可持续水泥砂浆的力学性能与耐久性能：试验优化与多元回归建模

《Next Materials》：Mechanical and durability performance of sustainable cement mortars: Experimental optimization and multi-regression modelling

　　

随着普通硅酸盐水泥（Ordinary Portland Cement，OPC）生产对环境影响的加剧，利用工业副产品制备可持续水泥基材料备受关注，其中采用氢氧化钠（NaOH）活化粒化高炉矿渣粉（Ground Granulated Blast Furnace Slag，GGBFS）是优化复合胶凝体系性能、减少水泥用量及CO2排放的可行途径。本研究通过试验测试不同GGBFS取代率（0%~40%）与离散NaOH活化水平（0%、8%、10%、12%）下水泥砂浆的力学及耐久性参数，并建立统计模型分析二者对强度的影响。共制备17组砂浆试件，结果表明NaOH活化可提升GGBFS复合砂浆性能，降低吸水率与孔隙率（Void Ratio）；含30% GGBFS+10% NaOH的配比综合表现最优。所建多元回归（Multi?Regression）模型对抗折强度、吸水率及孔隙率预测效果中等，但因非线性复杂作用，对抗压强度预测不佳（R2=0.206），故改以试验优化确定配合比。研究成果可为工程应用提供NaOH活化GGBFS复合水泥砂浆的最优参数依据。

论文解读：可持续水泥砂浆的力学性能与耐久性能——试验优化与多元回归建模

本文发表于《Next Materials》。普通硅酸盐水泥（Ordinary Portland Cement，OPC）生产过程能耗高且排放大量CO₂，占全球人为CO₂排放的5%~7%，亟需开发可持续胶凝材料。粒化高炉矿渣粉（Ground Granulated Blast Furnace Slag，GGBFS）作为工业副产品可用于部分替代OPC，经碱活化（Alkali Activation）可生成水化硅酸钙（Calcium Silicate Hydrate，C?S?H）、铝酸盐取代水化硅酸钙（Calcium Aluminosilicate Hydrate，C?A?S?H）及钠铝硅酸盐凝胶（Sodium Aluminosilicate Hydrate，N?A?S?H）等胶凝产物，提升力学性能与耐久性。然而，关于OPC?GGBFS复合体系在常温养护下受GGBFS取代率与NaOH浓度耦合影响的研究较少，NaOH活化由促进转为不利效应的阈值、对吸水率（Absorption）与孔隙率（Void Ratio，连通孔隙体积分数）的作用及定量预测模型均有待明确。因此研究人员开展本试验，系统考察GGBFS取代率（0%、10%、20%、30%、40%）与NaOH掺量（占胶凝材料质量0%、8%、10%、12%）对OPC?GGBFS复合砂浆力学及耐久性指标的影响，并通过多元线性回归尝试预测各响应变量，最终以试验优化确定最优配合比。研究证实适度NaOH活化可激发GGBFS活性、改善孔结构，30% GGBFS+10% NaOH配比综合性能最佳，12% NaOH下30% GGBFS抗压强度最高（45.01 MPa，90 d）；多元线性回归不适用于该体系抗压强度预测。成果为常温养护NaOH活化GGBFS复合水泥砂浆的工程应用提供配合比依据与性能参考数据。

主要关键技术方法：

研究人员选用土耳其产OPC CEM I 42.5R与GGBFS（化学成分经X射线荧光分析），以标准砂为细骨料，按固定砂胶比与用水量（225 g/组），设5个GGBFS取代率水平（0%、10%、20%、30%、40%）与4个NaOH掺量水平（0%、8%、10%、12%占胶凝材料质量），配制17组砂浆配合比。试件成型为40 mm×40 mm×160 mm棱柱体，常温养护至7 d、28 d、90 d。按ASTM C349测抗折与抗压强度（每配比3个棱柱抗折，断块作6个抗压测值取均值）；按ASTM C642测28 d与90 d吸水率与孔隙率（每配比2个试件取均值）。以GGBFS含量（%）、NaOH浓度（%）、养护龄期（d）为自变量，建立多元线性回归模型预测抗压强度（Compressive Strength, σ_c）、抗折强度（Flexural Strength, σ_f）、吸水率（Abs, %）与孔隙率（Void, %），并拟合吸水率与孔隙率的线性关系。

