玄武巖纖維長度對堿激發(fā)—礦渣砂漿性能的影響★

繆 貴 福

(淮南市政工程公司，安徽 淮南 232007)

0 引言

礦渣作為鋼鐵工業(yè)的副產(chǎn)品可通過堿性物質(zhì)激發(fā)，成為一種替代水泥的膠凝材料，與普通硅酸鹽水泥相比，具有良好的機(jī)械性能和優(yōu)異的化學(xué)耐久性[1,2]。同時，堿激發(fā)礦渣的使用可減少由于水泥工業(yè)生產(chǎn)而造成的溫室氣體排放，降低43%的能耗[3]。盡管AAS具有良好的機(jī)械性能和環(huán)保性能，但由于堿激發(fā)礦渣砂漿凝結(jié)迅速，工作性能較差，不利于現(xiàn)場施工，同時收縮與水泥混凝土相比較大，容易產(chǎn)生裂縫[4,5]，這些缺點(diǎn)限制了堿激發(fā)砂漿的應(yīng)用。

玄武巖纖維在強(qiáng)度、耐高溫、耐酸堿等方面均具有優(yōu)良的表現(xiàn)[6]。玄武巖纖維可顯著改變水泥砂漿強(qiáng)度、收縮及耐久性性能。然而玄武巖纖維對堿激發(fā)礦渣砂漿性能影響研究甚少，堿激發(fā)體系是建筑行業(yè)發(fā)展的方向。因此，本試驗(yàn)將玄武巖纖維在同一體積摻量下?lián)饺雺A激發(fā)—礦渣砂漿，研究纖維長度對砂漿體系的影響。

1 原材料與配合比

1.1 材料

玄武巖纖維長度分別為3 mm，6 mm和9 mm，性能參數(shù)如表1所示。礦渣平均粒徑17.8 μm，化學(xué)成分見表2。砂為淮河黃砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，表觀密度2 550 kg/m3。激發(fā)劑為氫氧化鈉溶液，NsssaOH購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。水為普通城市自來水。

表1 玄武巖纖維性能指標(biāo)

表2 礦渣元素成分(wt/%)

1.2 配合比

為研究玄武巖纖維長度對堿激發(fā)—礦渣砂漿的影響，選擇3種長度(3 mm,6 mm,9 mm)，共設(shè)計(jì)4組試驗(yàn)，組別代號分別為Con,BF3,BF6,BF9，其中數(shù)字代表玄武巖纖維長度。試驗(yàn)配合比如表3所示。玄武巖纖維按0.6%體積摻量，砂率40%，水膠比0.5，采用NaOH/水玻璃復(fù)合激發(fā)劑，含固量2.0，激發(fā)劑模數(shù)為2。

表3 砂漿配合比(100g)

2 內(nèi)容與方法

2.1 工作度

根據(jù)規(guī)范GB/T 2419—2005[7]砂漿工作度采用跳桌法進(jìn)行測試，測試開始前將桌面用潮濕抹布進(jìn)行擦拭，儀器使用前需先進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)保證儀器正常。砂漿分兩次灌入模具，灌滿后用振搗棒振搗排出氣泡。豎直提起模具同時打開跳桌開關(guān)，自動跳動25次后正交讀取砂漿直徑，取三次結(jié)果的平均值作為砂漿初始擴(kuò)展度。

2.2 抗壓、抗折強(qiáng)度

堿激發(fā)砂漿試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度根據(jù)ASTM C348進(jìn)行[8]，砂漿試塊尺寸為40 mm×40 mm×160 mm棱柱體，新拌砂漿裝模后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度23 ℃，相對濕度>95%)養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期。測試過程中，先由抗折夾具測試抗折強(qiáng)度，3個試塊一組，取平均值作為抗折強(qiáng)度代表值；折后試塊由抗壓夾具測試抗壓強(qiáng)度，6個試塊一組，取平均值作為抗壓強(qiáng)度代表值。

