡混凝土中的孔隙尺寸更细、圆度更高、孔径分布范围更窄、孔尺寸更均匀；并且，孔隙的连通性与混合物的密度有关，与发泡方法无关。Zhao等[47]的研究中，化学发泡中所用发泡剂(例如H2O2)含量增加会增大孔径，并导致出现不规则形状的孔，孔隙连通率也较物理发泡的更大，水分更容易逸出。

采用物理发泡时，泡沫掺量也会影响材料的收缩，这与泡沫混凝土中孔隙含量相关。如图5所示，随着泡沫掺量(Foam volume，FV)从10wt%增加到50wt%，28天收缩值在逐渐下降。一些研究认为，泡沫混凝土中泡沫量越多收缩值越低，这可能是由于体系中浆体占比减少的缘故[48-49]。Rezaei等[50]以粉煤灰为硅铝酸盐前驱体，制备浇筑密度在600 kg/m3至1 100 kg/m3之间的泡沫混凝土，发现随着密度降低，碱激发泡沫混凝土的干燥收缩率下降，其原因亦如是。

图5 水泥-砂基体10%～50%泡沫掺量的干燥收缩[42]Fig.5 Drying shrinkage of cement-sand matrix with 10%-50% foam content[42]

2.5 环境影响

环境条件包括相对湿度、温度、风速等，这些因素决定了材料的干燥程度。当环境在较低相对湿度、高温、高风速时，材料表面到材料底层将形成较大的湿度梯度。湿度梯度使干燥材料表面的收缩受到具有较低收缩率底层材料的限制，导致垂直于干燥表面裂纹的产生，从而降低材料的耐久性[51]。泡沫混凝土内部连通的孔隙使其表面积比普通混凝土更大，因此在凝结硬化过程中更容易失水；而且碱激发材料干缩比较大，养护湿度和温度的变化都会引起碱激发材料中水化产物及水分变化。目前，用于泡沫混凝土的外部养护技术包括传统的加水养护(即喷水、喷雾、蒸汽养护等)和密封养护(即通过塑料薄膜、防水覆盖物、表面涂层等)[27]。蒸汽养护可以提高碱激发泡沫混凝土的水化程度，温度升高水化程度增大，抗压强度提高的同时可以降低孔隙的连通性[52]。

材料的最终收缩不仅取决于相对湿度或质量损失，还取决于干燥速率和养护龄期，最终收缩会随着养护龄期的延长而降低。叶家元等[53]的实验中，在标准养护或淡水养护条件下，碱激发硬化浆体中的游离碱会随着水分向外部迁移，从而降低激发剂的后期激发效果，同时由于碱激发材料的溶解-解聚-缩聚水化过程必须有水的参与，当环境湿度较低时，水化进程自然受到影响。自然养护条件下，由于胶结浆体中水分容易蒸发，浆体干缩增大，水化作用减弱，故多孔混凝土抗压强度降低。Collins等[14]发现，当相对湿度(RH)大于50%时，碱激发矿渣混凝土360天内的干燥收缩值远远大于OPC混凝土。Collins等[54]在其他研究中，碱激发混凝土在50%相对湿度时，224天的干燥收缩值高于OPC混凝土，而在相对湿度40%下养护500天与OPC混凝土之间没有显著差异。另外，高温蒸压养护可以减小材料的收缩，详见3.7节。

3 抑制碱激发泡沫混凝土干燥收缩的方法

由上述可知，影响碱激发泡沫混凝土收缩的因素既有外因也有内因，因此要抑制其收缩也要从这两个方面进行调节，从而达到防止开裂的目的。这一部分将从前驱体、激发剂、集料、纳米颗粒、纤维、外加剂和养护制度等方面总结讨论减小碱激发泡沫混凝土干燥收缩的措施和机制。

3.1 前驱体

原料中钙含量高有利于材料致密性和力学性能提高，但这也增加了材料的收缩率。粉煤灰具有火山灰效应和微集料效应，能起到增强和堵塞混凝土中的毛细组织的作用，降低总孔隙率，减小收缩。但是粉煤灰过多会带来延缓凝结和强度发展的副作用[55]。薛恒岳[56]把粉煤灰-矿渣砂浆中粉煤灰的掺量从70wt%提高到90wt%，90天干燥收缩值从7 237×10-6降低至6 503×10-6。