研究结果：

3.1. Effect of GGBFS replacement ratio（GGBFS取代率的影响）

未加NaOH时，GGBFS取代率由0%增至40%使90 d抗压强度由40.31 MPa降至23.52 MPa（降幅约42%），抗折强度由4.64 MPa降至2.97 MPa（降幅约36%），28 d吸水率由8.71%升至10.03%，孔隙率由17.92%升至20.32%，说明未活化GGBFS近似惰性填料致孔结构变粗。加入NaOH活化后，随GGBFS提高强度总体上升，尤以12% NaOH下30% GGBFS的90 d抗压强度达45.01 MPa；10% GGBFS+10% NaOH的28 d吸水率与孔隙率最低（分别为5.42%、11.33%）。综合力学与孔结构，30% GGBFS+10% NaOH为较优平衡配比。

3.2. Effect of NaOH activator（NaOH活化剂的影响）

NaOH显著抵消GGBFS取代导致的强度下降并促其提升。40% GGBFS+8% NaOH使90 d抗压强度由未活化23.52 MPa升至41.60 MPa（增幅约77%）；20% GGBFS+10% NaOH使90 d抗折强度由3.32 MPa倍增至6.99 MPa。NaOH降低吸水率与孔隙率，10% NaOH效果最突出（低取代率下最低），12% NaOH虽获最高抗压强度但存泛碱风险与成本问题，10% NaOH综合性更优。

3.3. Effect of curing period（养护龄期的影响）

空白组OPC砂浆抗压强度7 d→28 d略降再至90 d升（37.50→34.29→40.31 MPa）；未活化GGBFS砂浆强度发展迟缓。活化组随龄期持续增强，如30% GGBFS+12% NaOH由7 d 41.57 MPa增至90 d 45.01 MPa，表明延长养护利于持续火山灰反应与碱活化及孔结构细化；90 d吸水率与孔隙率略低于28 d，主要微结构发育于28 d前。

3.4. Multi?regression model results（多元回归模型结果）

多元线性回归得：抗压强度模型R²=0.206（预测差），抗折强度R²=0.767、吸水率R²=0.723、孔隙率R²=0.716（尚可）；因水化?碱活化强非线性交互，线性模型不适于预测该混合体系抗压强度，最高强度值应取自试验优化而非模型推算。另建立孔隙率（%）=1.948×吸水率（%）+0.819（R²=0.996），此经验式限于本试验原材料密度。

3.5. Mechanism discussion based on multi?scale interpretation（基于多尺度解释的机理讨论）

虽未做SEM/XRD等微观测试，但宏观现象与文献吻合：NaOH溶出GGBFS中无定形SiO₂、Al₂O₃生成C?S?H、C?A?S?H与N?A?S?H凝胶填充毛细孔、致密基体、降吸水与孔隙率；长龄期持续反应生成凝胶逐步细化孔结构。

3.6. Relationship between strength and void ratio（强度与孔隙率的关系）

孔隙率与强度呈反向关系：未活化组孔隙率随GGBFS↑而↑、强度↓；NaOH活化显著降低孔隙率并提升强度，低孔隙率（如M1?10于28 d孔隙率11.33%）对应高抗折强度（6.48 MPa，90 d），M3?12（30% GGBFS+12% NaOH）具最高抗压强度（45.01 MPa）且孔隙率较低（15.51%，90 d），证明孔隙率是微结构发育程度的可靠表征。

讨论与结论总结：

研究人员得出结论：（1）无NaOH活化时GGBFS部分取代OPC降低砂浆力学性能，40%取代率90 d抗压强度降幅约42%；（2）NaOH活化显著提升GGBFS复合砂浆性能，30% GGBFS+10% NaOH综合表现均衡，30% GGBFS+12% NaOH获最高90 d抗压强度45.01 MPa；（3）NaOH活化降低吸水率与孔隙率、改善孔结构细化，10% GGBFS+10% NaOH于28 d吸水率与孔隙率最低（5.42%、11.33%）；（4）活化配比随养护龄延长性能提升，高GGBFS含量下更明显；（5）多元回归模型可合理预测抗折强度（R²=0.767）、吸水率与孔隙率，但不适用于该体系抗压强度（R²=0.206）；（6）常温养护下适度GGBFS取代配合合适NaOH活化可获得具改善力学与耐久性能的可持续水泥砂浆。研究局限含未进行微观表征、未测严苛环境耐久性、部分测试未保留单值变异数据，后续宜引入非线性机器学习模型及开展微观与长期耐久性试验验证。