《Next Materials》：Experimental and microstructural investigation on ternary blended geopolymer concrete at varying NaOH molarities
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水泥生产是导致全球二氧化碳（CO?）排放的主要因素，因此亟需开发可持续的替代性胶凝材料。尽管利用工业副产品制备的地聚物混凝土是一种前景广阔的低碳替代方案，但NaOH摩尔浓度对常温养护三元混合地聚物混凝土性能的影响尚未得到全面研究。为此，本研究考察了2 M至12
水泥生产是导致全球二氧化碳（CO?）排放的主要因素，因此亟需开发可持续的替代性胶凝材料。尽管利用工业副产品制备的地聚物混凝土是一种前景广阔的低碳替代方案，但NaOH摩尔浓度对常温养护三元混合地聚物混凝土性能的影响尚未得到全面研究。为此，本研究考察了2 M至12 M范围内NaOH摩尔浓度对由粉煤灰、磨细高炉矿渣（GGBFS）和硅灰组成的三元混合地聚物混凝土（TBGPC）配合比的影响。通过坍落度试验评估新拌性能，通过抗压、劈裂抗拉和抗弯强度试验评估力学性能，同时采用超声波脉冲速度（UPV）试验评价混凝土质量。结果表明，随着NaOH摩尔浓度和GGBFS含量的增加，工作性降低。M3和M4配合比在6 M和8 M摩尔浓度下表现出优异的力学性能，其中8M-M4配合比表现最佳。耐久性评估（吸水率和毛细吸水）、微观结构分析（SEM-EDS、XRD和FTIR）、环境评估（隐含能和全球变暖潜势）以及成本分析均在优化配合比和参考配合比上进行。在28天龄期时，优化后的8M-M4配合比（50%粉煤灰、40%GGBFS和10%硅灰）抗压强度达到47.47 MPa，UPV值为4.60 km/s，显示出其优异的混凝土质量。这些结果阐明了NaOH摩尔浓度对常温养护三元混合地聚物混凝土的影响，并为开发可持续高性能混凝土的实际应用提供了指导。
## 研究背景与问题
全球变暖是当前面临的主要环境挑战，其根源在于温室气体（GHG）排放，其中二氧化碳（CO?）约占温室气体排放总量的76%。水泥行业在2024年向全球贡献了1453 MtCO?，占化石燃料CO?总排放量的4%。普通波特兰水泥（OPC）作为混凝土中主要的胶凝材料，生产每吨OPC会释放约0.8–0.95吨CO?，使其成为GHG排放的重要来源。此外，OPC基混凝土还易受化学侵蚀，且强度与质量比相对较低。同时，快速城市化推动了工业发展，全球每年产生约92亿吨工业废弃物。粉煤灰、GGBFS和硅灰等工业副产品大量产生，不当处置会造成土壤和地下水污染。
地聚物作为OPC的可持续替代方案，能够实现富含铝硅酸盐工业副产物的增值再利用，同时减少填埋处置并促进循环经济。与OPC体系相比，地聚物体系的碳足迹显著降低，单位强度的CO?排放量可减少66%–73%。然而，现有研究大多集中于高浓度NaOH（8 M–18 M）配合热养护的低钙粉煤灰体系，热养护增加了额外能耗。常温养护条件下，粉煤灰地聚物存在凝结缓慢和早期强度低的问题。为此，研究人员引入富钙GGBFS以促进C-S-H和C-(A)-S-H结合相的形成，从而改善早期凝结和强度发展；同时掺入硅灰以补充活性二氧化硅，促进地质聚合反应并提高基体密实度。但迄今对于NaOH摩尔浓度如何综合影响常温养护三元混合体系中工作性、强度、耐久性和凝胶演变，仍缺乏完整的认识。此外，高浓度碱激活剂不仅增加成本，也带来环境负担和安全风险。因此，本研究系统考察了NaOH摩尔浓度（2 M–12 M）对粉煤灰、GGBFS和硅灰三元体系常温养护地聚物混凝土性能的影响，以确定最优配合比，为开发可持续高性能混凝土提供依据。
