王本俊，季韜，趙鵬，吳毅峰，梁詠寧

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108；2.福建省禹澄建設(shè)工程有限公司，福建 漳州 363105)

0 引言

硅酸鹽水泥是混凝土中常用的膠凝材料，但其生產(chǎn)導(dǎo)致的碳排放量較大.堿激發(fā)水泥能夠處理和利用工業(yè)廢渣，是一種環(huán)保型的“綠色水泥”[1-3].

已有的研究表明，氫氧化鈉或硅酸鈉作為激發(fā)劑制備的堿礦渣水泥比普通硅酸鹽水泥的自收縮更高，且水化產(chǎn)物中缺少晶體物質(zhì)，使內(nèi)部應(yīng)力過大[4-5]，從而導(dǎo)致混凝土的開裂[6].Neto等[7]采用Ca(OH)2和Ca(OH)2+Na2SO4分別作為激發(fā)劑制備堿激發(fā)水泥，發(fā)現(xiàn)Ca(OH)2+Na2SO4組的孔結(jié)構(gòu)分布更優(yōu)，Ca2+對堿礦渣水泥的力學(xué)性能、工作性及收縮變形均有較大影響.Zhu等[8]發(fā)現(xiàn)Ca(OH)2的摻入增加了堿礦渣混凝土的塑性收縮，但是其自收縮和干燥收縮均減小.Aydin等[9]和Gao等[10]均發(fā)現(xiàn)采用鈣含量高的前驅(qū)體可以改善堿礦渣水泥混凝土的收縮性能.辛東升[11]分別采用了Ca(OH)2+Na2CO3和NaOH兩種激發(fā)劑激發(fā)礦渣制成砂漿，發(fā)現(xiàn)在激發(fā)劑摻量為5%(特殊說明外，文中均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，Ca(OH)2+Na2CO3的自收縮比NaOH組小.然而，以Ca(OH)2+Na2CO3作為激發(fā)劑，研究其堿當(dāng)量對堿礦渣-粉煤灰混凝土抗裂性能的影響鮮有報道.

在堿礦渣混凝土中加入適量的粉煤灰，可以提高堿礦渣混凝土的流動性，減小收縮，降低開裂風(fēng)險[12].張迪等[13]研究發(fā)現(xiàn)摻入20%的粉煤灰可以提高混凝土的后期強(qiáng)度和早期抗裂性能.呂游[14]在等抗壓強(qiáng)度條件下，測試了高強(qiáng)粉煤灰混凝土的抗裂性能，試驗結(jié)果表明，摻加50%粉煤灰的混凝土比純水泥的抗裂性能更優(yōu).因此，適量粉煤灰的加入可能對堿礦渣混凝土的抗裂性能有一定程度的改善.然而目前尚未發(fā)現(xiàn)Ca(OH)2+Na2CO3的堿當(dāng)量和粉煤灰摻量對堿礦渣-粉煤灰混凝土(alkali-activated slag-fly ash concrete,ASFC)抗裂性能影響的研究.

基于此，采用Ca(OH)2+Na2CO3作為激發(fā)劑制備ASFC，使用圓環(huán)約束法來探究堿當(dāng)量(Ca(OH)2和Na2CO3反應(yīng)生成的Na2O與(礦渣+粉煤灰)的質(zhì)量比)和粉煤灰摻量(粉煤灰與(礦渣+粉煤灰)的質(zhì)量比)對ASFC抗裂性能的影響，為ASFC的實際應(yīng)用提供部分?jǐn)?shù)據(jù)支持.

1 試驗方法

1.1 原材料

1) 前驅(qū)體.礦渣來自福建省龍海市旭誠建材有限公司，S95級別.粉煤灰為 F類Ⅱ級粉煤灰，來自福建省新能型建材有限責(zé)任公司，符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰(GB/T 1596—2017)》[15]的要求，主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表1.

表1 礦渣和粉煤灰的主要化學(xué)成分

2) 粗骨料.采用普通碎石作為混凝土粗骨料，其表觀密度和堆積密度分別為2 660、1 532 kg·m-3，孔隙率和吸水率分別為42.4%、0.2%.

3) 細(xì)骨料.采用機(jī)制砂作為混凝土的細(xì)骨料，其細(xì)度模數(shù)為2.8，堆積密度為1 590 kg·m-3，含泥量為0.5%，石粉含量為7.9%，單級壓碎指標(biāo)為16%.

