堿-礦渣水泥的水化、力學及干縮性能研究進展

石馬剛，柯國軍,2,3，鄒品玉,2,3，宋百姓,2,3，唐小林,2,3，金 丹,2,3

(1.南華大學土木工程學院，衡陽 421001；2.中國核建高性能混凝土重點實驗室，衡陽 421001； 3.高性能特種混凝土湖南省重點實驗室，衡陽 421001)

0 引 言

堿-礦渣(alkali-activated slag， AAS)水泥是一種新型膠凝材料，具有良好的環境協調性能，在其生產過程中，溫室氣體的排放量僅為生產硅酸鹽水泥的15%～40%[1]，AAS水泥基材料也因此得到廣泛關注與研究。

研究表明,AAS水泥具有優異的力學性能，但其干縮遠大于普通硅酸鹽水泥混凝土[2]，這是制約其在工程實踐中推廣應用的關鍵因素。蘇岳威等[3]以模數為1.0的水玻璃為激發劑制作膠砂試樣，其28 d的抗壓強度達到76.2 MPa。陳科等[4]系統地研究了AAS水泥砂漿的干縮特性，結果表明，AAS砂漿的干縮遠大于同條件下的普通硅酸鹽水泥砂漿，以模數為1.0的水玻璃和堿含量相同的NaOH為激發劑制作試樣，14 d的干縮量分別達到了普通硅酸鹽水泥砂漿的5.5倍和2.2倍。

AAS水泥與普通硅酸鹽水泥力學性能與干縮特性的差異，很大程度上是因為兩者的水化機理不同。AAS水泥水化產物以網絡結構為特征，漿體具有更小的孔隙率以及更細的孔結構，這與普通硅酸鹽水泥由C-S-H、CH、AFm等無機小分子結構組成的硬化體有本質的區別[5-6]。AAS水泥的潛在活性與礦渣的化學組成及結構密切相關[7]，其獨特的水化機理本質來源于礦渣分相的玻璃體結構，也與激發劑的選擇有極大的關系[8]，探究不同激發劑作用下礦渣的水化機理是研究AAS水泥基材料力學性能與干縮特性的前提。

因此本文介紹了礦渣的組成與結構，探討了不同激發劑作用下AAS水泥的水化機理，在此基礎上綜述其基本力學性能和干縮特性。旨在為了解礦渣的活性來源，理解其基本力學性能與水化的關系，收縮與水化的關系以及降低收縮提供參考，為其在工程實踐中的應用和推廣提供依據。

1 礦渣的組成與結構

礦渣的活性主要來源于其中無定形的玻璃體及其分相結構，而礦渣的化學組成在一定程度上調控著玻璃體結構[9-11]。在相同激發劑的作用下，盡管礦渣表現出相似的水化特征，但其化學組成卻在很大程度上影響著AAS水泥基材料硬化體的組成與結構，進而影響硬化體的力學與干縮性能。例如Mg/Al質量比高、Al/Si質量比低的礦渣，由其制得的AAS水泥硬化體中體積穩定性好的類水滑石含量較多，易收縮的C-A-S-H凝膠含量較少，進而導致硬化體的干縮大大降低[12]。因此，全面了解礦渣的化學組成與結構對于AAS水泥基材料的研究十分重要。

1.1 礦渣的化學組成

礦渣是一種量大面廣的工業廢渣，其化學成分隨鐵礦石種類、冶煉方法的改變而有所不同。表1和圖1分別列出了普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5級)以及我國幾個主要的鋼鐵企業排放的礦渣的化學成分及含量(質量分數)，可以看出，礦渣與普通硅酸鹽水泥的化學組成基本相同，但在含量上差別較大，不同來源的礦渣各組分含量也略有不同[13-14]。

表1 普通硅酸鹽水泥的主要化學組成及含量[13-14]Table 1 Main chemical composition and content of ordinary Portland cement[13-14]

圖1 不同企業礦渣的化學組成含量的比較[13-14]Fig.1 Comparison of chemical composition content of slag from different enterprises[13-14]