碱激发材料干燥收缩较大的另一个原因是水化产物中的结晶相较少，故含有微量的钙的偏高岭土可以促进结晶度良好的斜方钙沸石相生成，以在一定程度上减小收缩[57]。与其他前驱体化学反应过程不同，碱激发偏高岭土具有沸石的NH4+离子交换性质，反应产物是无定形类沸石，这种低聚合度的产物使碱激发偏高岭土材料在化学反应过程中体积会发生膨胀，这一特性也是偏高岭土可以减小收缩的原因之一[58]。

综上，前驱体选择适量低钙或无钙材料(如粉煤灰、偏高岭土等)，有利于从水化产物种类与结构上减少收缩。但由于低钙前驱体会延长凝结时间，应用在泡沫混凝土中不但影响早期强度，还会影响泡沫稳定性。因此，碱激发泡沫混凝土在胶凝材料基体设计上应综合考虑凝结时间、强度与收缩的关系，对前驱体的种类及掺量进行调整与复合，以提高各矿物在材料中的有效合理利用。

3.2 激发剂

研究表明，水玻璃作为激发剂比NaOH、Na2CO3或Na2SO4具有更高的早期强度，也具有更显著的收缩[59]。这主要是由于水玻璃激发的浆体水化速率较快，在早期形成低钙硅比的C-S-H凝胶较多，纤维化程度高，凝胶孔较多，故较大的表面张力引起较大收缩。其最初7天的干燥收缩值几乎达到其总干燥收缩值的70%，之后收缩速率逐渐降低。因此导致水玻璃激发的碱矿渣泡沫混凝土干缩高于NaOH激发的碱矿渣泡沫混凝土[60]。

水玻璃模数和碱当量也会直接影响碱激发材料的收缩特性[22]。图6为碱激发矿渣砂浆长达6个月中激发剂变化对孔径分布和干燥收缩的影响[61]。如图6(a)所示，与水玻璃激发的矿渣砂浆相比，水玻璃模数MS=0 (NaOH激发)砂浆具有相当多的大孔(50～10 000 nm)和中孔(2～50 nm)。对于水玻璃激发的砂浆，MS=0.4砂浆的中孔量约为MS=1.2砂浆的一半。MS=0.4砂浆的大孔数量也低于MS=1.2砂浆。图6(b)显示，随着MS增大干燥收缩明显增加，在MS=0.4以上，干燥收缩也随着Na2O含量的增加而增加[55]。Ye等[30]也发现适当增加碱当量可以增加反应程度，细化孔结构，增加中孔(10～100 nm)的占比。

图6 碱激发矿渣砂浆：(a) 孔径分布；(b) 水玻璃模数；(c) 碱当量对干燥收缩的影响[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，与NaOH作为激发剂相比，水玻璃作为激发剂在带来更高强度的同时也会导致干燥收缩增加。当碱激发泡沫混凝土应用于非结构材料时可以适当降低碱当量或水玻璃模数来平衡试件的强度和干燥收缩。若需要较高干密度，则可以考虑加入集料来提高物理性能，减小干缩。

3.3 集料

无论是在硅酸盐水泥混凝土还是泡沫混凝土中，集料对收缩的抑制作用都是不可取代的。集料减少收缩的本质是其具有一定的硬度从而限制了材料的整体变形。集料在承受应力时通常不会表现出明显的蠕变，而且由于集料自身的低渗透性低，体积不会因失水而发生变化。在泡沫混凝土中，集料与胶凝材料比越高，胶凝材料体积分数越小，材料收缩就越减小。

集料粒径增大会使泡沫混凝土干燥收缩值增加，因此为了避免泡沫大面积破裂，泡沫混凝土所用集料粒径一般不超过3 mm[62]。毫米级玻璃粉也可以代替细砂，而且玻璃粉中无定形二氧化硅含量较高，具有火山灰性质，随着时间推移，玻璃粉颗粒表面会和浆体反应形成更致密的凝胶从而使两者结合更紧密。Ailar等[63]将玻璃粉掺到30wt%发现：56天收缩值为1 500 µm/m，比对比组降低了40%以上，强度比砂集料泡沫混凝土提高了77%。由于玻璃的密度比砂小，要使加砂的样品与加玻璃粉的样品达到相同的密度，需要加入更多的泡沫来平衡。以玻璃粉作为集料的泡沫混凝土其强度比加砂的高出许多，其中一个原因就是相同干密度加砂的泡沫混凝土泡沫量更大，增加了孔隙的连通性，并且加玻璃粉组的孔隙圆度更高，提高了强度。

