堿激發(fā)凝灰?guī)r石粉與骨料復(fù)合體系的強(qiáng)度與收縮率研究*

侯普林 張彤煒 于子豪 鄧永鋒 蘭恒星 竇 暉 徐華鑫

(①蘭州大學(xué)西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000，中國(guó))(②蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，蘭州 730000，中國(guó))(③東南大學(xué)交通學(xué)院巖土工程研究所，南京 210096，中國(guó))(④長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710064，中國(guó))(⑤中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101，中國(guó))(⑥甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，蘭州 730015，中國(guó))

0 引 言

水泥行業(yè)CO2排放量占全國(guó)排放總量的12%左右(Xu et al.，2012；楊楠等，2021)，因此，“雙碳”目標(biāo)下尋找新型的膠凝材料具有重要工程意義。地聚合物(Geopolymer)指采用天然礦物、固體廢棄物或人工硅鋁化合物為原料制備的硅氧四面體與鋁氧四面體聚合凝膠體，是低碳膠凝材料的代表(Davidovits et al.，2020)。凝灰?guī)r石粉產(chǎn)生于機(jī)制砂的生產(chǎn)過(guò)程，由于其特殊的地質(zhì)成因而具有堿激發(fā)潛力，為該固體廢棄物的利用提供了新的途徑(于子豪等，2022)。但是，堿激發(fā)凝灰?guī)r石粉的收縮率以及其與粗骨料形成的復(fù)合體系的力學(xué)性能，仍不明晰。

地聚合物基材料過(guò)大的收縮率限制了其大規(guī)模應(yīng)用。普遍認(rèn)為，混凝土的干縮程度與水分損失存在正比關(guān)系(Bazant et al.，2001)。Bakharev et al.(2000)發(fā)現(xiàn)引氣劑(AEA)、減縮劑(SHR)和石膏可顯著降低礦渣混凝土的收縮率。Ye et al.(2017)采用石膏與CaO減少堿激發(fā)礦渣的收縮率，發(fā)現(xiàn)調(diào)控后應(yīng)變?nèi)詾?.2%～2.2%。Li et al.(2019)采用花崗巖石粉部分替代混凝土中的粉煤灰，發(fā)現(xiàn)石粉加入后混凝土長(zhǎng)期收縮率增加。張文艷等(2022)發(fā)現(xiàn)減縮外加劑(SRA)可以降低煤矸石-礦渣膠凝材料40%～60%的干燥收縮率，但同樣引起力學(xué)性能的顯著下降。Qu et al.(2020)采用生物膜疏水劑顯著減輕了堿激發(fā)礦渣的收縮率，主要機(jī)理為孔壁毛細(xì)張力的下降和減少水分損失。雖然目前開展了抑制地聚合物混凝土、堿激發(fā)礦渣收縮率的相關(guān)研究，但是，關(guān)于凝灰?guī)r膠凝材料收縮性能的研究鮮有報(bào)道。

目前已廣泛開展了以粉煤灰、高爐礦渣、偏高嶺土等硅鋁質(zhì)原料為主的混凝土材料的力學(xué)性能研究(Akbarnezhad et al.，2015；Al-Azzawi et al.，2018；卞立波等，2020)。Zhang et al.(2020)指出堿激發(fā)地聚合物混凝土的力學(xué)性能受粗顆粒過(guò)渡界面的強(qiáng)度、養(yǎng)護(hù)溫度和持水特性影響。Al-Azzawi et al.(2018)發(fā)現(xiàn)粉煤灰混凝土的過(guò)渡界面的強(qiáng)度隨SiO2含量及Na2SiO3/NaOH濃度增加。卞立波等(2020)用氫氧化鈉及水玻璃作為堿激發(fā)劑來(lái)激發(fā)礦粉/粉煤灰，制備以礦粉/粉煤灰為膠材的多孔混凝土，并探討了其力學(xué)性能。此外，堿激發(fā)材料作為土固化劑受到學(xué)者關(guān)注，相較于水泥、石灰等固化劑，堿激發(fā)材料有著較好的耐久性及長(zhǎng)期強(qiáng)度(呂擎峰等，2020；征西遙等，2020；張艷美等，2021)。何俊等(2019)指出堿渣和礦渣對(duì)淤泥固化有著較好的效果。陳銳等(2022)發(fā)現(xiàn)隨著粉煤灰、鋼渣、水泥和NaOH制備的堿激發(fā)漿材摻量的增大有利于提高固化土的強(qiáng)度、CBR值，且有著較小的凍脹率。王翔等(2022)發(fā)現(xiàn)添加生物炭能夠抑制土體開裂。賀勇等(2022)構(gòu)建了NaCl溶液與壓實(shí)黏土孔隙結(jié)構(gòu)相互作用的預(yù)測(cè)模型。然而，凝灰?guī)r粉末是一種天然硅鋁質(zhì)原料，未經(jīng)過(guò)高溫煅燒，用其制備的砂、石復(fù)合材料的力學(xué)性能及相關(guān)影響因素尚不可知。