1.2 礦渣的結構

1.2.1 礦渣的玻璃體結構

礦渣在形成過程中，水淬急冷限制了礦物結晶，除少量如鈣鋁黃長石等結晶相的固溶體外，占礦渣質量90%～95%的都是無定形的活性玻璃體結構[15]。這與Skibsted等[16]提出的輔助膠凝材料本質上可被視為CaO-Al2O3-SiO2三元玻璃體及其衍生型的觀點相一致。

玻璃體結構難以統一定量表示，當前對于輔助膠凝材料結構的表征是以聚合度和解聚度這兩個指標來表征其玻璃體結構[17-19]。Shimoda等[20]研究了CaO-MgO-Al2O3-SiO2礦渣玻璃體的局域結構，發現AlO4四面體和SiO4四面體形成支鏈的框架結構，Ca2+和Mg2+分散其中且由支鏈框架結構的連接形式決定其占位。Liu等[21]研究了Al2O3含量高達30%(質量分數)的CaO-MgO-Al2O3-SiO2四元體系礦渣，結果表明，盡管Al—O—Al鍵數量減少，但其仍然是玻璃體結構的網絡形成體之一。

基于以上關于礦渣玻璃體結構的研究[15-21]，可以初步建立起礦渣玻璃體結構示意圖,如圖2所示，礦渣玻璃體以[SiO4]4-四面體為網絡形成體，[SiO4]4-通過氧橋相互連接。熔融狀態下，與Al3+取代Si4+形成的[AlO4]5-四面體一起構成礦渣玻璃體的空間網絡結構。配位離子Ca2+和Mg2+平衡取代后的負電荷作為網絡改性體存在于網絡形成體的孔隙當中，扭曲和解聚玻璃體網絡結構。礦渣的玻璃體結構與其化學組成密不可分，礦渣玻璃體化學成分中網絡形成體含量越低，改性體含量越高，其聚合度越低，玻璃體的活性越高。

1.2.2 礦渣玻璃體的分相結構

盡管玻璃體結構的聚合度和解聚度能在相當程度上描述輔助膠凝材料的結構特征并且關聯其活性，但玻璃體往往具有分相結構[7,22-23]，這會極大地影響其水硬活性。

水淬礦渣的主要化學成分是CaO-MgO-Al2O3-SiO2，在高溫狀態下，礦渣經過水淬急冷，熔融體系表現出液相不混溶特性，部分物相在原始基礎上富集生成新相，形成礦渣玻璃體的分相結構。徐彬等[24]通過電子探針元素分析得知，礦渣玻璃體由連續相和非連續相構成，其中非連續相含硅較多，被稱為富硅相，呈類似球狀或柱狀并均勻分散于連續相中。連續相含鈣較多，因此被稱為富鈣相(貧硅相)，基于其研究可以建立礦渣的分相結構模型，見圖3[24]。

圖2 礦渣玻璃體結構示意圖[15-21]Fig.2 Vitreous structure of slag[15-21]

圖3 礦渣的分相結構模型[24]Fig.3 Phase separation structure model of slag[24]

礦渣玻璃體結構中富鈣相占多數，富硅相被富鈣相嚴密包裹，形成礦渣玻璃體的主要特征結構。富鈣相是礦渣玻璃體的結構形成體，起著維持礦渣玻璃體結構穩定的作用，其本身也是一種分相結構，富鈣相由很多細小單元聚積而成，具有龐大的內比表面積,增加了其熱力學不穩定性。圖4展示了礦渣玻璃體分相結構在激發劑作用下被破壞的過程，如圖4所示，因富鈣相的主要結構形成鍵Ca—O鍵和Mg—O鍵的鍵能僅為富硅相的主要形成鍵Si—O鍵的1/3左右，因此富鈣相首先被分解，礦渣硅氧保護層破壞(圖4(a))，導致富硅相暴露在環境中(圖4(b))，為激發劑等外部因素進入富硅相破壞玻璃體網絡結構提供通道(圖4(c))，進而導致整個玻璃體網絡的分解破壞。

