关于碱激活超高性能混凝土（AAUHPC）与水泥基超高性能混凝土（UHPC）剥落行为的比较研究

《Journal of Cleaner Production》：A comparative study on spalling behaviors of alkali-activated ultra-high performance concrete (AAUHPC) and cement-based UHPC

抗爆裂性能研究中，碱激发超高性能混凝土（AAUHPC）通过添加粉煤灰、硅灰等 precursors 提升热稳定性，其 interconnected porous 结构有效缓解蒸汽压积累，相比普通水泥基UHPC（OPC-UHPC）碳减排达49.2%。

　　

张少奇|严志国|徐国文|刘学增|朱和华|蒋曦

中国上海同济大学土木工程灾害防治国家重点实验室，200092

摘要

混凝土的剥落对其在高温下的正常使用性能构成了严重威胁，尤其是对于超高强度等级的混凝土。本研究对比分析了在不同前驱体（磨细高炉矿渣（GGBFS）、偏高岭土（MK）、硅灰（SF）和普通波特兰水泥基UHPC（OPC-UHPC）作用下，碱激活超高性能混凝土（AAUHPC）在加热至800°C时的剥落行为。通过研究AAUHPC的抗压强度、抗弯强度、剥落性能、热重分析、微观结构、孔结构及温度梯度，揭示了其剥落机制。结果表明，添加MK和SF有助于促进地质聚合物化过程，从而增加C-(N)-A-S-H凝胶的含量，进而提高抗压和抗弯强度。关键在于，AAUHPC表现出显著优于OPC-UHPC的抗剥落能力，即使在高温或饱和条件下也不会发生爆炸性剥落，这归因于其互连的孔结构有利于蒸汽的释放。此外，添加MK和SF还增加了凝胶孔的比例，使得在较高加热率和含水量条件下更容易产生热诱导裂纹。环境评估显示，与OPC-UHPC相比，AAUHPC的总碳排放量减少了高达49.2%。这些发现共同阐明了AAUHPC的耐火机制，并支持其在高温环境中的应用。

引言

随着全球交通基础设施的快速发展，隧道在城市交通和跨江或跨海工程中发挥着越来越重要的作用，这对建筑材料提出了更高的要求。然而，近年来隧道数量的增加也伴随着隧道火灾事件的增多（Ingason等人，2015年；Lin等人，2026年）。超高性能混凝土（UHPC）因其优异的强度、低渗透性和卓越的耐久性而受到广泛关注，被视为预制隧道段的有前景的先进材料（Abid等人，2017年；Su等人，2024年；Zhang和Tan，2020年）。尽管具有这些优势，但由于其致密的微观结构，UHPC在火灾中更容易发生强度降解和剥落，从而威胁到结构安全、人员生命和财产安全（Peng等人，2018年）。因此，降低UHPC的剥落风险对于提高其实际工程应用至关重要。

此外，UHPC的高水泥消耗导致了大量的CO₂排放，从而产生了显著的能源消耗和环境问题（Amran等人，2023年）。为了有效减少碳足迹，碱激活材料（AAMs）已被用作建筑行业的辅助胶凝材料（Anwar等人，2025年；Pacheco-Torgal等人，2012年；Wang等人，2025年）。通过使用碱性溶液激活工业副产品（如磨细高炉矿渣（GGBFS）、粉煤灰（FA）、硅灰（SF）和偏高岭土（MK），AAMs能够在早期获得高强度，同时显著减少碳足迹（Li等人，2024年；Varon等人，2025年；Xie，2025年）。因此，将AAMs的可持续性与UHPC的优异机械性能相结合，开发出了碱激活超高性能混凝土（AAUHPC），具有巨大的潜力（Elmesalami和Celik，2022年；Qian等人，2025年）。与普通波特兰水泥基超高性能混凝土（OPC-UHPC）中形成的C-S-H凝胶不同，AAUHPC中的C-(A)-S-H凝胶和N-(A)-S-H凝胶网络具有更好的热稳定性和耐火性（Fan等人，2023年；Lee等人，2024年；Shen等人，2024年）。研究显示，碱激活混凝土在100°C至700°C的温度范围内暴露后，其抗压强度略有下降（Yadollahi等人，2015年；Zhang等人，2016年）。