因此，本文聚焦于含粗骨料的凝灰?guī)r膠凝材料的收縮與強(qiáng)度特征。首先，將凝灰?guī)r粉末、高爐礦渣、粗細(xì)骨料與堿激發(fā)劑等按照一定比例拌和，在一定反應(yīng)條件下養(yǎng)護(hù)硬化；其次，對(duì)石粉漿、石粉-砂漿、石粉-砂-碎石漿復(fù)合體系的強(qiáng)度及其收縮率進(jìn)行測(cè)定，探究隨著砂、碎石、疏水劑和減縮劑的加入，其力學(xué)性能的演化機(jī)理。研究結(jié)果有助于推動(dòng)地聚合物基砂漿、混凝土、預(yù)制件等材料的發(fā)展。

1 材料及試驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用凝灰?guī)r石粉(Tuff)和高爐礦渣(BFS)作為堿激發(fā)前驅(qū)體。其中凝灰?guī)r石粉取自甘肅天水地區(qū)凝灰?guī)r機(jī)制砂礦山，是干法生產(chǎn)機(jī)制砂過(guò)程中通過(guò)靜電除塵收集的粉末，高爐礦渣為鄭州恒諾濾材有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)?；郀t礦渣粉。

采用X射線熒光光譜(XRF)分析的凝灰?guī)r石粉和高爐礦渣的化學(xué)組分。如表 1所示，凝灰?guī)r石粉的SiO2含量達(dá)到69.92%。兩者的粒徑分布如圖1所示，平均粒徑分別為26.1μm和17.5μm。通過(guò)圖2所示的XRD譜圖可以看出，凝灰?guī)r石粉主要是由石英、正長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石和微斜長(zhǎng)石4種晶體組成，BFS主要是由無(wú)定形硅鋁酸鹽組成。

表 1 凝灰?guī)r石粉和高爐礦渣的氧化物成分

圖1 凝灰?guī)r石粉、高爐礦渣、標(biāo)準(zhǔn)砂、機(jī)制砂的粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of tuff powder，BFS powder， quartz sand and manufactured sand

圖2 凝灰?guī)r石粉和BFS的XRD圖譜Fig.2 X-ray diffraction patterns of tuff and BFS powder.

為降低材料收縮性，選用荷葉疏水劑、熟桐油和商用減縮劑SRA60作為外加劑，其中荷葉疏水劑主要成分為多種蠟和乳化劑，熟桐油主要成分為桐油酸的甘油酯，SRA60減縮劑主要成分為有機(jī)醇類物質(zhì)。另外，選用去離子水配制NaOH溶液。

1.2 試樣制備

依據(jù)文獻(xiàn)(魏斌，2019)和G309線祁家南山至漢家岔段升級(jí)改造公路設(shè)計(jì)文件，以漿體能均勻密實(shí)的填滿模具、不出現(xiàn)泌水、包覆骨料為標(biāo)準(zhǔn)，制定石粉漿、石粉-砂漿、石粉-砂-碎石漿3組試樣的配合比(表 2)。表 2中Ref代表無(wú)外加劑，LHG代表荷葉疏水劑，BWO代表熟桐油，SRA代表減縮劑SRA60，N代表標(biāo)準(zhǔn)砂，M代表機(jī)制砂，L代表灰?guī)r，T代表凝灰?guī)r。根據(jù)配比將原材料均勻攪拌，倒入50mm×50mm×50mm的模具中，置于混凝土振動(dòng)臺(tái)上充分震動(dòng)，將試樣抹平后在60℃烘箱中養(yǎng)護(hù)2h后進(jìn)行脫模，繼續(xù)在60℃烘箱中養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期。

