掺有高吸水性聚合物的碱激发矿渣粉胶凝材料体系的裂缝自修复能力

同济大学材料科学与工程学院孙振平教授研究团队近日于Cement and Concrete Research杂志（IF=11.958，JCR一区，Top期刊）发表了最新研究成果Self-healing ability of cracks in alkali-activated slag systems incorporating superabsorbent polymers。该研究的第一通讯单位为同济大学材料科学与工程学院教育部先进土木工程材料重点实验室，第一作者为孙振平教授研究团队的博士生杨敬斌，通讯作者为孙振平教授、比利时根特大学Nele De Belie教授和比利时布鲁塞尔自由大学Didier Snoeck教授。

相较于硅酸盐水泥，碱激发矿渣粉胶凝材料（AAS）体系具有更高的抗压强度、更好的耐化学性和防火性等优点，但其收缩率更大，存在开裂风险。尤其是当水玻璃被用作碱激发剂时，AAS体系容易产生裂缝，导致有害物质渗入内部结构，进一步损害其性能。因此，高收缩率成为限制AAS材料广泛应用的瓶颈。内养护是有效减少硅酸盐水泥和AAS体系自收缩的方法之一。高吸水性聚合物（SAPs）是最具前景和广泛应用的内养护材料之一。当SAPs添加到混凝土中时，它们会释放水分以补充混凝土中水化反应和蒸发消耗的自由水，从而减轻混凝土内部相对湿度的降低，降低毛细压力，减少自收缩。研究表明，SAPs还可以提高裂缝的自修复能力。

本研究重点关注了SAPs的四种不同AAS体系中裂缝的自愈合性能，具体为：水玻璃激发矿渣粉（WG-AAS）体系、Na₂CO₃激发矿渣粉（SCAAS）体系、Ca(OH)₂激发矿渣粉（CH-AAS）体系和Na₂CO₃ + Ca(OH)₂激发矿渣粉（SCCH-AAS）体系。

图1 含有裂缝的AAS砂浆试样在愈合前后的透水率变化情况

WG-AAS 体系

SC-AASCM 体系

CH-AAS体系

SCCH-AAS体系

图2 参照试样和掺SAPs试样在愈合前后裂缝的可视化封闭变化情况（每组照片右下方的白色横条代表500 μm）

结果显示：

    掺入SAPs会导致各AASCM体系的抗压强度在不同程度上降低，但随水化龄期增加，掺SAPs试样抗压强度的增长率高于参照试样。WG-AAS体系因其致密的结构而具有最高的抗压强度，但同样也可能阻碍Ca²⁺从砂浆中溶出，导致其裂缝的自愈合性能较差。

    WG-AAS体系裂缝的自愈合性能较差，主要原因有两个：一方面是Ca²⁺难以从砂浆中溶出，另一方面是CO₃^2-仅能由空气中的CO₂转化形成。虽然CH-AAS体系中Ca²⁺最容易溶出，但CO₃^2-的来源同样也限制了其形成碳酸盐沉淀的可能性。相比之下，SC-AAS体系和SCCH-AAS体系中的碱性激发剂引入了更多的CO₃^2-，从而为碳酸盐沉淀的形成带来了更多的可能性。

    碳酸盐沉淀的形成是影响AAS体系裂缝自愈合的主要因素，而非AAS体系的进一步水化作用。尽管CO₃^2-是形成碳酸盐沉淀的关键因素，但在Na₂CO₃溶液中进行干-湿循环却并不是促进裂缝自愈合的有效方法。碱性溶液可能会促进AAS体系的进一步水化，但不能促进碳酸盐沉淀的形成。

    通过掺加SAPs来提高AAS体系裂缝的自愈合性能主要是依靠SAPs在裂缝中的物理封堵效应和促进碳酸盐沉淀的形成。然而，这也与碱性激发剂的类型有关，对于WG-AAS体系，其裂缝自愈合性能较差，掺入SAPs也不会带来显著的改善。

本项研究成果已在线发表在Cement and Concrete Research杂志，欢迎大家点击原文链接下载浏览。

全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008884623000972