2.3 自收縮

根據(jù)ASTM C1698測試堿激發(fā)—礦渣砂漿的自收縮[9]。新拌漿體分3次裝入波紋管中，每次裝入1/3，分別振動密實(shí)后繼續(xù)裝填，裝滿密封后水平放置在波浪板上移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。測試時刻自砂漿初凝開始，測至30 d。自收縮按式(1)計(jì)算:

μa=(LT-L0)×106/L0

(1)

其中，LT為測試時試件長度;L0為凝結(jié)時刻試件初始長度。

2.4 干縮

堿激發(fā)—礦渣砂漿的干縮依據(jù)ASTM C596測試[10]。將新拌漿體澆入25 mm×25 mm×285 mm鑄鐵模具中，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h。拆模后，浸入飽和Ca(OH)2溶液中48 h。在齡期為72 h時刻測試各試件初始長度和質(zhì)量，之后繼續(xù)測量至4周。3個試塊為一組，測試結(jié)果取平均值。干縮和質(zhì)量損失分別按照式(2)，式(3)計(jì)算:

μd=(lT-l0)×106/l0

(2)

md=100×(mT-m0)/m0

(3)

其中，lT為試件長度;l0為72 h初始長度;mT為試件質(zhì)量;m0為72 h初始質(zhì)量。

3 結(jié)果與討論

3.1 砂漿工作度

玄武巖纖維長度對堿激發(fā)砂漿初始擴(kuò)展度的影響如圖1所示。纖維的加入分別使得擴(kuò)展度降低的由圖可知玄武巖的加入降低了砂漿的初始擴(kuò)展度，且隨著長度的增加，工作度損失也相應(yīng)變大。纖維具有較大的比表面積，長度越長比表面積越大。纖維加入砂漿中纖維表面會與砂漿接觸，吸收部分水分；纖維是一種細(xì)長絲狀物，側(cè)表面有一定的粗糙度，與砂漿接觸會產(chǎn)生摩擦，組織新拌砂漿的流動變形；纖維長度增加并且在砂漿中分布具有不均勻性，纖維之間會產(chǎn)生互相搭接和團(tuán)聚現(xiàn)象，都會降低砂漿的初始擴(kuò)展度。

3.2 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖2所示。玄武巖纖維的加入提高了堿激發(fā)砂漿前期的強(qiáng)度。1 d,3 d和7 d試驗(yàn)組與空白組對比最多分別提高了6.67%,16.95%,14.46%。由圖2可知試驗(yàn)組砂漿強(qiáng)度提高量與摻入纖維長度之間呈正相關(guān)關(guān)系。纖維的摻入可起到橋接、傳遞應(yīng)力的作用，阻礙裂紋擴(kuò)展和混凝土開裂，限制抗壓過程中混凝土在載荷下的尺寸變化，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度[11]。纖維長度越長，搭接傳力效果越顯著。但28 d試驗(yàn)組強(qiáng)度提高率與前期相比均呈現(xiàn)下降趨勢，BF9組7 d強(qiáng)度提高率低于3 d且在28 d砂漿強(qiáng)度降低了5.59%。因?yàn)槔w維的加入會吸收部分水分，減小砂漿水灰比，增強(qiáng)了砂漿早期的抗壓強(qiáng)度。到了水化后期，水化不充分，無法形成足夠的具有強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。同時砂漿體系中含有纖維會增加孔隙率，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。所以，纖維的加入對砂漿體系抗壓強(qiáng)度的影響是一種耦合作用，前期主要靠降低水灰比和纖維搭接作用提高強(qiáng)度，后期會因?yàn)榭紫兜脑龆嗪退怀浞謸p失部分強(qiáng)度。在體摻0.6%纖維的前提下，BF6效果最佳。