表 2 試樣配合比

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

(1)

(2)

式中：φB為體積百分比(%)；VB為相應(yīng)齡期試樣表觀體積(m3)；V0為試樣初始表觀體積(m3)。

圖3 石粉試樣的抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength of tuff-based geopolymer

2 結(jié)果與討論

2.1 強(qiáng)度特性

圖3為堿激發(fā)石粉的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。Ref組28d抗壓強(qiáng)度隨著齡期增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，最大值為12.67MPa。外加劑的加入使LHG、BWO、SRA組抗壓強(qiáng)度均下降。7d齡期，LHG、BWO、SRA組強(qiáng)度較為接近。28d齡期，SRA組抗壓強(qiáng)度最高。凝灰?guī)r粉末中的礦物在堿激發(fā)劑作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，溶解為活性硅鋁酸鹽單體和氫氧化物，之后聚合為C-A-S-H(水化硅鋁酸鈣)和N-A-S-H(水化硅鋁酸鈉)并形成空間結(jié)構(gòu)，因此Ref組形成較高的強(qiáng)度(Davidovits，2011；Prasanphan et al.，2019)。荷葉疏水劑和熟桐油由于其疏水作用會(huì)導(dǎo)致漿體中水分子在熱養(yǎng)護(hù)過(guò)程中快速蒸發(fā)，不利于前期粉體的溶解過(guò)程，進(jìn)而影響后續(xù)反應(yīng)進(jìn)程并對(duì)強(qiáng)度有負(fù)面影響。而SRA的加入降低了孔隙溶液表面張力，使內(nèi)部濕度較高，因此強(qiáng)度相比其他外加劑較高(Lura et al.，2003；Plank et al.，2015；Song et al.，2016；Zuo et al.，2017)。

圖4 石粉-砂試樣的抗壓強(qiáng)度：(a)標(biāo)準(zhǔn)砂；(b)機(jī)制砂Fig.4 Compressive strength of tuff-sand composite：(a) quartz sand；(b) manufactured sand

圖4為堿激發(fā)石粉-砂試樣抗壓強(qiáng)度。如圖4a，隨著標(biāo)準(zhǔn)石英砂的加入，試樣抗壓強(qiáng)度低于圖3所示的石粉試樣。相較于7d結(jié)果，28d抗壓強(qiáng)度提升不明顯。N-Ref、N-LHG、N-BWO、N-SRA試樣的抗壓強(qiáng)度較接近，說(shuō)明外加劑對(duì)石粉-標(biāo)準(zhǔn)砂的性能影響不明顯。圖4b為石粉-機(jī)制砂試樣的抗壓強(qiáng)度，與圖4a相比，同一條件下石粉-機(jī)制砂試樣(M組)強(qiáng)度均高于石粉-標(biāo)準(zhǔn)砂組(N組)。該結(jié)果說(shuō)明，普通混凝土中，細(xì)骨料通常作為惰性成分，但在堿激發(fā)凝灰?guī)r體系中，細(xì)骨料礦物成分的差異不可忽略。與N組相似，齡期的增長(zhǎng)對(duì)M組試樣的強(qiáng)度提升不明顯。荷葉疏水劑引起M組試樣強(qiáng)度的明顯下降，熟桐油和SRA減縮劑則未對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響。