圖4 礦渣分相結構破壞過程演示圖[22-24]Fig.4 Schematic diagram of failure process of slag phase separation structure[22-24]

2 礦渣的水化機理

礦渣玻璃體的分相結構是礦渣具有潛在水硬活性的主要原因。如圖4所示，富鈣相是連續相，包裹著類似球狀顆粒的非連續的富硅相，在礦渣玻璃體中發揮著類似于膠結物的作用。當富鈣相遭到破壞，富硅相暴露在堿性介質中，并且由于富硅相較之富鈣相更穩定、反應較慢，在反應前期，脫離原結構的富硅相像骨料般填充在富鈣相的水化產物中，提高水泥石結構的致密度，而在后期，富硅相的水化產物不斷填充在富鈣相的水化產物之間，保證了后期強度的不斷增長[14,25]。

通常情況下，水分子的作用不足以克服富鈣相的分解活化能，向礦渣中加水，僅能在其表面發生微弱的水化反應。但堿激發劑能夠克服礦渣的激發活化能，使礦渣硅氧結構網絡層被破壞、結構分解，形成的[SiO4]4-、[AlO4]5-等陰離子與富鈣相溶出的Ca2+和Al3+等生成無定形的單聚物，最后縮聚生成膠凝性物質[26]。其主要反應過程如下：

(1)在OH-的作用下，Mg—O鍵和Ca—O鍵因鍵能較弱首先發生斷裂，富鈣相遭到破壞，溶出Ca2+等，發生如下反應：

(1)

(2)富鈣相溶解后，富硅相暴露在堿性環境中，發生以下反應溶出[SiO4]4-等而解體:

(2)

(3)

(3)溶出的Ca2+與[SiO4]4-之間反應，生成C-S-H，并縮聚形成水化產物。

也有觀點認為，化學反應的原動力來源于組成元素的電負性，堿激發劑中的OH-并不能破壞礦渣表面的硅氧結構，在AAS水泥水化反應初期，礦渣表面的硅氧網絡保護層是受到激發劑中堿金屬陽離子的掠奪而解聚[12]。

盡管對于破壞硅氧網絡保護層的動力來源存在爭議，但總的來說，礦渣經堿激發后的水化硬化過程，主要就是玻璃態礦渣逐步解聚，[SiO4]4-陰離子解聚-再聚合的過程，但不同的激發劑作用機理有所不同[27]。研究AAS水泥的關鍵就在于研究堿性激發劑以及在堿性激發劑作用下礦渣的水化機理[26]。水玻璃和氫氧化鈉是AAS水泥基材料中最常用的兩種激發劑，本文以此為例介紹AAS水泥的水化機理。

2.1 水玻璃激發礦渣的機理

李東旭教授[28]將礦渣的堿激發劑總結為7類，并認為液體水玻璃對礦渣的激發效果是最突出的。水玻璃是一種能溶于水的硅酸鹽，由不同比例的堿金屬氧化物和二氧化硅組成，目前常用的是硅酸鈉水玻璃(Na2O·nSiO2)和硅酸鉀水玻璃(K2O·nSiO2)[29]。水玻璃本身是一種氣硬性膠凝材料，其激發礦渣的本質是強堿激發。水玻璃溶解后的溶液呈現較高的堿性，高濃度的OH-破壞了礦渣的玻璃體結構，使其解體，產生 [SiO4]4-、Ca2+等游離的離子，最終反應生成C-S-H凝膠等水化產物。

以硅酸鈉水玻璃為例，其激發礦渣的機理如圖5所示，水玻璃為強堿弱酸鹽，在溶液中會發生水解反應，造成強堿環境(圖5(a))，使溶液中存在大量的OH-、[SiO4]4-等；礦渣中的富鈣相保護層在強堿環境下溶出Ca2+(圖5(b))，并迅速與溶液中的硅酸根離子反應生成水化硅酸鈣(圖5(c))；富鈣相的破壞為激發劑進入礦渣內部提供通道，在堿金屬離子的作用下富硅相解聚，釋放出 [SiO4]4-，再次與Ca2+反應生成水化硅酸鈣(圖5(d))[12]。從上訴的反應過程可以看出，水玻璃溶液中大量存在的[SiO4]4-可以充分與Ca2+反應生成水化硅酸鈣，加速了解聚-縮聚反應的進行。即水玻璃水解在造成強堿環境的同時，也提供了大量的[SiO4]4-，對于礦渣具有雙重激發的效果。