4) 激發(fā)劑.采用西隴科學(xué)股份有限公司提供的分析純Na2CO3和Ca(OH)2作為激發(fā)劑.

5) 減水劑.采用山東優(yōu)索化工科技有限公司生產(chǎn)的FDN-C型萘系高效減水劑.

1.2 配合比設(shè)計

固定堿當(dāng)量為8%，研究粉煤灰摻量為0%、20%和40%(分別記為A8-0、A8-0.2和A8-0.4)對ASFC抗裂性能的影響；固定粉煤灰摻量為20%，研究堿當(dāng)量為4%、6%、8%和10%(分別記為A4-0.2、A6-0.2、A8-0.2和A10-0.2)對ASFC抗裂性能的影響.設(shè)計水膠比為0.5，膠砂比為0.6，減水劑的摻量(減水劑與(礦渣+粉煤灰+Ca(OH)2+Na2CO3)的質(zhì)量比)為1.8%.具體配合比見表2.

表2 ASFC的配合比Tab.2 Mix proportion of ASFC (kg·m-3)

1.3 試驗方法

1) 圓環(huán)約束法.使用圓環(huán)約束裝置來采集在鋼環(huán)約束狀態(tài)下ASFC的應(yīng)變，在內(nèi)鋼環(huán)內(nèi)側(cè)高度約1/2處設(shè)置應(yīng)變片1，在應(yīng)變采集點1的正對面180°處設(shè)置應(yīng)變片2.澆筑ASFC前，將內(nèi)鋼環(huán)外側(cè)、外鋼環(huán)內(nèi)側(cè)和底板刷油，方便脫模，調(diào)整內(nèi)鋼環(huán)與外鋼環(huán)的間距為40 mm，最后用螺栓將外鋼環(huán)進(jìn)行連接，每組制備兩個圓環(huán)試件用于測量，測量結(jié)果取二者平均數(shù).圓環(huán)約束裝置示意圖見圖1，圖1(b)中RIS代表鋼環(huán)內(nèi)半徑，ROS代表鋼環(huán)外半徑，ROC代表混凝土環(huán)外半徑，H代表混凝土環(huán)高度..

圖1 圓環(huán)約束裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of circular shrinkage device

2) 參照規(guī)范《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50081—2019)》的規(guī)定[16]測量劈裂抗拉強(qiáng)度，每組制備3個試件用于測試，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm.

1.4 抗裂性能評價方法

Ji等[17]提出混凝土的抗裂性能主要通過開裂系數(shù)ζt(t)和抗裂性能評價指標(biāo)Acr(t)進(jìn)行表征，表達(dá)式如下：

(1)

(2)

式中：σm(t)為齡期t時混凝土所受的環(huán)向拉應(yīng)力[18]，可由下式計算：

(3)

式中：σs(t)為內(nèi)鋼環(huán)在齡期t時所受到的環(huán)向拉應(yīng)力；Est為內(nèi)鋼環(huán)的彈性模量(195 GPa)；hst為內(nèi)鋼環(huán)厚度(5 mm)；hm為混凝土環(huán)厚度(40 mm)；εst(t)為內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變.

式(1)、(2)中：fts(t)為混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，按照歐洲規(guī)范《CEB-FIP Model Code 1990》[19]對任一齡期混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行擬合：

fts(t)=βCT(t)fts(28)

(4)

(5)

式中：βCT(t)為劈裂抗拉強(qiáng)度的發(fā)展系數(shù)；cT為劈裂抗拉強(qiáng)度常系數(shù)；t為齡期，d.

采用已測得的3和28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度按下式來計算發(fā)展系數(shù)：

(6)

將式(6)中計算得到的βCT(3)代入式(5)中求得cT，由公式(4)得到任意齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而計算開裂系數(shù)ζt(t)和抗裂性能評價指標(biāo)Acr(t).

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

圖2為堿當(dāng)量及粉煤灰摻量對ASFC抗壓強(qiáng)度(fc)的影響.由圖2(a)可見，隨著堿當(dāng)量的增加，各齡期的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，這與鄭登登等[20]的研究結(jié)果相似，且堿當(dāng)量為8%時的抗壓強(qiáng)度最大.由圖2(b)可見，隨著粉煤灰摻量的增加，3 d時ASFC的抗壓強(qiáng)度隨之減小，7、14和28 d的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，粉煤灰摻量為20%時的抗壓強(qiáng)度最大.