本文進(jìn)一步對(duì)比了灰?guī)r粗骨料(L組)和凝灰?guī)r粗骨料(T組)的強(qiáng)度特性，圖5為堿激發(fā)石粉-砂-碎石試樣28d養(yǎng)護(hù)后的抗壓與抗拉強(qiáng)度?？傮w而言，凝灰?guī)r粗骨料和SRA外加劑對(duì)試樣的強(qiáng)度具有提升作用。如圖5a所示，T-M組(粗、細(xì)骨料均為凝灰?guī)r成分)的抗壓強(qiáng)度較高。這是由于灰?guī)r骨料為碳酸鹽骨料，其在高堿度環(huán)境下與漿體膠結(jié)能力要弱于材質(zhì)為硅酸鹽骨料的凝灰?guī)r骨料(楊振天，2019)。SRA提升了試樣抗壓強(qiáng)度，這與SRA保證試樣前期內(nèi)部濕度進(jìn)而產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物有關(guān)(Lura et al.，2003；Plank et al.，2015；Song et al.，2016；Zuo et al.，2017)。熟桐油加入后產(chǎn)生的皂化產(chǎn)物對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化作用要小于界面過(guò)渡區(qū)的負(fù)面作用，因此BWO組的抗壓強(qiáng)度最低(王旭昊等，2021)。圖5b為石粉-砂-碎石試樣28d劈裂抗拉強(qiáng)度。與抗壓強(qiáng)度結(jié)果相似，T-M-SRA試樣強(qiáng)度最高。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖6為石粉試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。結(jié)果顯示，隨著齡期的增長(zhǎng)，試樣破壞階段的應(yīng)變?cè)黾?。Ref組表現(xiàn)為脆性破壞，外加劑的加入均會(huì)降低試樣的峰值應(yīng)力，但試樣的破壞應(yīng)變明顯增加，表現(xiàn)為延性破壞。LHG組的破壞過(guò)程的應(yīng)變最大，SRA對(duì)峰值應(yīng)力的影響最小。

圖5 石粉-砂-碎石試樣的強(qiáng)度：(a)抗壓強(qiáng)度；(b)劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.5 The strength of the alkali activated tuff-sand-gravel composite after 28 days curing：(a) Compressive strength；(b) Splitting tensile strength

圖6 石粉試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of tuff-based geopolymer

圖7為石粉-砂試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中圖7a為石粉-標(biāo)準(zhǔn)砂試樣(N組)7d和28d應(yīng)力-應(yīng)變曲線。結(jié)果顯示，N組峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?%～2.5%，應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體較平滑。荷葉疏水劑峰值應(yīng)變最小，說(shuō)明荷葉疏水劑中蠟質(zhì)和有機(jī)硅成分使得孔隙結(jié)構(gòu)更易破壞。圖7b為石粉-機(jī)制砂試樣(M組)7d和28d應(yīng)力-應(yīng)變曲線。荷葉疏水劑LHG的蠟質(zhì)成分減弱了機(jī)制砂的機(jī)械咬合作用，因此峰值應(yīng)變最低。

圖7 石粉-砂試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線：(a)標(biāo)準(zhǔn)砂；(b)機(jī)制砂Fig.7 Stress-strain curves of tuff-sand composite：(a) quartz sand；(b) manufactured sand

圖8為石粉-砂-碎石試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中：圖8a為石粉-標(biāo)準(zhǔn)砂-灰?guī)r組(L-N組)和石粉-標(biāo)準(zhǔn)砂-凝灰?guī)r組(T-N組)的結(jié)果。與L-N組相比，T-N組試樣峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變更大。T-N-SRA組的峰值應(yīng)變最大，說(shuō)明材料在破壞前具有較高的彈塑性變形。圖8b為L(zhǎng)-M組和T-M組的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。結(jié)果顯示，細(xì)骨料為凝灰?guī)r機(jī)制砂，則復(fù)合體系的整體強(qiáng)度升高。外加劑SRA對(duì)彈塑性變形和強(qiáng)度的影響最小，T-M-SRA組的強(qiáng)度高于L-M-SRA組。與L-M-Ref和T-M-Ref組對(duì)比，熟桐油BWO降低了L-M組和T-M組的峰值強(qiáng)度。

圖8 石粉-砂-碎石試樣28d應(yīng)力-應(yīng)變曲線：(a)標(biāo)準(zhǔn)砂-灰?guī)r組(L-N組)和標(biāo)準(zhǔn)砂-凝灰?guī)r組(T-N組)； (b)機(jī)制砂-灰?guī)r組(L-M組)和機(jī)制砂-凝灰?guī)r組(T-M組)Fig.8 Stress-strain curves of tuff-sand-gravel composite after 28 days curing：(a) L-N and T-N groups；(b) L-M and T-M groups