圖5 水玻璃激發堿-礦渣機理圖[12]Fig.5 Schematic diagram of sodium silicate alkali-activated slag[12]

水玻璃是一種被普遍看好的堿激發劑，已有研究證明，在合適的模數下利用水玻璃激發礦渣，能夠細化AAS水泥硬化體的大孔，減少有害孔的數量，進而可以改善AAS水泥基材料的宏觀性能[30-31]。

2.2 氫氧化鈉激發礦渣的機理

氫氧化鈉又稱火堿或者燒堿，是一種具有強堿性且腐蝕性極強的無機化合物。目前，對于NaOH激發礦渣的機理存在著兩種不同的看法。第一種看法認為，NaOH使礦渣中的玻璃質或者晶體結構解體，釋放出來的陽離子和陰離子形成絮凝狀產物，最終經過縮聚形成膠凝性物質[12,26-27]。另外一種看法認為，NaOH在礦渣激發的過程中發揮著類似催化劑的作用，在反應中，用來激發礦渣的氫氧化鈉又在反應過程中重新生成。

王峰等[32]用5%(質量分數)摻量的NaOH激發礦渣，采用煮沸法測定AAS硬化體堿度，利用酚酞遇堿變紅的特性，用HCl標準溶液對測試液進行滴定，并由消耗的HCl體積計算不同齡期試件的堿度，得出如表2所示數據，由表2可知，試件不同齡期的堿度幾乎保持不變，這證明了在AAS水泥的解聚水化過程中NaOH起到的是催化作用。

表2 摻量為5%的NaOH試件各齡期堿度數據[32]Table 2 Basicity data of samples with 5% NaOH content at different ages[32]

圖6是氫氧化鈉激發礦渣的機理示意圖，如圖所示，在NaOH的作用下，礦渣表面的硅氧保護層被破壞(圖6(a))，溶出Ca2+和Mg2+；由于溶液中不存在[SiO4]4-，Ca2+不能被快速消耗，當其積累到一定濃度時，析出Ca(OH)2晶體，并富集在礦渣附近(圖6(b))；隨后，富硅相遭到破壞，溶出[SiO4]4-，與溶液中的Ca2+反應生成C-S-H，產物沉積在礦渣表面(圖6(c))；隨著反應產物層厚度逐漸增加，激發劑需要穿過反應層才能進一步激發內部礦渣，而此時溶液中Ca2+濃度較低，新溶出的[SiO4]4-與Ca(OH)2析晶反應生成C-S-H(圖6(d))。

圖6 氫氧化鈉激發堿-礦渣機理圖[12]Fig.6 Schematic diagram of sodium hydroxide alkali-activated slag[12]

由以上分析可以看出，水玻璃與NaOH激發礦渣的反應過程存在一定的差異。水玻璃激發礦渣時，反應機制為溶解沉淀反應，反應物趨向在溶液中生成，而NaOH激發礦渣，由于溶液中沒有大量的[SiO4]4-及時消耗溶出的Ca2+，易出現Ca(OH)2析晶，反應機制更偏向于溶解沉淀以及固相反應的結合[12]。因此水玻璃激發礦渣具有更快的反應速度。

3 堿礦渣混凝土的強度性能

強度是水泥基材料最基本的力學性能之一。與普通水泥不同，AAS水泥的水化反應是在更強的堿性環境下進行的[13]。AAS水泥生成更多水化產物填充孔隙、細化孔結構、減小平均孔徑、減少有害孔和多害孔，這導致AAS水泥漿體的強度性能與普通硅酸鹽水泥不同。