3.3 抗折強(qiáng)度

纖維對砂漿抗折強(qiáng)度影響結(jié)果如圖3所示。纖維的加入明顯提高了砂漿的抗折強(qiáng)度。1 d齡期試驗(yàn)組強(qiáng)度均低于空白組，隨后幾個齡期試驗(yàn)組強(qiáng)度普遍高于空白組。纖維的加入能夠提高強(qiáng)度是因?yàn)槔w維在砂漿中可以起到橋結(jié)合錨固作用，延緩裂紋的延展，測試抗折強(qiáng)度時，Con組會立即斷裂，試驗(yàn)組試塊在斷裂處產(chǎn)生裂紋失效后仍為一個整體。BF3組在三個齡期提高率在5%～7%；BF6組在3 d,7 d,28 d分別提高了8.21%,21.62%和21.49%；BF9組在28 d提高了19.29%，但在前期增強(qiáng)效果并不明顯。表明纖維長度的增加會增加抗折強(qiáng)度，但存在最優(yōu)摻量，長度過長會產(chǎn)生纏結(jié)團(tuán)聚，反而會降低砂漿抗折強(qiáng)度。本實(shí)驗(yàn)纖維長度為6 mm時效果最優(yōu)。

3.4 自收縮

纖維對堿激發(fā)—砂漿自收縮影響結(jié)果如圖4所示。Con組自收縮值為1 600 μm，BF3組1 800 μm，自收縮擴(kuò)大了12.5%，BF6,BF9兩組自收縮分別為1 950 μm和2 000 μm，自收縮增加了21.88%和25%。玄武巖纖維導(dǎo)致砂漿自收縮變大，且收縮值隨纖維長度增加而增加。自收縮是砂漿在水化過程中因?yàn)樗植粩嘞?，體系內(nèi)毛細(xì)孔隙產(chǎn)生負(fù)壓導(dǎo)致的砂漿收縮現(xiàn)象。砂漿自收縮變大表明纖維的加入增加了砂漿體系內(nèi)部毛細(xì)孔壓力，這是因?yàn)槔w維吸收體系中部分水化水導(dǎo)致的。但同時也可看出隨著纖維長度增加，兩組自收縮曲線間距離在不斷縮小，說明自收縮增加的速率在變小。表明后期纖維的搭接傳力消除了部分自收縮，長度越長，效果越好。

3.5 干縮

纖維砂漿干縮及試件失水率如圖5所示。纖維的加入可以抑制干縮的增加，BF9組干縮值最小，與Con組相比減小了6.67%。纖維的吸水保濕效果對砂漿干縮依然有效，這點(diǎn)由水失率圖便可看出。由圖5可知前7 d所有組別干縮曲線下降較快且趨勢一樣，但由水失率圖可以得出5 d之后砂漿水失率便開始減小，表明纖維的加入在前期的抑縮作用不占主導(dǎo)。干縮值約為1 400 μm，尚未達(dá)到1 600 μm，此時體系收縮還是以自收縮為主。隨后試驗(yàn)組干縮曲線便開始下降緩慢，纖維的抑縮作用在砂漿中開始凸顯，纖維長度越長，效果越好，BF9組效果與BF6組類似。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)研究了在同一體積摻量(0.6%)下玄武巖纖維長度對堿激發(fā)—礦渣砂漿強(qiáng)度和收縮性能的影響，由以上試驗(yàn)內(nèi)容可以得出以下結(jié)論：

1)玄武巖纖維的加入會降低新拌砂漿的工作度，且礦渣砂漿的流動度隨著纖維長度的增加而逐漸降低；

2)玄武巖纖維對砂漿的力學(xué)性能具有增強(qiáng)效果。砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨著纖維的加入而提高，6 mm的玄武巖纖維對砂漿力學(xué)性能的提升幅度最大。BF6組28 d抗壓強(qiáng)度提高了5.58%，抗折強(qiáng)度提高了21.49%；

3)玄武巖纖維的加入抑制砂漿的干縮，纖維長度越長，干縮抑制作用越明顯。干縮是表征混凝土耐久性能，干縮的下降表明纖維可以提高砂漿的耐久性能；但纖維的加入也會增大砂漿的自收縮。