圖9 試樣的壓縮模量：(a)石粉組；(b)石粉-標(biāo)準(zhǔn)砂組；(c)石粉-機(jī)制砂組；(d)石粉-砂-碎石組Fig.9 Compressive modulus of samples：(a) tuff-based geopolymer；(b) tuff-quartz sand composite； (c) tuff-manufactured sand composite；(d) tuff-sand-gravel composite

采用割線模量E50代表試樣壓縮模量，E50的定義如式(3)所示：

(3)

式中：E50為峰值應(yīng)力50%對(duì)應(yīng)的割線模量(MPa)；σ50為峰值應(yīng)力的50%(MPa)；ε50為峰值應(yīng)力50%對(duì)應(yīng)的應(yīng)變(%)。

試樣的壓縮模量如圖9所示。圖9a中，石粉試樣Ref壓縮模量最高，且隨著齡期的增加而增加。LHG、BWO、SRA組的壓縮模量均有降低，即外加劑的加入均會(huì)降低石粉試樣的壓縮模量，其中SRA組的影響相對(duì)較小。荷葉疏水劑對(duì)壓縮模量降低幅度最大，是因?yàn)槠湎炠|(zhì)成分無(wú)法被堿激發(fā)劑溶解而存在于顆粒間隙，對(duì)結(jié)構(gòu)致密性造成較大影響(王顯利等，2017)。熟桐油一部分會(huì)與堿激發(fā)劑發(fā)生皂化反應(yīng)，其皂化產(chǎn)物與未反應(yīng)的熟桐油分子同時(shí)存在于顆粒間隙，因而造成壓縮模量降低(盛豐等，2020)。

圖9b顯示，石粉-標(biāo)準(zhǔn)砂試樣(N組)的壓縮模量受齡期影響較小，外加劑未降低試樣的壓縮模量。圖9c顯示，石粉-機(jī)制砂試樣(M組)的壓縮模量高于N組。M組壓縮模量未明顯受齡期和外加劑的影響。圖9d為石粉-砂-碎石試樣(L-N、L-M、T-N和T-M組)28d壓縮模量。不考慮外加劑的影響，T-M-Ref的壓縮模量最大，凝灰?guī)r機(jī)制砂提升了復(fù)合體系的壓縮模量。外加劑對(duì)試樣壓縮模量的影響較小，T-M-SRA達(dá)到最高值。

圖10 石粉試樣的表觀密度和體積收縮：(a)表觀密度；(b)體積收縮率Fig.10 The density and volume change of tuff-based geopolymer：(a) density；(b) shrinkage ratio

圖11 石粉-標(biāo)準(zhǔn)砂試樣的表觀密度和體積收縮：(a)表觀密度；(b)體積收縮率Fig.11 The density and volume change of tuff-quartz sand composite：(a) density；(b) shrinkage ratio

2.3 表觀密度和收縮率

圖10為石粉試樣表觀密度和體積變化圖。如圖10a所示，Ref組表觀密度大于其他組，加入荷葉疏水劑的LHG組密度最小。結(jié)果證明了疏水劑的作用機(jī)理，即顆粒表面疏水，顆粒間的距離增大，熱養(yǎng)護(hù)過(guò)程中失水較快，因此疏水劑使試樣密度下降(王顯利等，2017)。所有試樣7d前表觀密度變化最快，之后趨于穩(wěn)定。圖10b可以看出，Ref組的體積收縮較大，且體積收縮主要發(fā)生在7d前。疏水劑(LHG和BWO)和減縮劑(SRA)均具有降低體積收縮的效果，其中荷葉疏水劑的減縮效果最好。

圖11為石粉-標(biāo)準(zhǔn)砂試樣的表觀密度和體積變化情況。圖11a顯示，加入標(biāo)準(zhǔn)石英砂后，試樣表觀密度變化集中在0～3d，而后基本保持穩(wěn)定。所有齡期內(nèi)，N-Ref組表觀密度要高于其他組，說(shuō)明外加劑的加入使表觀密度降低。圖11b為石粉-標(biāo)準(zhǔn)砂試樣體積百分比變化。結(jié)果顯示，N-Ref組試樣收縮體積較大，0～3d 收縮率超過(guò)2%。N組試樣收縮率低于堿激發(fā)石粉組，主要原因是細(xì)骨料的支撐作用抑制了體積收縮。N-SRA組的減縮效果最明顯，28d的收縮率低于1%。

