不同膨胀剂对碱激活快速修补砂浆影响的比较：可施工性、力学性能、干燥收缩

为什么修补开裂路面正在升级

从高速公路到桥梁，许多混凝土结构老化和开裂的速度超过了我们的修复速度。传统的修补配合物硬化较慢且在干燥过程中容易产生新的裂缝。本研究探讨了一类由工业副产物制成的新型“绿色”修补砂浆，并提出一个务实的问题：哪种添加剂在抑制修补体收缩开裂的同时，仍能足够快地硬化以便快速恢复通行？

来自工业剩余物的更环保修补配方

本研究中的修补砂浆以矿渣粉、粉煤灰和偏高岭土为原料——这些是钢铁生产、燃煤发电和粘土加工产生的粉状副产物。当用碱性液体激活这些粉末时，会形成一种坚硬、类石的胶结体，而不需大量使用传统水泥。这降低了气候影响，并能实现非常快的强度增长，适合于隔夜或当日修补。然而，这类碱激活配合物在干燥时往往收缩显著，可能产生细小裂缝并削弱与既有混凝土的粘结。

三种抑制收缩的途径

为控制这种收缩，研究者比较了掺入砂浆的三种膨胀剂：一种主要基于氧化镁（MEA），一种基于氧化钙（CSEA），以及一种来源于硫铝酸钙（SEA）。每种膨胀剂按不同掺量添加，并测试了新拌砂浆的流动性、初凝与终凝速度、抗压强度和与老混凝土的粘结强度，以及两个月内的收缩量。他们还使用X射线方法、热分析和电子显微镜观察内部形成的晶体与凝胶类型及显微结构的演变。

哪些有效，哪些无效

三种添加剂都加快了砂浆的凝结，这对快速修补有利，但必须保持可施工性的要求。MEA总体影响最温和：在此研究使用的强碱体系中，镁反应不强，未产生足够的膨胀产物来抵消收缩，因而对强度和收缩几乎没有改变。CSEA的表现则截然不同：在较高掺量下它显著缩短了凝结时间，提高了早期强度，且关键是将长期干燥收缩减少了近一半。它还通过形成更致密的结合区提高了新旧混凝土的粘结力。代价是快速的放热和晶体生长在随时间带来了细小的内裂缝，因此28天抗压强度相较于不掺剂的配方有所下降。

早期有效但随时间减弱

SEA添加剂在早期看起来很有希望：它形成膨胀性的针状晶体以填充空间，抵抗早期收缩，并提高了早期强度和对既有混凝土的早期粘结。但在这些砂浆的强碱条件下，这些针状体逐渐转变为更扁平的晶体和不同的凝胶。随着内部结构重排和水分释放，材料随后的收缩超过了对照组。这一额外收缩导致微裂缝并显著降低了长期强度和粘结性能，使得SEA在此类体系中不太适合用于持久修补。

对未来混凝土修补的启示

对于寻求快速、耐久且低碳的混凝土修补方案的工程师而言，研究表明在碱激活砂浆中并非所有膨胀剂都同样有效。在这些强碱配方中，基于镁的添加剂作用有限，基于硫铝酸盐的添加剂只在短期内有益但随后会引起额外收缩和开裂。基于钙的CSEA提供了最佳平衡：它实现了非常快的强度增长、与既有混凝土更强的粘结以及大幅降低的长期收缩，尽管最终强度略有下降。简而言之，经过精细调控的钙基膨胀剂在实现抗裂、快硬和更可持续的混凝土修补材料方面最具前景。

引用: Luo, X., Xi, M., Huang, L. et al. Comparison of the effects of different expansion agents on alkali-activated rapid repair mortars: workability, mechanical properties, drying shrinkage. Sci Rep 16, 13791 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43508-6

关键词: 混凝土修补, 碱激活砂浆, 收缩控制, 膨胀剂, 基础设施耐久性