超过胶凝材料细度的玻璃粉作为集料也可以显著降低基体的干燥收缩[64]。龚建清等[65]发现在干密度为800 kg/m3碱激发泡沫混凝土中，当玻璃粉掺量为20wt%时，干燥收缩值最低，由于玻璃粉活性低于矿渣，前期未反应颗粒起到集料的骨架支撑作用；并且玻璃粉早期水化反应比矿渣缓慢，反应产物减少，从而引起的收缩较小；随着玻璃粉的溶解和水化的进行，玻璃粉的高二氧化硅含量和高碱含量，可以促进C-(N-)A-S-H 凝胶的形成，有利于细化孔隙并减少连通孔，增加了浆体中水分迁移难度，降低了后期的收缩[66]。

碱激发泡沫混凝土中所掺入集料的种类、尺寸和数量与砂浆和混凝土中的要求不同，为了保证泡沫的稳定性，集料尺寸最好不要超过3 mm，集胶比不超过0.5。另外，像玻璃粉这样的活性集料可能与基体发生碱集料反应导致膨胀破坏[67]。

3.4 纳米颗粒

纳米颗粒在碱激发材料中可以起到填充孔隙密实结构、作为晶核诱导晶体形成、阻滞孔隙内水分的蒸发与渗流等作用，使收缩得以控制并增强浆体的抗压强度[68]。Yang等[69]证实了在碱激发矿渣基材料中使用纳米TiO2不仅可以降低干缩，还提高了试样的抗压强度。这与纳米TiO2可以加速碱激发矿渣的水化进程、提高水化反应度、形成致密的微观结构有关[70]。杨凌艳[71]研究了掺量为矿粉质量的0.5%的金红石型纳米TiO2可使28天碱激发矿渣总孔隙率降至基准组的69.5%，孔尺寸在1.25～25 nm的含量降低至59.6%，收缩减小。

如图7所示，高活性的纳米MgO (MgOH)同样可以促进碱激发矿渣胶凝材料早期水化反应，所形成的物质可填充孔隙(其中，MgOM为中等活性的纳米MgO)[72]。Huang等[73]将高活性的MgO应用于高炉矿渣基地聚物的收缩控制，发现当高活性MgO掺量低于8wt%时，可减少碱激发矿渣材料的收缩率。甘戈金等[74]发现，S85级的MgO掺量为30wt%的试块28天断面形貌可以观察到大量由MgO转化生成的Mg(OH)2与MgCO3晶体，对浆体的收缩有显著的补偿作用。

图7 不同活性的氧化镁掺量对碱激发矿渣干燥收缩的影响[72]Fig.7 Effect of MgO content with different activity on drying shrinkage of alkali activated slag[72]

碳基纳米材料包括富勒烯、纳米管和纳米石墨等，这些纳米材料形态不同，特别是碳纳米管可以在纳米尺度上提供桥接效应，以增强凝胶抵抗变形应力。此外，尺寸为20～40 nm的碳基纳米材料还可以通过成核效应诱导水化产物形成，以增加基体密实度；并作为填料细化50 nm以下的孔结构，从而减小毛细管应力和干燥收缩[75]。在水泥基材料中碳纳米管对基体具有增强作用，即使在较小的用量(0.1wt%)下，也能有效增强C-SH凝胶，使干燥收缩率降低15%～21%。在碱矿渣材料中，掺量0.1wt%的碳纳米管的样品比不加的收缩率减少20%[76]。与碳纳米管的作用相似，邱军付等[68]研究发现纳米纤维比普通聚丙烯纤维更能增强泡沫混凝土的韧性，可起到“晶核”作用，吸附周围的粒子，降低收缩。

3.5 纤维

任何作用于基体的能量都会转化为裂纹并导致材料的破坏，因此混凝土材料结构不仅需要具有一定耐久性的基体，还包括能够吸收裂纹扩展能量的黏弹性掺杂物。纤维可以作为混凝土材料中的一种黏弹性组分，它的延伸性能可以大量吸收来自外界的能量，最终达到抑制基体材料中裂缝发展的效果[77]。

