混凝土裂缝用地聚物注浆修复材料的性能优化及应用研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1029

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (4): 1220-1230.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1029

混凝土裂缝用地聚物注浆修复材料的性能优化及应用研究

魏舒鹏¹(), 崔晨晨¹, 王德辉², 罗正东³^,⁴(), 罗进⁵, 王亚军¹, 陈英豪³^,⁴

^1.新疆路桥建设集团有限公司，乌鲁木齐 830000
^2.福州大学土木工程学院，福州 350108
^3.湘潭大学土木工程学院，湘潭 411105
^4.岩土力学与工程安全湖南省重点实验室，湘潭 411105
^5.新疆路桥桥梁工程建设有限责任公司，乌鲁木齐 830019

收稿日期:2025-10-22 修订日期:2025-12-03 出版日期:2026-04-20 发布日期:2026-05-14
通信作者: 罗正东，博士，副教授。E-mail：luozhengdong0425@163.com
作者简介:魏舒鹏（1990—），男，工程师。主要从事新型建筑材料的研究。E-mail：wspxjlq@163.com
基金资助:
湖南省自然科学基金项目(2023JJ50008);湖南省重点研发项目(2024JK2047)

Performance Optimization and Application of Geopolymer Grouting Repairing Material for Concrete Crack

WEI Shupeng¹(), CUI Chenchen¹, WANG Dehui², LUO Zhengdong³^,⁴(), LUO Jin⁵, WANG Yajun¹, CHEN Yinghao³^,⁴

^1.Xinjiang Road and Bridge Construction Group Co. ，Ltd. ，Urumqi 830000，China
^2.College of Civil Engineering，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China
^3.College of Civil Engineering，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China
^4.Hunan Provincial Key Laboratory of Geomechanics and Engineering Safety，Xiangtan 411105，China
^5.Xinjiang Luqiao Bridge Construction Co. ，Ltd. ，Urumqi 830019，China

Received:2025-10-22 Revised:2025-12-03 Published:2026-04-20 Online:2026-05-14

摘要/Abstract

摘要：

针对传统混凝土裂缝修复工艺时效性弱、抗侵蚀能力不足等缺陷，开发地聚物注浆修复材料（GGRM）进行裂缝修复可行性验证。首先，基于材料的实用性和适用性，采用氧化镁、氧化钙和硫铝酸钙三类膨胀剂对GGRM进行改性，重点关注了浆体工作性能和力学性能的发展规律；其次，优选GGRM对不同尺度的混凝土裂缝进行修复，探究了修复基体的抗压强度和耐硫酸盐、耐氯盐侵蚀性能；最后，基于微观表征手段揭示膨胀剂改性机理及裂缝界面黏结机制。结果表明：膨胀剂有效补偿了GGRM的收缩形变，流动度对硫铝酸钙掺量变化十分敏感，提高氧化钙掺量能大幅降低浆体凝结时间，但三类膨胀剂对GGRM的抗压强度均会产生不利影响；经氧化镁改性GGRM修复的带裂缝C30混凝土基体抗压强度最高达28.8 MPa，5%（质量分数）NaCl溶液侵蚀28 d后强度保留率为95.4%~97.7%，且5%（质量分数）Na₂SO₄溶液侵蚀28 d后的修复体强度保留率显著高于水泥修复组；微膨胀Mg（OH）₂、Ca（OH）₂和钙矾石（AFt）晶体生成是缓解收缩形变的关键，GGRM与既有混凝土界面黏结力增大得益于地聚物凝胶桥接作用及摩擦咬合效应。

关键词: 地聚物, 膨胀剂, 工作性能, 抗压强度, 裂缝修复, 微观机理

Abstract:

