养护方式与养护温度、NaOH摩尔浓度之间的关系及其对地质聚合物混凝土行为的影响

更强、更环保的日常结构混凝土

混凝土无处不在——从住宅和桥梁到人行道。但传统混凝土的制造会释放大量二氧化碳。本研究探讨了一种替代方案，称为地质聚合物混凝土，它可以由粉煤灰、高炉矿渣等工业副产物制成。研究人员希望弄清楚如何最好地“养护”这种更环保的混凝土——是在高温烘箱中养护还是在常温下养护——以便在保持较低能耗和环境影响的同时，使其达到实际建筑所需的强度。

使一种新型混凝土硬化的两种方法

研究团队用粉煤灰作为主要原料、天然砂和碎石作为骨料，并用基于氢氧化钠和水玻璃的强碱溶液配制了多批地质聚合物混凝土。有些配合比还掺入了磨细高炉矿渣，这是一种富含钙的工业副产物。新拌混凝土随后采用两种不同方法硬化：一种是将试件置于45 °C到120 °C的烘箱中；另一种则是在约23 °C的实验室环境中让含矿渣的试件自然养护，类似典型室内环境。这样就可以直接比较耗能较高的热处理与低能耗的室温养护。

寻找热量与化学浓度的最佳组合

对于烘箱养护的试件，研究人员在养护后测量了混凝土在抗压、抗弯和间接抗拉方面的承载能力。他们发现了明确的规律：将烘箱温度从45 °C提高到90 °C会显著增加强度，但升到120 °C时强度又下降。显微图像揭示了原因——较高的温度加快了结合材料的化学反应，但过高的温度会驱散水分并产生微小裂缝。碱性溶液的浓度也很关键：使用更强的氢氧化钠溶液（12摩尔，而非8或10摩尔）产生了最高的强度，在90 °C时抗压强度约为60–65 MPa，可与高性能结构混凝土相媲美。

使室温养护发挥作用

室温养护在施工现场更具可行性，因此研究团队测试了应加入多少矿渣以在不加热的情况下帮助材料硬化。在常温条件下，强度对矿渣含量和碱浓度都高度敏感。适量的矿渣——通常约占胶凝材料的10–15%——通过生成富含钙的额外结合凝胶显著增强了混凝土强度，这些凝胶填充了孔隙并形成更致密的内部结构。矿渣太少会导致硬化缓慢，而矿渣过多则会稀释可反应的粉煤灰并降低和易性，从而使强度再次下降。将氢氧化钠浓度从8摩尔提高到12摩尔在所有矿渣水平下均持续提高了强度，即使不经烘箱养护也是如此。

混凝土内部发生了什么

为观察微观尺度上的变化，研究人员使用了高分辨率成像和化学分析。在含矿渣的室温养护配合比中，内部结构显得相对致密，存在多种凝胶相混合，将颗粒粘结在一起、留下较少孔隙。相比之下，不含矿渣且经烘箱养护的样品显示出非常致密的铝硅酸盐凝胶网络，但在温度过高时也出现了更多微裂缝。元素分析证实了这些差异：含矿渣的混合物含有更多钙，形成适合室温硬化的富钙凝胶，而不含矿渣的烘箱养护混合物则主要依赖钠基铝硅酸盐凝胶，对热响应更强。

在强度、能耗与可持续性之间取得平衡

综合所有数据和统计分析，研究表明养护方法和碱浓度都会显著影响地质聚合物混凝土的性能。单一最强的配合比是使用12摩尔氢氧化钠溶液并在90 °C下养护。然而，一种优化的室温配合比在相同碱浓度并加入约10%矿渣时，其强度可达到该最高强度的四分之三以上——对于许多结构用途已足够——且无需任何外部加热。对非专业读者而言，结论很简单：通过谨慎调整温度、化学浓度和矿渣含量，工程师可以设计出既能满足实际建筑要求又能相比传统水泥基混凝土减少燃料使用和气候影响的地质聚合物混凝土。

引用: Özkılıç, Y.O., Mohamud, M.A., Yılmaz, F. et al. The relationship of curing methods and curing temperatures with NaOH molarity and their effects on the behavior of geopolymer concrete. Sci Rep 16, 8346 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39478-4

关键词: 地质聚合物混凝土, 低碳建筑, 养护温度, 高炉矿渣, 可持续材料