纤维可以有效改善基体的机械特性，提高基体的抗弯曲、抗拉伸开裂、抗冲击和抗收缩等性能。纤维对基体材料的增强性，取决于纤维类型、长径比和掺量[78]。合成纤维可以增强拉伸强度和冲击强度，并消除温度和收缩裂纹。Amran[79]研究发现密度为1 000～1 900 kg/m3的不含聚丙烯(PP)纤维的泡沫混凝土150天的干燥收缩应变在400 µm/m～1 250 µm/m之间，加入3vol%掺量PP纤维的收缩降低至400 µm/m左右。Kudyakov等[80]将胶凝材料质量2%的石棉纤维加入水泥基泡沫混凝土中，发现闭口孔的尺寸更均匀，收缩减小50%。Mamun等[81]发现，掺有0.2vol%的聚丙烯微纤维的泡沫混凝土，不仅可以保持所需的流动性，还可以有效地减小了干缩。詹炳根等[82]发现掺入0.6vol%的耐碱玻璃纤维的泡沫混凝土3天、7天和14天的干燥收缩分别降低了40.5%、33.7%和18.68%。综上，可以看出纤维对早期干缩的抑制作用非常明显。

天然纤维如大麻纤维、亚麻纤维、棕榈纤维等，具有环保、可再生、无腐蚀性、价格便宜的优点且来源广泛。为了更好地适应碱激发材料强碱性的环境、提高机械性能和耐久性，需要对其进行改性[83]。在水泥基复合材料中使用大麻纤维的研究显示出提高能量吸收能力、降低收缩和提高抗冲击性能的潜力[84]。

纤维混杂可以结合不同类型纤维的优点。水泥基泡沫混凝土中，掺量为0.30wt%，长度为15 mm的混杂纤维(玄武岩纤维与聚乙烯醇(PVA))收缩值只有基准组的43%左右，有效降低了干燥收缩[85]。表1中列举了不同纤维在泡沫混凝土中的应用实验结果[86-89]。可以看出，纤维可以有效抑制泡沫混凝土的收缩与开裂，但是纤维的种类、长度及长径比等参数影响其效果。体积分数大于0.25vol%的纤维就可以提高抗压强度[90]，且纤维不宜超过15 mm，过长的纤维可能会结团，不仅无法起到减缩的目的，反而在基体中形成缺陷，降低材料强度。目前PP纤维和PVA纤维在泡沫混凝土中使用较多，若使用天然纤维，一般要先进行预处理。目前对于纤维增强碱激发泡沫混凝土研究中，界面与基体的结合效果相对研究较少，如何进一步加强纤维与碱激发材料的界面结合及纤维在高碱性环境下的适应性还需进一步探究。

表1 纤维种类及掺量对泡沫混凝土干燥收缩的影响Table 1 Effect of fiber type and content on drying shrinkage of alkali-activated foam concrete

3.6 外加剂

由于碱激发材料体系较高的碱度及复杂的凝结硬化过程，大多数适用于水泥体系的外加剂并不一定能适用于碱激发材料。但是由于材料进一步工程化应用的需求，研究者也取得了一定的成果[91-93]。目前常用的化学外加剂有表面活性剂、膨胀剂、减缩剂和高吸水性聚合物等。这些外加剂可以使胶凝材料的孔结构更致密，降低复合材料中毛细管的比例和总孔隙率，并促进结晶相的产生。本节总结了多种外加剂对碱激发泡沫混凝土干燥收缩的作用机制与影响。

3.6.1 发泡剂与减水剂

物理发泡法所用发泡剂一般为有机表面活性剂，可以降低孔隙液表面张力。发泡剂类型不同所制备的泡沫密度有差异，为使泡沫混凝土达到同一密度所需的泡沫量也不同，从而对基体的影响程度也不同。发泡剂通过改变孔隙溶液的表面张力进而改变弯月面形成处的孔隙半径，起到与减缩剂类似的效果，从而影响最终收缩的程度。

减水剂作为一种表面活性剂，吸附于粉料颗粒表面时可显示电性能，因而粉料颗粒由于表面带有相同电荷而产生相互排斥，颗粒分散后将包裹在内部的水排出，得以润滑浆体提高流动性能[94]。

Bakharev等[95]观察到萘系减水剂在高炉矿渣基地聚物体系中失效并会降低强度，木质素磺酸盐类外加剂使收缩率略有降低。

因此，在硅酸盐水泥混凝土中使用的减水剂不一定适用于碱激发泡沫混凝土。可能是减水剂在碱激发材料的强碱性环境中化学结构被破坏，从而降低了使用效果。例如萘系减水剂会增加碱激发材料的收缩，聚羧酸减水剂也会使材料产生大量大孔和连通孔，使材料更易失水，强度下降，收缩增大[15]。另外，减水剂与泡沫剂的相容性在泡沫混凝土中也需考虑。因此，研发与寻找可适用于碱激发材料体系的减水剂对于高强自流平碱激发泡沫混凝土的生产尤其重要，这也是碱激发材料发展应用的中急需解决的问题。