## 研究内容与主要方法
研究人员配制了五种前驱体组合（M0至M4），以粉煤灰为基准，GGBFS按10%至40%逐步替代，硅灰固定为10%，在2 M至12 M六种NaOH摩尔浓度下共制备30组常温养护地聚物混凝土配合比。主要关键技术方法包括：通过坍落度试验评估新拌性能；通过抗压、劈裂抗拉和抗弯强度试验测定力学性能；利用超声波脉冲速度（UPV）进行无损检测；采用吸水率和毛细吸水试验评价耐久性；运用扫描电子显微镜结合能谱分析（SEM-EDS）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行微观结构表征；基于材料单位值核算隐含能（EE）、全球变暖潜势（GWP）和成本。样本来源方面，粉煤灰购自印度Rayalaseema热电厂，GGBFS和硅灰购自印度金奈Astraa Chemicals公司，细骨料为天然河砂，粗骨料为当地碎石，减水剂为Fosroc公司生产的Conplast SP430。
## 结果与讨论
### 3.1 新鲜性能
通过坍落度试验发现，NaOH摩尔浓度越高，坍落度越低；在所有摩尔浓度下，GGBFS含量从10%增加到40%均导致坍落度逐步降低。较低摩尔浓度下自由水较多，而高摩尔浓度加速了铝硅酸盐溶解和凝胶形成，导致粘度增大、工作性下降。此外，硅灰的微小粒径和较高比表面积增加了需水量，加剧了工作性损失。
### 3.2 力学性能
#### 3.2.1 抗压强度
不同配合比和摩尔浓度的抗压强度通过等值线图呈现。所有配合比在3天和7天时的早期强度增长率高于后期。8 M摩尔浓度下，8M-M4配合比28天抗压强度为47.47 MPa，分别比8M-M0、8M-M1、8M-M2和8M-M3高89.3%、87.9%、63.8%和26.3%。8 M被认为是在充分碱环境和充足自由水之间取得最佳平衡的摩尔浓度，有利于形成混合C-(A)-S-H和N-(A)-S-H凝胶。而10 M和12 M的高碱性导致自由水减少、缩聚受限，基体孔隙率增大，强度反而下降。
#### 3.2.2 劈裂抗拉强度
劈裂抗拉强度（STS）的变化趋势与抗压强度相似。8M-M4配合比在28天、56天和90天的STS值分别为3.19 MPa、3.59 MPa和3.99 MPa，为所有配合比中最高。密集等值线区域集中在M4配合比的6–10 M范围内，表明该区间劈裂抗拉性能发展最优。
#### 3.2.3 抗弯强度
抗弯强度（FS）同样表现出与抗压和劈裂抗拉强度一致的趋势。8M-M4配合比取得最高的抗弯强度值。在低摩尔浓度下，钙缺乏的M0配合比出现脱模困难和试件断裂现象，这与常温下粉煤灰反应缓慢有关。
#### 3.2.4 超声波脉冲速度（UPV）
UPV值范围为3.15至4.63 km/s。6M-M4的UPV值最高（4.63 km/s），属于“优异”质量等级。参考M0系列在整个摩尔浓度范围内均处于“可疑”等级。28天抗压强度与UPV的拟合关系为y = 0.047x + 2.68，R2 = 0.639，表明两者呈中等相关性，UPV还受内部孔隙结构和微裂纹影响。
### 3.3 耐久性能
#### 3.3.1 吸水率试验
按照ASTM C642进行吸水率测试。6M-M0配合比具有最高的吸水率和可渗透孔隙体积（VPV），表明其基体结构较疏松。相比之下，M4配合比在6 M和8 M下均显示出最低的吸水率和VPV值，归因于硅灰的孔细化作用和GGBFS促进的额外C-(A)-S-H凝胶生成，使基体更加致密。8 M配合比的体密度和表观密度均高于6 M配合比，进一步证实了更高摩尔浓度下的致密化效应。
#### 3.3.2 毛细吸水
毛细吸水试验按照ASTM C1585进行。在所有测试配合比中，M4配合比在初始和二次吸水阶段均表现出最低的累积吸水量，表明其孔隙连通性较低、抗水侵入能力较强。整体而言，8 M配合比的初始和二次吸水率均低于6 M配合比，显示出更好的耐久性能。初始吸水率在6M-M0和8M-M3配合比中最高，分别对应弱凝胶形成和快速溶解后的不完全聚合。