然而，目前对AAUHPC的剥落性能及其背后的机制理解仍然有限，且缺乏与传统UHPC的全面、基于微观结构的比较研究。Ali等人（2025年）开发了一种含有GGBFS的高强度碱激活砂浆，并评估了其残余机械性能和剥落性能。Zhang等人（Zhang等人，2020b）评估了影响地质聚合物混凝土剥落的关键参数，包括含水量、混凝土强度和加热速率。结果表明，地质聚合物混凝土的抗剥落能力优于OPC混凝土，仅有1个80 MPa的试样在500°C时发生了爆炸性剥落。同样，Zhao和Sanjayan（2011年）观察到地质聚合物混凝土在标准火灾条件下能够抵抗爆炸性剥落，而波特兰水泥混凝土试样则发生了大面积剥落。此外，为了减少胶凝材料和碱激活混凝土的热损伤，已经探索了一些策略，其中添加纤维显示出相当大的潜力（He等人，2020年；Tu和Zhang，2023年）。钢纤维可以抑制热诱导裂纹的起始和扩展，而添加低熔点合成纤维（如聚丙烯（PP）纤维和聚乙烯醇（PVA）纤维可以增强孔网络的连通性，有效防止蒸汽压力的积累（Sanchayan和Foster，2016年）。尽管取得了这些进展，但目前尚未对含有不同前驱体组成的AAUHPC中的混合纤维抗性和剥落机制进行过全面研究。

因此，本研究的目的是探讨不同前驱体和混合纤维对AAUHPC剥落行为的影响，重点研究其剥落因素和机制。评估了AAUHPC的抗压和抗弯强度及其与质量损失的关系。此外，还对具有相似强度水平的AAUHPC和OPC-UHPC进行了比较分析，评估了它们的剥落性能、相组成、微观结构、孔特性和环境影响。这些研究旨在揭示AAUHPC优异的抗剥落性能背后的机制，并推动其在易发生火灾环境中的应用。

材料

制备AAUHPC所用的原材料主要包括GGBFS、MK和SF作为主要前驱体。表1总结了这些材料的主要化学成分。MK、GGBFS、SF和石英砂的密度分别为2.42 g/cm³、2.84 g/cm³、2.26 g/cm³和2.65 g/cm³。

碱性激活剂由NaOH溶液与工业级硅酸钠溶液混合而成，其中含有29.9%的SiO₂、13.75%的Na₂O和56.35%的H₂O（SiO₂/Na₂O的质量比为2.3）。

抗压强度

图2显示了AAUHPC在室温下的抗压强度。如图所示，不含纤维的G80试样的抗压强度最高，为125.4 MPa，比G100高6.01%。这主要是由于添加了20%的MK，这提高了可操作性，促进了地质聚合物化，增加了活性铝硅酸盐的含量，并促进了N-A-S-H和C-A-S-H凝胶的形成（Fu等人，2024年；Miyan等人，2024年）。

结论

本研究全面比较了含有不同前驱体（GGBFS、MK和SF）的OPC-UHPC和AAUHPC的剥落行为。通过进行抗压强度、抗弯强度、剥落性能、热重分析、相组成、微观结构、孔结构和温度梯度测试，揭示了AAUHPC的剥落和耐热机制。根据测试结果，可以得出以下结论：

(1)
添加MK和SF有助于...

作者贡献声明

张少奇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，研究，正式分析，数据整理。严志国：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，资金获取，概念构思。徐国文：撰写 – 审稿与编辑，方法论。刘学增：撰写 – 审稿与编辑，方法论。朱和华：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。蒋曦：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，资金获取，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：52578484、52225805）、中央高校基本科研业务费（编号：22120250468）和土木工程灾害防治国家重点实验室研究基金的支持。