圖12 石粉-機(jī)制砂試樣的表觀密度和體積收縮：(a)表觀密度；(b)體積收縮率Fig.12 The density and volume change of tuff-manufactured sand composite：(a) density；(b) shrinkage ratio

圖12為石粉-機(jī)制砂(M組)試樣的表觀密度和體積變化。圖12a說(shuō)明，M組試樣的表觀密度變化同樣集中在0～3d。由于SRA的保水作用，M-SRA組的表觀密度高于其他試樣(Bentz et al.，2001)。圖12b為M組的體積百分比變化，與N組相比，M組體積收縮率更大，說(shuō)明凝灰?guī)r機(jī)制砂參與堿激發(fā)反應(yīng)，產(chǎn)生更大的體積收縮。外加劑對(duì)M組試樣均有減縮效果，M-SRA組和M-BWO組減縮效果明顯。

圖13 石粉-砂-碎石試樣表觀密度和體積收縮：(a) L-N組和T-N組表觀密度；(b) L-M組和T-M組表觀密度； (c) L-N組和T-N組體積收縮率；(d) L-M組和T-M組體積收縮率Fig.13 The density and volume change of tuff-sand-gravel composite：(a) density of L-N and T-N groups；(b) density of L-M and T-M groups；(c) shrinkage ratio of L-N and T-N groups；(d) shrinkage ratio of L-M and T-M groups

圖13為石粉-砂-碎石試樣表觀密度和體積變化。圖13a和13b的結(jié)果顯示，石粉-砂-碎石組試樣密度的變化集中在1～3d，添加BWO和SRA均使試樣的密度下降。圖13c和13d分別為石粉-標(biāo)準(zhǔn)砂-碎石試樣(L-N和T-N組)和石粉-機(jī)制砂-碎石試樣(L-M和T-M組)的體積收縮率。結(jié)果顯示，添加粗骨料后試樣的收縮率整體低于1.6%，體積收縮主要發(fā)生在1～3d，說(shuō)明粗骨料的骨架作用抑制了復(fù)合體系的失水收縮(Jamkar et al.，2004)。4組試樣中，BWO和SRA均未降低試樣的收縮率，L-M-Ref組的收縮率最低(0.4%)。以上結(jié)果說(shuō)明，粗顆粒的骨架作用在抑制收縮的過(guò)程中占主導(dǎo)，骨料巖性的改變和外加劑未能改善復(fù)合體系的收縮率。

2.4 骨料及減水劑對(duì)復(fù)合體系物理力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)理

2.4.1 骨料的作用機(jī)理

不考慮外加劑的影響，堿激發(fā)石粉抗壓強(qiáng)度(Ref組，12.7MPa)>石粉-砂-碎石試樣抗壓強(qiáng)度(L-M-Ref組最高，7.0MPa)>石粉-砂試樣抗壓強(qiáng)度(M-Ref組最高，4.4MPa)。壓縮模量呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，堿激發(fā)石粉壓縮模量(Ref組，250MPa)>石粉-砂-碎石試樣壓縮模量(T-M-Ref組最高，175MPa)>石粉-砂試樣壓縮模量(M-Ref組最高，125MPa)?？紤]細(xì)骨料的礦物成分，凝灰?guī)r機(jī)制砂形成的復(fù)合材料強(qiáng)度和模量均高于標(biāo)準(zhǔn)石英砂(M-Ref組>N-Ref組，L-M-Ref組和T-M-Ref組>L-N-Ref組和T-N-Ref組)。

