地质聚合物与普通硅酸盐水泥体系中竹材增强的力学与粘结行为研究——可持续基础设施的韧性强化方案

《International Journal of Sustainable Engineering》：Sustainable reinforcement for resilient infrastructure: bamboo in geopolymer and OPC systems – mechanical and bond behavior

本文系统研究了竹材增强地质聚合物混凝土（GPC）相较于传统普通硅酸盐水泥混凝土（OPCC）的力学性能与可持续性潜力。通过对比分析抗压强度（GPC达39 MPa，较OPCC提升18%）、劈裂拉伸强度（提升25%）及弯曲强度（提升13%），证实GPC具备更优的力学性能。研究重点揭示了经杀虫剂/弹性涂料处理的竹材在GPC中的粘结强度提升19%，且竹筋-GPC梁达到钢筋-OPCC梁55%的弯曲承载力，呈现半延性破坏特征。该成果为农村住房等非关键结构提供了低二氧化碳（CO2）排放的可再生增强材料方案，推动联合国可持续发展目标（SDGs）在建材领域的实践。

　　

摘要

本研究通过实验对比竹筋增强地质聚合物混凝土（GPC）与传统普通硅酸盐水泥混凝土（OPCC）的力学性能及可持续性。采用矿渣-粉煤灰基（比例75:25）GPC配合比，以钠硅酸盐-氢氧化钠溶液活化，并选用经杀虫剂、弹性涂料及砂粒处理的Biduru竹种作为增强材料。力学测试显示，GPC的抗压强度（39 MPa）、劈裂拉伸强度（2.97 MPa）和弯曲强度（4.72 MPa）分别较OPCC提高18%、25%和13%。竹筋-GPC梁的弯曲承载力达钢筋-OPCC梁的55%，粘结强度提升19%，且破坏模式呈半延性。结果表明竹材作为可再生低碳增强材料在非关键结构（如农村住房）中具有应用潜力，但需进一步研究其在碱性环境下的长期耐久性。

1. 引言

1.1 背景

建筑行业是全球二氧化碳（CO₂）排放的主要贡献者，其中普通硅酸盐水泥（OPC）年产41亿吨，占全球CO₂排放的8%，而钢铁生产亦依赖不可再生资源。地质聚合物混凝土（GPC）以工业副产物（如粉煤灰、矿渣）为原料，通过碱激活反应形成，具备与OPCC相当的力学性能且显著降低碳足迹。竹材作为快速可再生资源，其拉伸强度与低碳特性使其成为钢筋的潜在替代品，但存在吸湿性、碱降解及各向异性等问题，需通过表面处理提升耐久性。文献计量分析表明，1970年至2024年间竹筋混凝土研究出版物达368篇，2019年后年均发表30–40篇，反映该领域持续受到关注。

1.2 研究空白与当前目标

现有研究缺乏GPC与OPCC在竹筋增强下的系统对比。本研究通过实验评估两种混凝土的力学性能、荷载变形关系及粘结行为，采用印度标准（IS）进行配合比设计（OPCC目标强度M-25，坍落度75–100 mm；GPC以GGBS与粉煤灰为前驱体，水胶比0.43）。竹材经弹性涂料与砂粒处理以增强粘结，旨在为可持续建筑提供实验依据。

2. 材料特性与方法

2.1 材料特性

OPC为43级，细度1.0%（90 μm筛余），初凝96分钟，终凝275分钟。GPC前驱体包括GGBS（比表面积400–600 m²/kg）与粉煤灰（比表面积290–350 m²/kg），碱性激活剂为氢氧化钠（NaOH）与液态硅酸钠（Na₂SiO₃），模数（M_s）调至1.25。骨料为花岗岩粗骨料（最大粒径20 mm）与河砂（细度模数2.24）。竹材（Biduru种）经气干后涂覆杀虫剂、弹性涂料并撒砂，其平均抗压强度58.12 MPa，拉伸强度132 MPa，弹性模量19.612 GPa。

2.2 配合比策略

OPCC与GPC胶凝材料总量均为447 kg/m³，水胶比0.43。GPC中GGBS占比75%，粉煤灰25%，Na₂O掺量为胶凝材料总量的3%。梁试件尺寸750 mm × 150 mm × 150 mm，保护层厚度20 mm，竹筋按等截面面积替代钢筋。

2.3 实验方法

新拌混凝土通过坍落度测试评估工作性。硬化后测试抗压强度（立方体150 mm）、弯曲强度（四点加载）、劈裂拉伸强度（圆柱体150 mm × 300 mm）及粘结强度（拉拔试验IS:2770）。所有试件养护28天，密度与吸水率同步测定。

3. 结果与讨论

3.1 新拌性能与力学特性

GPC坍落度（76 mm）低于OPCC（92 mm），但抗压强度（39 MPa）显著更高。其干密度（2,456 kg/m³）高于OPCC（2,398 kg/m³），吸水率（1.17%）更低，表明GPC结构更致密。

3.2 拉伸与弯曲性能

GPC劈裂拉伸强度（2.97 MPa）较OPCC（2.38 MPa）提高25%。竹筋-GPC梁弯曲强度（9.8 MPa）为钢筋-OPCC梁的55%，体现竹筋在低中度荷载应用中的潜力。

3.3 粘结强度分析

钢筋在GPC中粘结强度（6.84 MPa）较OPCC（5.72 MPa）提升20%，竹筋在GPC中粘结强度（4.12 MPa）提高19%。弹性涂料与砂粒处理有效增强竹材与混凝土的机械咬合。

3.4 荷载变形行为

竹筋-GPC梁呈半延性破坏，最大荷载70.5 kN（变形5.0 mm），延性优于脆性破坏的素混凝土梁，但承载力较钢筋-GPC梁低43%。

3.5 关键分析与实践意义

GPC的碳足迹较OPCC降低约60%，但粘稠性需优化配合比。竹筋-GPC组合适用于农村住房等非关键结构，其经济性与可持续性突出，但长期碱性耐久性需进一步研究。

4. 结论与展望

GPC在力学性能与耐久性指标上均优于OPCC，竹筋增强体系具备半延性响应与可行粘结强度。未来需开展长期耐久性试验（如碳化、硫酸盐侵蚀），探索竹-钢混合增强体系，并推动相关标准制定。生命周期评估（LCA）与成本分析（LCC）将量化该体系的环境与经济收益，助力可持续建筑发展。

利益声明

作者声明无潜在利益冲突。

数据可用性

实验数据公开于Zenodo平台（DOI: 10.5281/zenodo.14864720）。