圖2 堿當(dāng)量及粉煤灰摻量對ASFC抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of alkali equivalent and fly ash content on compressive strength of ASFC

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

圖3為堿當(dāng)量及粉煤灰摻量對ASFC劈裂抗拉強(qiáng)度(fts)的影響規(guī)律.由圖3(a)可見，隨著堿當(dāng)量的增加，ASFC的反應(yīng)速率提高，C-(A)-S-H凝膠的生成量增多，且復(fù)合激發(fā)劑反應(yīng)生成的CaCO3引起的晶核效應(yīng)會加速形成C-(A)-S-H凝膠從而使強(qiáng)度提高[21]，同時 CaCO3的填充作用還可以降低孔隙率[22]，齡期為3 d時，劈裂抗拉強(qiáng)度隨著堿當(dāng)量的增大而增大；而齡期為7、14和28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度先增大后減小，堿當(dāng)量為8%時強(qiáng)度最高.但堿當(dāng)量過大會導(dǎo)致體系的堿度較高，造成ASFC的水化速度加快，收縮增大，而較高的收縮可能會導(dǎo)致砂漿的基體出現(xiàn)微裂紋[23]，從而使得A10-0.2的劈裂抗拉強(qiáng)度降低.

圖3 堿當(dāng)量及粉煤灰摻量對ASFC劈裂抗拉強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of alkali equivalent and fly ash content on splitting tensile strength of ASFC

由圖3(b)可見，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土3 d的劈裂抗拉強(qiáng)度減小，7、14和28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，粉煤灰摻量為20%的劈裂抗拉強(qiáng)度均最大，這是因為粉煤灰顆粒嵌入到硬化水泥漿體中發(fā)揮填充效應(yīng)，使得基體更加密實[24].進(jìn)一步提高粉煤灰的摻量(40%)，發(fā)現(xiàn)其劈裂抗拉強(qiáng)度下降明顯.這一方面是因為微觀結(jié)構(gòu)和主要反應(yīng)產(chǎn)物從致密的C-(A)-S-H凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫椎腘-A-S-H凝膠[25]，另一方面是因為粉煤灰的反應(yīng)活性比礦渣低，摻量較大時生成的水化產(chǎn)物C-(A)-S-H凝膠的量減少[26]，導(dǎo)致劈裂抗拉強(qiáng)度降低.

2.3 內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變

在圓環(huán)約束試驗當(dāng)中，假設(shè)混凝土的應(yīng)變與鋼環(huán)的應(yīng)變是相等的，內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變是混凝土在各種應(yīng)變共同作用下的宏觀變形，主要包括混凝土自身的收縮、彈性應(yīng)變和在約束作用下的拉伸徐變，以上3種變形疊加或者抵消后通過鋼環(huán)應(yīng)變表現(xiàn)出來.

圖4為堿當(dāng)量及粉煤灰摻量對ASFC內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變的影響規(guī)律.由圖4(a)可見，堿當(dāng)量為4%和6%時，堿當(dāng)量的增加對內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變的影響不大；堿當(dāng)量為8%和10%時，內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變隨著堿當(dāng)量的增加而顯著增大，高堿當(dāng)量會顯著加劇ASFC內(nèi)部的水化反應(yīng)，水化反應(yīng)消耗的水增多，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部相對濕度降低，自收縮增大[27]，宏觀表現(xiàn)為內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變增大.由圖4(b)可見，粉煤灰摻量為20%時，內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變明顯減小，說明ASFC的外部荷載作用力減小，從而使得內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變減小.繼續(xù)增大粉煤灰摻量至40%，內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變降幅不大.