### 3.4 微观结构分析
#### 3.4.1 扫描电子显微镜（SEM）
SEM图像显示，6M-M0基体中存在大量未反应粉煤灰颗粒和多孔结构。随着GGBFS和硅灰含量增加，M3和M4配合比的基体逐渐致密化。8 M配合比相较于6 M配合比显示出更少的未反应颗粒和更致密的凝胶网络。8M-M4呈现出部分反应的粉煤灰颗粒外壳嵌入致密混合凝胶基体中的形貌，有利于强度发展。
#### 3.4.2 能谱分析（EDS）
EDS结果表明，随着GGBFS含量增加，Ca/Si比升高，Si/Al比降低。8M-M4的Ca/Si比为2.01，Si/Al比为1.36，表明生成了更多富钙凝胶（C-(A)-S-H型）以及交错的C-N-(A)-S-H凝胶结构。这些反应产物与观察到的较高强度和致密微观结构一致。
#### 3.4.3 X射线衍射（XRD）
XRD分析显示，石英和莫来石为主要结晶相，钙长石、钙铝黄长石和钠长石为次要相。与参考配合比相比，M3和M4配合比表现出更明显的非晶特征以及含钙反应产物。8 M配合比中石英峰强度降低，表明活性相溶解增强。在28°–29°和30°–39° 2θ范围内检测到的弱结晶C-(A)-S-H凝胶峰进一步确认了钙激活反应的发生。
#### 3.4.4 傅里叶变换红外光谱（FTIR）
FTIR光谱在980–1000 cm?1区域观察到Si–O–Si和Si–O–Al不对称伸缩振动的特征峰。未反应粉煤灰在1056.99 cm?1处的峰在碱激活后向低频迁移，表明地质聚合反应发生。8M-M4在1001.6 cm?1处的峰强度最高，反映出更有序的铝硅酸盐网络和增强的凝胶形成。500–800 cm?1范围内的谱带对应于地聚物凝胶中的次级结构单元（SBU），验证了三维铝硅酸盐网络的形成。
### 3.5 环境影响评估
隐含能（EE）和全球变暖潜势（GWP）计算基于1 m3混凝土的材料单位值。8M-M4配合比具有最高的EE值（2139.50 MJ/m3），而6M-M0最低（1734.10 MJ/m3）；GWP同样在8M-M4处最高（327.01 kgCO?e），6M-M0最低（288.20 kgCO?e）。与6M-M0相比，8M-M4的EE高出约23%，GWP高出约13%。碱激活剂（尤其是NaOH和Na?SiO?）是EE和GWP的主要贡献者。
### 3.6 成本分析
成本分析显示，参考配合比（6M-M0和8M-M0）的生产成本最低，但其单位强度成本反而最高，分别为502.28和424.64 INR/MPa。8M-M4虽然总成本最高（11954.53 INR/m3），但因强度最高，单位强度成本仅为251.83 INR/MPa，为所有配合比中最低，体现出最佳的经济效益。
## 总结讨论与研究结论
研究结果表明，NaOH摩尔浓度对三元混合地聚物混凝土的各项性能具有关键调控作用。8 M是铝硅酸盐溶解与凝胶形成之间达到最优平衡的摩尔浓度，高于此值时过量的碱会限制缩聚并增加孔隙率。GGBFS和硅灰的协同作用通过生成混合C-(A)-S-H和N-(A)-S-H凝胶、细化孔隙和增强基体密实度，大幅提升了力学性能和耐久性。最优配合比8M-M4在常温养护条件下实现了47.47 MPa的28天抗压强度和4.60 km/s的UPV值，同时具备优异的耐久性和最低的单位强度成本，能够在无需能耗密集型热养护的条件下制备高强度地聚物混凝土。这些发现为三元前驱体体系中碱激活剂参数的优化提供了实验依据，支持了TBGPC在可持续混凝土应用中的潜力。未来研究将进一步考察不同的SS/SH比和AAS/Bc比优化、纤维掺入、在酸、氯盐和硫酸盐等侵蚀环境下的长期耐久性，以及与OPC和LC3胶凝体系的完整生命周期评估（LCA）对比。