影響AAS水泥漿體強度的因素有很多，包括激發劑的選擇、摻合料的使用、養護方法、養護齡期等，這些已經見于許多研究[37-39]。作為激發礦渣潛在活性的關鍵因子，激發劑的種類及用量對AAS漿體強度的影響很大。鄭登登等[40]以NaOH和KOH為激發劑，研究苛性堿對AAS砂漿強度的影響，結果表明，在90 d齡期，使用KOH做激發劑，其抗壓強度、抗折強度分別比以NaOH做激發劑的漿體高16.48%和12.65%。T?nzer等[41]研究了堿基硅酸鹽激發劑中不同陽離子的影響，得出在鉀基激發劑存在的條件下，AAS漿體固化時間更短、抗壓強度更高的結論。

相較于NaOH，水玻璃激發礦渣由于雙重激發效果的存在，其反應速度更快，生成的網絡體更加致密，具有更高的強度。當使用水玻璃做激發劑時，水玻璃中的[SiO4]4-能夠與礦渣中的鈣質成分發生反應，因而水玻璃-礦渣漿體的強度對水玻璃的濃度、模數更為敏感。杜天玲等[42]從水玻璃的膠團特征上對水玻璃激發礦渣的水化機理及對強度的影響進行了深入分析，認為在水玻璃真溶液中Na2O與SiO2是按照一定比例存在的，水玻璃模數(Ms)決定了SiO2和Na2O的比例，進而會影響到真溶液中Na2O的含量以及水玻璃提供的反應物SiO2的數量，并最終對AAS水泥硬化體的強度產生影響。

為了更直觀觀察水玻璃激發劑時堿含量與硅模數對AAS水泥漿體強度的影響，在Vilaplana等[43]實驗數據(表3)的基礎上，在Matlab中，采用Meshgrid函數對x、y軸進行網格化并對Griddata函數進行插值，重構用于畫圖的z軸數據，繪制出如圖7所示的三維網格圖。

表3 不同條件下AAS砂漿力學性能[43]Table 3 Mechanical properties of AAS mortar under different conditions[43]

圖7 AAS砂漿力學性能與堿含量、硅模數之間的關系Fig.7 Relationship between mechanical properties of AAS mortar, alkali content and silicon modulus

由圖7(a)可以看出，左上角出現明顯上揚的角點，這表明在該實驗的水玻璃模數(1.0～1.4)以及堿含量(3%～5%，質量分數)范圍下，砂漿的抗壓強度隨著堿含量和水玻璃模數的增加而增加，當激發劑的堿含量為5%、水玻璃模數為1.4時，砂漿7 d和28 d的抗壓強度均達到最大值(78.69 MPa和89.11 MPa)。在圖4(b)中，沿坐標軸方向出現了兩條明顯的轉折棱線(Ms=1.2，Na2O質量含量為4.0%)，28 d抗壓強度沿硅模數增加方向的增勢有所減緩，沿堿含量增加方向的增勢明顯增加。這說明增加激發劑用量對強度增長有利，而固定堿含量、單純增加硅模數對AAS砂漿強度的增益能力是有限度的。這可能是因為：當硅模數相對不高時，高濃度的OH-可以促進礦渣玻璃體的解離，[SiO4]4-聚合生成水化產物，密實漿體結構，有利于強度發展；而當硅模數相對過高時，體系中由激發劑提供的[SiO4]4-過多，過大的聚合度使得[SiO4]4-與陽離子反應的難度變大，激發劑對強度的增益效果反而減弱。因此，當選用水玻璃作為激發劑時必須考慮到激發劑與礦渣對混凝土強度的共同影響，采用響應面方法或者正交實驗的方法可以較為準確地設計出合適摻量和模數的AAS混凝土[13]。

4 堿-礦渣水泥混凝土的干縮

混凝土的干燥收縮是指混凝土內部水分含量高于外部環境中水分含量，從而導致混凝土內部水分向環境散失而產生的收縮，與普通混凝土相比，AAS混凝土具有更高的收縮，這已被看作定論[2-4]，然而關于其收縮特性的研究，目前還沒有統一的結論。