3.6.2 膨胀剂与减缩剂

膨胀剂是在胶凝材料水化硬化时通过体积膨胀来填充孔隙从而达到减小收缩的目的。这种收缩补偿机制主要归因于氢氧化钙和钙矾石这些晶体的形成。但是蒋俊等[96]研究发现膨胀组分能降低泡沫混凝土的干燥收缩，但强度有所降低。减缩剂可以降低水表面张力及凹液面的接触角，当减缩剂用量达3%时，可使干燥收缩率降低20%～50%。将外加剂与膨胀剂相结合，协同效应发挥各自优势，可使干燥收缩减少80%[36]。醇类可以降低干燥收缩并且对强度、干密度等性能影响很小，可用于碱激发泡沫混凝土作为减缩剂。但是某些醚类降低表面张力和降低收缩能力非常强会影响泡沫的稳定性，并不适用泡沫混凝土[97]。Palacios等[15]研究了聚丙二醇基减缩剂，发现其除了可以减小孔隙溶液与骨架之间的表面张力，还可以促使胶凝材料形成更多的大孔隙，使曲液面引起的应力减小，使体系产生收缩的内在驱动力变小，从而减少材料收缩。同时，聚丙二醇基减缩剂还可以延缓了高炉矿渣基材料在低湿度养护下的激发时间。Ling等[98]对比了己二醇基减缩剂应用于水泥基材料与碱激发粉煤灰材料的收缩有效性，结果表明：己二醇基减缩剂使碱激发粉煤灰材料在保持强度基本不变的前提下，孔结构变粗，自由干缩与圆环约束收缩均明显降低，裂纹萌生时间明显延迟，裂纹宽度显著减小。这些都是基于己二醇基减缩剂使碱激发粉煤灰材料临界孔隙半径增大的结果。

某些材料可以吸水并在反应过程中逐渐释放所吸附水分，用于维持内部反应所需的水分，有效降低材料体系的收缩，这种养护方式称为内养护，用于内养护的材料称为内养护剂。柴大霞等[99]的研究中掺入陶粒的泡沫混凝土在自然养护下也能减小收缩。聚丙烯酸钠盐高吸水树脂的掺入会使碱激发泡沫混凝土干燥收缩和自收缩减小。丁庆军等[62]研究发现，高吸水树脂虽然可以有效降低泡沫混凝土的收缩，但是树脂不断释放水分之后会留下孔隙，大大影响了强度。根据胶孔比理论，孔隙率每增加1%，混凝土强度就将降低约5%[100]。

综上，研究者们通过引入外加剂对碱激发材料的功能属性或本征性能进行调控，膨胀剂、减缩剂和高吸水性聚合物均可有效降低碱激发材料的收缩率，但也会在一定程度上影响材料的聚合反应动力学，因此材料力学性能的变化不可忽视。然而，这些外加剂对力学性能的影响在文献中存在诸多矛盾，这可能由于外加剂种类和碱激发材料的成分差异所引起，其相关性能演化及作用机制也需深入研究。

3.7 养护制度

通过蒸压养护的方式可以部分减小收缩。水泥基泡沫混凝土砌块经过蒸压养护可以明显改善收缩。Nambiar等[49]用50℃固化试样，发现在较高温度下固化的试样收缩率略有下降。升高养护温度可以加速材料的反应速率，提高早期强度，这可能是由于高温会加速碱活化，因此导致收缩的孔隙水会减少[101]。

虽然高温养护可以减小收缩，但是Traven等[102]发现600℃以上碱激发材料会产生热收缩现象。研究了碱激发粉煤灰-偏高岭土泡沫混凝土在高温下的收缩性能，发现掺加偏高岭土可以降低热收缩，与粉煤灰基体的试样相比热收缩减小；并且用钾类激发剂比钠类激发剂材料热收缩小(虽然钾类激发剂的强度低于钠类激发剂的)。Duxson等[103]也得到了相同的结论，但是硅铝比增大会使晶相数量减少，增加热收缩率。碱激发材料耐热性优于水泥基材料，因此碱激发泡沫混凝土可作为隔热保温材料用于更高温度的环境，具有更广的应用。

