偏高岭土基地聚物的物理力学性能实验研究：时效与围压效应的深度解析

本研究针对传统硅酸盐水泥(OPC)高碳排放问题，创新性地系统探究了偏高岭土基地聚物(MK-based geopolymer)在不同养护龄期(1-28天)和围压条件(0-10 MPa)下的物理力学性能演变规律。通过Vicat测试、氮气吸附、三轴压缩等实验，揭示了材料孔隙结构、渗透率与力学参数的时效-应力耦合机制，证实围压可显著提升材料延性(峰值应变提高2.85倍)并改变破坏模式(轴向劈裂→斜向剪切)，为绿色建材工程应用提供重要理论支撑。

　　

在全球建筑行业面临"双碳"目标的严峻挑战下，传统硅酸盐水泥(OPC)生产过程中产生的大量CO₂排放(约占全球人为排放量的8%)成为亟待解决的环保难题。地聚物(Geopolymer)作为Davidovits于1989年提出的新型胶凝材料，因其制备过程碳排放量仅为OPC的30%、且能利用工业固废(如粉煤灰、矿渣等)而备受关注。其中偏高岭土(Metakaolin, MK)基材料因其高纯度、稳定化学组成和优异力学性能，被视为理想的地聚物前驱体。然而，现有研究对MK基地聚物在复杂应力状态下随龄期演变的物理力学行为缺乏系统认知，这严重制约了其在油气井工程、核废料处置等高压环境中的工程应用。

针对这一科学瓶颈，法国阿尔卑斯格勒诺布尔大学(Université Grenoble Alpes)的研究团队在《Applied Clay Science》发表了创新性研究成果。研究采用真空饱和法测定孔隙率、氮气吸附分析(BET法)表征孔径分布、配合三轴试验系统(最大围压10 MPa)等关键技术，构建了MK基地聚物从微观结构到宏观性能的多尺度评价体系。

3.1 物理性能的时效演变
通过7-28天的连续监测发现：材料孔隙率从39.34%降至37.31%，氮气吸附等温线显示典型的IV型介孔特征(最可几孔径7.35 nm)。渗透率随围压呈幂律衰减(k=k₀(P_c/P_cr)^-a)，卸载后出现不可逆损伤，这种滞后效应源于围压导致的孔隙结构塑性变形。

3.3 单轴力学行为
早期强度发展显著，7天抗压强度达77.41 MPa(28天仅增长3%)。杨氏模量(23.5-25.8 GPa)与强度呈线性相关(R²=0.99)，而泊松比(0.21-0.23)随龄期递减，这种刚度-强度协同增长归因于凝胶产物对孔隙的持续填充。

3.4 三轴力学响应
围压升至10 MPa时，材料表现出显著延性：峰值轴向应变提升285%，破坏模式从脆性劈裂转变为剪切破坏(破裂面倾角9-28°)。Mohr-Coulomb准则拟合显示，内聚力c从22.85 MPa(7天)增至23.17 MPa(28天)，内摩擦角φ从28.57°增至29.64°，证实了凝胶网络随龄期的强化效应。

这项研究首次建立了MK基地聚物"孔隙结构-渗透率-力学性能"的跨尺度关联模型，揭示了围压通过抑制微裂纹扩展(渗透率降低57%)和促进颗粒重排(体积应变提高126%)的协同强化机制。研究成果不仅为地聚物在高压环境(如深部油气井固井)的应用提供设计依据，其提出的幂律渗透率模型(k∝P_c^-0.21)更为多场耦合数值模拟奠定了理论基础。值得注意的是，材料在7天后性能提升趋缓的现象，提示工业化应用中可缩短养护周期，这对降低施工成本具有重要工程意义。未来研究可进一步探索温度、湿度等多因素耦合老化机制，以全面评估材料的长服役周期性能。