轻质EGC涂层的设计与制造：实现高隔热性能以缓解高原混凝土结构中的热应力疲劳

《Journal of Building Engineering》：Design and Manufacture of Lightweight EGC Coating Achieving High Thermal Insulation for Mitigating Thermal Stress Fatigue in Plateau Concrete Structures

　　

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  开发了用于高原混凝土防护的轻量级EGC涂层。
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  EGC在仅0.7%的纤维含量下，可实现约40 MPa的强度和3.5-6%的应变。
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  MK/SF的活性控制地质聚合程度和微观结构的致密化。
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  2毫米的EGC涂层可将混凝土的耐热疲劳寿命延长109倍。
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  最优前驱体配比MK115+SF120在性能与成本之间取得平衡。

引言

混凝土开裂仍然是基础设施长期性能面临的持久威胁，微裂纹容易扩展为宏观裂纹，从而降低承载能力并为水分和侵蚀性离子提供通道[1]。一旦氯离子和硫酸盐到达钢筋，腐蚀便会产生并引发进一步的冻融破坏和化学侵蚀，最终危及结构安全并增加全生命周期成本[2], [3]。这一问题在高原环境中尤为严重。强烈的太阳辐射在白天迅速加热混凝土表面，而夜间低温则导致急剧降温，产生巨大的昼夜温差和严重的热疲劳应力[4]。低气压和干燥空气加速了水分蒸发，增加了早期塑性收缩开裂的风险[5]。在温度、湿度和机械荷载的共同作用下，高原混凝土结构的裂缝萌生更早、扩展更快，对混凝土的抗裂性能提出了严格要求[6]。

目前的抗裂策略可分为主动防护和被动防护。主动防护包括优化配合比、掺入粉煤灰、矿渣和硅灰等矿物外加剂[7], [8], [9]、使用功能性添加剂[10], [11]、引入增强纤维[12]、利用自修复性能[13]以及改善养护制度[14]。尽管这些措施在控制早期开裂方面是有效的，但它们很少能为硬化混凝土提供持续的表层保护以抵御外界的直接侵袭，如剧烈的温度变化、水分侵入或化学腐蚀。被动防护以表面涂层的形式，形成连续的物理屏障，阻挡水分和有害介质，从而弥补混凝土固有的缺陷[15]。有机涂层通常具有良好的柔韧性和附着力，但在紫外线照射下容易降解，使用寿命有限[16], [17]。无机涂层具有优异的耐候性和与混凝土基体的化学相容性[18]；然而，其固有的脆性使得在基体因温度变化或机械荷载变形时容易发生开裂或剥离，导致防护功能过早丧失[15]。

工程化地质聚合物基复合材料（EGCs）最近作为一种新型无机涂层引起了关注。利用碱激发铝硅酸盐化学，EGC涂层相比有机替代材料提供了更好的热稳定性、化学耐性和基体相容性[16], [17], [18]。当用短纤维增强时，EGCs可以表现出应变硬化行为和紧密的多裂纹特征，克服了传统无机涂层的脆性，使涂层能够随基体变形而不会发生灾难性破坏[19], [20]。先前的研究表明，基于粉煤灰、偏高岭土（MK）或硅灰（SF）的EGCs可以达到3%以上的拉伸应变，同时裂缝宽度保持在100 μm以下[19], [20], [21]。然而，仍存在重大挑战。首先，前驱体活性控制地质聚合程度、N-A-S-H凝胶形态以及最终的基体密度和断裂韧性[22], [23]，但关于活性如何影响力学、热学和微观结构性能耦合的系统性研究仍然缺乏[20], [21]。较高的MK活性加速铝硅酸盐的溶解和凝胶形成，提高抗压强度，但过于细或活性过高的MK会导致局部快速凝结，形成不均匀的凝胶结构，反而限制强度增长并损害变形能力[20]。与此同时，活性更高的SF主要通过物理微填充而非增强的地质聚合来致密化基体；这提高了首次开裂强度和断裂韧性，但抑制了实现高拉伸韧性所需的多裂纹形成[24]。其次，虽然已有大量工作致力于改善EGCs的力学性能，但其隔热能力和屏蔽混凝土免受温度引起的疲劳开裂的能力却相对较少受到关注[4], [6]。热导率由基体孔隙率和反应产物性质决定，两者均取决于前驱体活性[25], [26], [27]，因此同时实现高比强度、可控裂缝宽度、低热导率和低纤维含量以实现经济性构成一个尚未解决的多目标优化问题。