圖4 堿當(dāng)量及粉煤灰摻量對ASFC內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變的影響Fig.4 Effect of alkali equivalent and fly ash content on interrior steel ring strain of ASFC

2.4 環(huán)向拉應(yīng)力

圖5為堿當(dāng)量及粉煤灰摻量對ASFC環(huán)向拉應(yīng)力的影響規(guī)律.由圖5(a)可見，堿當(dāng)量在4%和6%時，ASFC的環(huán)向拉應(yīng)力大小近似相等；堿當(dāng)量為8%和10%時，ASFC的環(huán)向拉應(yīng)力明顯增大.由圖5(b)可見，粉煤灰摻量為20%時，ASFC的環(huán)向拉應(yīng)力明顯減??；繼續(xù)增大粉煤灰摻量至40%時，ASFC的環(huán)向拉應(yīng)力降幅不大.圖5中的環(huán)向拉應(yīng)力均未發(fā)現(xiàn)垂直下降的突變段且隨著齡期的增加而持續(xù)增大，這說明在28 d的齡期內(nèi)，ASFC并沒有完全開裂.

圖5 堿當(dāng)量及粉煤灰摻量對ASFC環(huán)向拉應(yīng)力的影響Fig.5 Effect of alkali equivalent and fly ash content on circumferential tensile stress of ASFC

2.5 抗裂性能

圖6為堿當(dāng)量及粉煤灰摻量對ASFC開裂系數(shù)的影響規(guī)律.由圖6(a)可見，堿當(dāng)量為4%和6%時，ASFC的開裂系數(shù)曲線近似重合；堿當(dāng)量為8%和10%時，ASFC的開裂系數(shù)隨之增大.混凝土的開裂系數(shù)僅存在上升段時，抗裂性能評價指標(biāo)越小，抗裂性能越好[28].從表3中ASFC 28 d的抗裂性能評價指標(biāo)可以看出，抗裂性能評價指標(biāo)A10-0.2>A8-0.2>A6-0.2≈A4-0.2，激發(fā)劑用量的增加會導(dǎo)致體系水化程度的加劇，從而導(dǎo)致孔隙率降低，自收縮增大[29]，ASFC內(nèi)部的環(huán)向拉應(yīng)力增大(圖5(a))，開裂風(fēng)險提高，抗裂性能降低.

由圖6(b)可見，粉煤灰摻量為20%時，ASFC的開裂系數(shù)明顯減小；繼續(xù)增大粉煤灰摻量至40%，發(fā)現(xiàn)開裂系數(shù)變化不大.A8-0的開裂系數(shù)增速最快，A8-0.2和A8-0.4的開裂系數(shù)始終保持在較低的水平，這是因為粉煤灰的火山灰反應(yīng)比礦渣遲緩，粉煤灰的摻量增加導(dǎo)致ASFC的水化程度降低，產(chǎn)生的C-(A)-S-H凝膠較少[26]，水化反應(yīng)所需的水減少，彎月液面產(chǎn)生的孔隙壓力降低[30]，自收縮減小，環(huán)向拉應(yīng)力減小(圖5(b))，抗裂性能評價指標(biāo)A8-0>A8-0.2≈A8-0.4(表3)，抗裂性能提高.

圖6 堿當(dāng)量及粉煤灰摻量對ASFC開裂系數(shù)的影響Fig.6 Effect of alkali equivalent and fly ash content on cracking coefficient of ASFC

表3 ASFC 28 d抗裂性能評價指標(biāo)Acr(28) Tab.3 Evaluation index Acr(28)of cracking resistance of ASFC in 28 days

3 結(jié)語

1) 隨著堿當(dāng)量增加，堿礦渣-粉煤灰混凝土(ASFC)3 d的劈裂抗拉強(qiáng)度增大，各齡期的抗壓強(qiáng)度及7、14和28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度先增大后減?。浑S著粉煤灰摻量增加，ASFC 3 d的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度減小，7、14和28 d的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度先增大后減小.

2) 堿當(dāng)量為4%和6%時，ASFC的開裂系數(shù)ζt(t)和抗裂性能評價指標(biāo)Acr(t)變化不大，抗裂性能基本不變；堿當(dāng)量增大到8%和10%時，ζt(t)和Acr(t)明顯增大，抗裂性能顯著降低.

3) 粉煤灰摻量為20%時，ASFC的開裂系數(shù)ζt(t)和抗裂性能評價指標(biāo)Acr(t)降幅較大，抗裂性能明顯提高；繼續(xù)增大粉煤灰摻量至40%時，抗裂性能提升不大.

4) 當(dāng)堿當(dāng)量為6%，粉煤灰的摻量為20%時，ASFC的力學(xué)性能和抗裂性能最優(yōu).