4.1 堿礦渣混凝土干縮機制與理論

我國尚沒有統一的關于AAS混凝土的規范或標準[13]。對于其干縮性能的研究，往往參照普通硅酸鹽水泥進行。混凝土干縮機制的理論有很多，包括表面張力理論、毛細孔張力理論、拆散壓力理論等[44-47]。毛細孔張力理論在其中比較有影響力，在高于50%的高濕度區間內，毛細孔張力作為收縮的基本驅動力已取得了共識[48-49]。

圖8 彎曲液面的附加壓力[48]Fig.8 Additional pressure at the curved surface[48]

毛細孔張力理論基于最基本的Laplace-Kelvin公式，描述了附加壓力與曲率半徑之間的關系[50]。圖8為彎曲液面附加壓力的示意圖。從圖可以看出，隨著干燥作用的進行，毛細孔隙內凹液面不斷下降，曲率半徑減小，導致附加壓力發生改變，毛細孔發生收縮變形，進而表現為混凝土宏觀上的體積變化。目前大部分的觀點認為AAS混凝土的大干縮是源于其水化產物獨特的網狀結構所帶來的小孔隙率和精細化的孔結構。Collins等[51]的研究表明，在中孔范圍內，AAS砂漿占比為82%，而普通硅酸鹽水泥漿體僅為36.4%，基于毛細孔張力理論，AAS混凝土細化的孔徑決定其會產生更大的毛細孔負壓，收縮也將更大。

盡管毛細孔張力理論能在一定程度上解釋AAS混凝土的過度干縮，但隨著研究不斷深入，研究人員發現AAS混凝土的干縮具有不同于普通硅酸鹽水泥的特性，毛細孔張力理論并不能完全適用于AAS混凝土。Hansen等[52]的研究表明，普通硅酸鹽水泥的水分損失和收縮之間顯示出很強的相關性，然而Collins等[51]在研究AAS混凝土的干縮現象時卻發現，AAS混凝土比普通硅酸鹽混凝土有更高的收縮，但其水分損失卻遠不及普通硅酸鹽混凝土。Ye等[53]也認為AAS混凝土的大收縮不可能是由于顯著增加的驅動力(有效毛細管力)，而是將其歸結為AAS漿體骨架的低蠕變模量(高相對濕度下)。

很明顯，毛細孔張力理論已經不能完全適用于AAS混凝土，普通硅酸鹽水泥干縮理論對于AAS水泥的適用性需要得到進一步更新。

4.2 激發劑對堿礦渣混凝土干縮的影響

影響AAS混凝土干縮的因素有很多，而激發劑的影響無疑是最大的。Duran等[54]研究了激發劑的類型及用量對AAS砂漿干縮的影響，部分結果如表4所示。使用4%(質量分數)堿含量的氫氧化鈉和水玻璃激發礦渣，60 d砂漿的干縮分別是水泥砂漿的2倍和3倍，而使用碳酸鈉激發的砂漿其干縮甚至低于水泥砂漿。僅從降低干縮的角度來看，碳酸鈉無疑是最好的激發劑[13]。

在同樣的堿含量條件下，硅酸鈉水玻璃的干縮值是最大的，但是由于其雙重激發效果的存在，在激發劑的選用中，其優先級往往高于其他種類的激發劑。Melo等[55]重點研究了Na2O·nSiO2水玻璃對AAS砂漿干縮的影響，得到如表5所示的統計數據，為便于觀察根據表5的數據作圖，如圖9所示。

相同齡期下，AAS砂漿的干縮隨著堿含量的增大而增大。這除了水玻璃用量增加而導致的孔結構細化外，還可能是因為堿含量升高，混合物處于較高的pH值環境，孔溶液中Al、Si、Na等離子的濃度過高，從而導致較高的表面張力[56]。

表4 堿礦渣混砂漿和水泥砂漿的收縮[54]Table 4 Shrinkage of alkali-activated slag mixed mortar and cement mortar[54]

表5 AAS砂漿的干縮值[55]Table 5 Dry shrinkage value of AAS mortar[55] /(10-6 mm/mm)

圖9 不同堿含量下AAS砂漿的干縮值[55]Fig.9 Dry shrinkage value of AAS mortar with different alkali content[55]