三维聚合的 N-A-S-H 凝胶具有与沸石类似的结构，这为碱激发胶凝材料用作制备沸石的前驱体奠定了基础[104]。近年来，有不少研究碱激发胶凝材料的学者表示，在碱激发材料中发现了类沸石的晶体结构，特别是在高温环境下[105-106]。

蒸压养护和高温养护更适用于预制构件的生产，但需要对温度进行限制，否则干燥收缩减小的同时热收缩也会影响到材料的耐久性。大型构件及现场制备的方式则无法采用以上方式进行养护，可以考虑通过掺入集料、纤维或内养护剂的方式来降低收缩率。

4 结论与展望

影响碱激发泡沫混凝土材料干燥收缩的因素最终归结为基体的收缩与内部结构的变化。基体是由水化产物的组成、结构和数量及未水化颗粒构成；结构为各组分在材料中的比例、分布状态及材料内的孔隙率、孔尺寸及孔结构等。

(1) 碱激发材料水化产物中结晶相少，本身的结构具有黏弹性。其中高钙体系主要生成类似托贝莫来石的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和无定形态水化硅铝酸钙(C-A-S-H)凝胶，低钙体系主要生成水化硅铝酸钠(N-A-S-H)，因高钙体系的产物有较大的表面张力，产生更大的干燥收缩；水胶比对孔隙有更直接的影响，增大水胶比会增加材料内部孔隙连通性风险，过多的水分生成更多的毛细水分蒸发通道，造成更大收缩；水玻璃作为激发剂、碱当量的增加在带来更高强度的同时也会增加中孔含量，导致干燥收缩增加。在碱激发泡沫混凝土中，物理发泡与化学发泡产生的孔结构和孔尺寸不同，材料密度对孔隙的连通性影响较大，浆体体积减少，密度降低，干燥收缩降低。

(2) 抑制碱激发泡沫混凝土干燥收缩的方法有适当引入低钙原料，可以通过改变水化产物、生成晶体或堵塞孔隙的方式。降低水玻璃模数和碱当量可以粗化孔径减小干缩。集料可起到减小收缩的作用，但考虑到泡沫稳定性，集料的尺寸最好不要超过3 mm，集胶比不超过0.5。玻璃粉作为集料时前期活性低于前驱体，起到骨架支撑作用，后期玻璃粉的高二氧化硅含量和高碱含量，可以促进C-(N-)A-S-H凝胶的形成，有利于细化孔隙并减少连通孔，降低收缩。掺加纤维时长度不宜超过15 mm，使用天然纤维要考虑强碱环境对表面的破坏，将纤维进行改性和处理；纳米颗粒在碱激发材料中可以起到填充孔隙密实结构、作为晶核诱导晶体形成、阻滞孔隙内水分的蒸发与渗流等作用，使收缩得以控制。利用外加剂和养护条件减小碱激发泡沫混凝土收缩还需进一步探索，以得到突破性的结果。

虽然对于碱激发泡沫混凝土干燥收缩及抑制措施已经取得了相当的成果，但以下几个方面可能是还需进一步深入展开的工作：

(1) 由于碱激发泡沫混凝土的原料成分和性能波动较大，不同来源的原材料会带来完全不同的凝结硬化行为。若原材料理化性质的复杂性无法得到全面的认识，将阻碍相关研究的进一步探索。因此，确立原材料组成与产品性能之间的定量关系对碱激发泡沫混凝土更广泛的应用非常重要；

(2) 由于水化产物结构不同和掺入泡沫的原因，碱激发泡沫混凝土的收缩机制与硅酸盐水泥基材料不完全相同。虽然部分应用于碱激发泡沫混凝土的减缩方法与碱激发混凝土、水泥基材料相同，但是在碱激发泡沫混凝土中所起作用的程度不同。要厘清碱激发泡沫混凝土收缩机制、明确收缩程度及如何抑制干燥收缩的同时平衡其他各项性能需要结合碱激发材料和泡沫混凝土两方面的特点；

(3) 孔径和孔隙率均与材料干燥收缩有很强的相关性，影响碱激发材料干燥收缩的因素通过对相对湿度和孔隙的影响，引起的干燥收缩程度不同。目前碱激发泡沫混凝土孔隙结构对收缩的影响有一定的研究，但是如何有效地调控孔隙分布及孔尺寸的研究还较欠缺。因此，调控这些影响因素对碱激发泡沫混凝土孔隙形态的影响需要后续进一步的研究总结，这将是碱激发泡沫混凝土未来突破的重要目标。