这些知识空白对EGC涂层的合理设计和现场应用构成了实际障碍。例如，选择活性过高的MK可能产生致密但脆性的基体，无法适应热变形；而活性不足则会产生强度低的基体，无论是否添加纤维都容易发生脆性断裂[20]。同样，在未调整基体组成的情况下用活性更高的SF替代可能会使复合材料从应变硬化转变为应变软化行为，消除了对防护功能至关重要的裂缝宽度控制[24]。缺乏定量的结构-性能关系也阻碍了对隔热性能的可靠预测，使得难以在力学鲁棒性和热防护之间取得平衡。此外，大多数现有的EGC配方需要高温养护或较高的纤维体积分数（1.5-2.0%）才能达到理想的性能[19], [24]，限制了现场适用性和经济性。

为应对上述挑战，本研究开发了一种专为高原混凝土防护设计的轻质、高韧性和隔热EGC涂层。水泥被完全取代为地质聚合物粘结剂，并掺入粉煤灰微珠以提高隔热性能[19]。通过微珠的"滚珠"效应和有意降低的基体断裂韧性[20]，在0.7%的较低纤维体积分数下实现了应变硬化行为。采用一系列具有不同活性指数的MK和SF前驱体，系统研究了前驱体活性对抗压强度、拉伸韧性、热导率和微观结构的影响。通过多尺度表征，包括XRD、FT-IR、TG和氮气吸附孔径分析，建立了前驱体活性、微观结构演变与宏观性能之间的定量关联。最后，基于监测到的高原环境温度进行了有限元模拟，以评估涂层在混凝土板中对抗热应力疲劳的防护效果。本研究有望揭示前驱体活性的调控机制。在此基础上，可以设计出经济高效的无机涂层，以缓解高原恶劣气候条件下混凝土结构的热疲劳开裂。

章节摘要

原材料

选择具有不同活性水平的偏高岭土（MK）和硅灰（SF）作为配制EGC的前驱体。使用了三种MK，分别标记为MK110、MK115和MK120，活性指数分别为110%、115%和120%。它们对应的比密度分别为2900、2600和2400 kg/m³。使用了两种SF，活性指数分别为120%（SF120）和125%（SF125），密度分别为2200和2100 kg/m³。FAC具有球形中空结构

抗压强度

图7a展示了MK和SF活性对EGC抗压强度的影响。随着MK活性指数的增加，抗压强度呈现先增加后趋于稳定的趋势。使用活性指数最低（110%）的MK制备的EGC，记为MK110-EGC，其抗压强度为9.6 MPa。当MK活性指数提高到115%时，强度显著增加至37.1 MPa，约为

结论

本研究开发了一种轻量级EGC涂层材料，集高变形能力、可控开裂行为和优良的隔热性能于一体。通过宏观力学和热导率测试结合有限元模拟，初步评估了其在缓解混凝土热应力疲劳方面的潜力。这是首次提出采用高韧性、隔热的纤维增强地质聚合物基复合材料作为防护涂层来应对

局限性及建议

本研究成功开发了一种具有高比强度、高韧性和优异隔热性能的EGC涂层材料。基于其固有的力学和热传输特性，通过简化的有限元模拟初步评估了该涂层在缓解高原混凝土热应力疲劳方面的潜力。然而，在实际高原条件下，涂层本身的耐久性（特别是其抗冻性）

CRediT作者贡献声明

钟怡辉：方法学、数据整理。王飞：方法学、调查研究。史成：可视化、软件。唐子明：软件、概念构思。王天建：软件、资源。余科泉：项目管理、方法学。廖刚：撰写—初稿、方法学、调查研究。金伟：验证、监督、资源。张团：经费获取

未引用参考文献

[28]。

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到西藏自治区科技计划项目（编号：XZ202501JX0010）和中国电力成都工程有限公司科技计划项目（P67425、P65124）的支持。

廖刚|金伟|张团|钟怡辉|王飞|史成|唐子明|王天建|余科泉