4.3 纖維增強用于AAS混凝土降縮的研究發展

AAS砂漿及混凝土的過度干縮嚴重制約了其應用。圍繞降低收縮以及抵抗AAS混凝土由于過度干縮而導致的開裂問題，科研工作者們已經做了大量的研究，取得了一系列成果[53,57-58]。材料的纖維增強是近幾十年來材料科學領域的熱點之一。目前對于纖維增強混凝土的機理，存在兩種經典的理論：復合材料理論以及纖維間距理論。盡管這些理論幾乎已經得到普遍認同，但是在建筑材料領域常用于普通硅酸鹽混凝土、纖維增強AAS材料的研究還相對較少[59]。

張蘭芳等[60]研究了多種類型的纖維對AAS性能的影響，結果表明鋼纖維、聚丙烯纖維、碳纖維、玻璃纖維均能降低其干縮，增加其韌性, 減少AAS混凝土開裂的趨勢。蘇英等[61]針對合成纖維增韌堿AAS混凝土提出了一種新的網絡互穿模型，他們認為，AAS水泥的硬化體組成一個致密的均勻網絡，同時亂向分布的纖維在體系中也形成一個均勻的纖維網絡體，兩種網絡結構在漿體中相互交融，如圖10所示。為了更好地對比傳統的纖維混凝土模型，本文采用Matlab軟件，并使用其中的rand函數，構建一個隨機三維纖維混凝土模型，如圖11所示。對比圖10和圖11，可以看出，相較于傳統模型，纖維網絡互穿模型能夠更好地說明水泥漿體與纖維空間網絡兩者之間的交互作用，水泥漿體網絡是水泥基材料宏觀性能的主要來源，而纖維空間網絡主要發揮抑制水泥漿體網絡變形、開裂的作用。同時根據此模型，不難得出水泥漿體與纖維空間網絡之間的交聯節點數量，以及節點的黏結程度對于纖維堿礦渣水泥基材料體系的性能有著重要影響這一結論。

目前，關于纖維增強AAS混凝土的研究和應用還處于起步階段，為了實現其產業化應用，研究人員還需要進行大量的研究。同時，網絡互穿模型作為一種新的纖維混凝土模型，研究人員應該從中獲得相應的理論支持，并且基于此模型，對纖維AAS水泥基材料進行優化。

圖10 纖維與AAS水泥基材料的網絡互穿的模型[61]Fig.10 A model of network interpenetration of fiber and AAS cement-based material[61]

5 結語與展望

隨著研究和應用的不斷進行，人們對堿激發材料的認識將進一步地加深，AAS材料將有望以更完美的性能在建筑材料領域進一步嶄露頭角，但目前對于AAS材料的研究還需要加強。

(1)礦渣經堿激發后的水化硬化過程被看成是[SiO4]4-陰離子解聚-再聚合的過程，但還缺乏對于其機理的深入分析。提出更加合理的理論及模型，并且開發出更加便宜環保的綠色激發劑，是AAS混凝土大規模應用于建筑工程領域的必要前提。

(2)AAS水泥基材料的強度性能與普通硅酸鹽水泥不同，這來源于其獨特的以網絡結構為特征的水化產物。激發劑是激發礦渣潛在的活性因子，是影響AAS水泥基材料強度的關鍵因素，采用響應面方法或正交實驗的方法可以較為準確地設計出合適摻量和模數的AAS混凝土。

(3)AAS混凝土的干縮遠大于普通硅酸鹽水泥混凝土，但是目前所采用的毛細孔張力等理論已經不能完全適用于AAS混凝土，提出針對性更強更適用于AAS混凝土的干縮機制理論是當前亟需解決的問題。

(4)纖維增強技術已經用于AAS水泥基材料的降縮處理，纖維AAS水泥基材料的網絡互穿的模型相對于傳統的含纖維混凝土模型，能夠更好地解釋纖維對AAS水泥混凝土的降縮作用，同時能夠為纖維AAS水泥基材料的優化提供理論支持，但針對纖維增強AAS水泥基材料的研究必須加強。