This study experimentally investigated the feasibility of using geopolymer grouting repairing material （GGRM） for concrete crack， with the aim of overcoming limitations of conventional methods such as slow setting and inadequate erosion resistance. Firstly， based on practical and applicability considerations， GGRM was modified using three types of expansive agents： magnesium oxide， calcium oxide， and calcium sulfoaluminate. The evolution of workability and mechanical properties of the grout was the primary focus. Subsequently， the optimal GGRM was selected to repair concrete cracks of varying widths. The compressive strength and resistance to sulfate and chloride salt erosion of the repaired matrix were evaluated. Finally， microscopic characterization techniques were employed to elucidate the modification mechanism of expansive agents and the bonding behavior at the crack interface. The results show that expansive agents effectively compensate for the shrinkage deformation of GGRM. Fluidity is highly sensitive to variations in calcium sulfoaluminate content， and increasing calcium oxide content significantly shortens the setting time of the grout. However， all three expansive agents have a negative impact on the compressive strength of GGRM. The compressive strength of the cracked C30 concrete matrix repaired using magnesium oxide-modified GGRM reaches up to 28.8 MPa. After 28 d of erosion in a 5% （mass fraction） NaCl solution， the strength retention rate of the repaired matrix is between 95.4% and 97.7%. Moreover， after exposure to 5% （mass fraction） Na₂SO₄ solution for 28 d， the strength retention rate of the concrete matrix is significantly higher than that of the cement-repaired control group. The key mechanism for mitigating shrinkage deformation is the formation of slightly expansive crystals such as Mg（OH）₂， Ca（OH）₂， and ettringite （AFt）. The enhanced bonding strength at the GGRM existing concrete interface is attributed to bridging connections by geopolymer gels and frictional interlocking effects.

Key words: geopolymer, expansive agent, workability, compressive strength, crack repair, microscopic mechanism

中图分类号:

TU526

魏舒鹏, 崔晨晨, 王德辉, 罗正东, 罗进, 王亚军, 陈英豪. 混凝土裂缝用地聚物注浆修复材料的性能优化及应用研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(4): 1220-1230.

WEI Shupeng, CUI Chenchen, WANG Dehui, LUO Zhengdong, LUO Jin, WANG Yajun, CHEN Yinghao. Performance Optimization and Application of Geopolymer Grouting Repairing Material for Concrete Crack[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(4): 1220-1230.

图/表 12

表1 材料主要化学成分

Table 1 Main chemical composition of materials

Raw material	Mass fraction/%
Raw material	Al₂O₃	SiO₂	CaO	MgO	Fe₂O₃	SO₃
Slag	14.56	28.13	43.55	8.36	0.45	2.44
Fly ash	32.36	53.61	3.36	0.70	4.33	0.58
Cement	11.52	27.50	49.20	1.18	3.38	—

图1 膨胀剂的形貌

Fig.1 Morphology of expansive agents

表2 试验设计

Table 2 Experimental design

No.	Fly ash/slag （mass ratio）	Alkali activator		Water/binder ratio	Expansive agent
No.	Fly ash/slag （mass ratio）	Modulus	Content/%	Water/binder ratio	Type	Dosage/%
M-1	7/3	1.2	40	0.5	MgO	6.0
M-2	7/3	1.2	40	0.5	MgO	8.0
M-3	7/3	1.2	40	0.5	MgO	10.0
M-4	7/3	1.2	40	0.5	MgO	12.0
C-1	7/3	1.2	40	0.5	CaO	0.5
C-2	7/3	1.2	40	0.5	CaO	1.0
C-3	7/3	1.2	40	0.5	CaO	1.5
C-4	7/3	1.2	40	0.5	CaO	2.0
S-1	7/3	1.2	40	0.5	C₄A₆S	2.0
S-2	7/3	1.2	40	0.5	C₄A₆S	4.0
S-3	7/3	1.2	40	0.5	C₄A₆S	6.0
S-4	7/3	1.2	40	0.5	C₄A₆S	8.0
G	7/3	1.2	40	0.5	—	—

图2 裂缝设置流程

Fig.2 Crack setting process

图3 三种膨胀剂不同掺量下GGRM的流动度和凝结时间

Fig.3 Fluidity and setting time of GGRM with three types of expansive agents at different dosages

图4 三种膨胀剂不同掺量下GGRM的干缩率

Fig.4 Dry shrinkage rate of GGRM with three types of expansive agents at different dosages

图5 三种膨胀剂不同掺量下GGRM的抗压强度

Fig.5 Compressive strength of GGRM with three types of expansive agents at different dosages

图6 混凝土基体的抗压强度

Fig.6 Compressive strength of concrete matrix

图7 侵蚀后的混凝土强度保留率

Fig.7 Strength retention ratio of concrete after erosion

图8 改性GGRM的XRD谱

Fig.8 XRD patterns of modified GGRM

图9 GGRM的SEM照片

Fig.9 SEM images of GGRM

图10 改性GGRM-既有混凝土基体裂缝界面

Fig.10 Crack interface of modified GGRM-concrete matrix

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混凝土裂缝用地聚物注浆修复材料的性能优化及应用研究

Performance Optimization and Application of Geopolymer Grouting Repairing Material for Concrete Crack

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