如圖14，凝灰?guī)r粉末在高濃度堿激發(fā)劑的作用下溶解成硅鋁單體和氫氧化物，此過(guò)程要消耗大量的水，之后水解產(chǎn)物生成C-A-S-H(水化硅鋁酸鈣)和N-A-S-H(水化硅鋁酸鈉)并形成三維聚合物空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這是堿激發(fā)凝灰?guī)r石粉強(qiáng)度發(fā)展的主要原因(于子豪等，2022)。加入細(xì)骨料形成的復(fù)合體系由石粉漿體、骨料及界面過(guò)渡區(qū)組成，而其中的界面過(guò)渡區(qū)是該復(fù)合體系中的薄弱部分(Zhu et al.，2017)。而且，熱養(yǎng)護(hù)過(guò)程中由于骨料和漿體膨脹率不同，界面過(guò)渡區(qū)會(huì)產(chǎn)生較多的收縮裂縫，這是復(fù)合體系強(qiáng)度較低的原因。然而，粗骨料在復(fù)合體系中起骨架支撐作用，因而隨著骨料體積占比的增大，石粉-砂-碎石的力學(xué)性能相對(duì)提升。凝灰?guī)r機(jī)制砂由于與石粉成分相同，表面發(fā)生了溶解和聚合反應(yīng)，因此力學(xué)性能優(yōu)于石英砂試樣。

圖14 堿激發(fā)石粉-骨料復(fù)合體系的強(qiáng)度產(chǎn)生機(jī)理Fig.14 The mechanism of strength development of tuff-aggregate composite

2.4.2 外加劑的作用機(jī)理

加入外加劑的堿激發(fā)凝灰?guī)r石粉的28d抗壓強(qiáng)度從大到小依次為減縮劑組(SRA，10.0MPa)、熟桐油組(BWO，7.0MPa)、荷葉疏水劑組(LHG，6.0MPa)。含砂、碎石的試樣，加入SRA后抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度仍最高，其中T-M-SRA組強(qiáng)度最高(7.5MPa)。以上結(jié)果說(shuō)明，粗顆粒體系的強(qiáng)度仍主要由凝灰?guī)r石粉膠凝物提供，受表面溶解聚合反應(yīng)的影響，砂、碎石以凝灰?guī)r為主形成的復(fù)合體系具有更好的力學(xué)性能。

如圖15，荷葉疏水劑含蠟質(zhì)有機(jī)硅成分，其吸附在顆粒表面后，影響了凝灰?guī)r顆粒表面的溶解和聚合過(guò)程(王顯利等，2017)。同時(shí)，自由水在熱養(yǎng)護(hù)過(guò)程中快速蒸發(fā)，進(jìn)一步影響了N-A-S-H和C-A-S-H膠凝物的產(chǎn)生。另外，顆粒表面的蠟質(zhì)成分構(gòu)成薄弱截面，因此，LHG組抗壓強(qiáng)度較低。熟桐油在堿性環(huán)境下發(fā)生皂化反應(yīng)，皂化產(chǎn)物起到疏水、減弱膠結(jié)強(qiáng)度和阻止表面反應(yīng)的作用，因此加入后同樣降低了材料的強(qiáng)度(陳彥等，2022)。SRA 抑制干燥收縮的作用主要是由于孔隙水表面張力，降低了毛細(xì)管壓力，提高了內(nèi)部濕度，有利于地聚合物反應(yīng)的進(jìn)行，保水作用使其強(qiáng)度高于疏水劑LHG和BWO組。另外，由于增加漿體孔隙率，降低了試樣密度，使強(qiáng)度仍低于Ref組(張文艷等，2022)。

圖15 外加劑影響堿激發(fā)石粉-骨料復(fù)合體系強(qiáng)度的機(jī)理Fig.15 The mechanism of influences of additive on strength of tuff-aggregate composite

隨著外加劑加入骨料復(fù)合體系，各組分之間相互作用，荷葉疏水劑的疏水作用與其蠟質(zhì)不溶成分會(huì)降低石粉漿與骨料的黏結(jié)強(qiáng)度，使得試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)較疏松，強(qiáng)度和壓縮模量降低；熟桐油可與堿激發(fā)劑發(fā)生皂化反應(yīng)，生成的皂化產(chǎn)物存在于顆粒間隙，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一定的優(yōu)化作用，強(qiáng)度和壓縮模量高于含LHG的骨料復(fù)合體系。SRA使得膠凝產(chǎn)物增多，強(qiáng)度和模量高于含LHG和BWO的石粉-砂-碎石試樣。

對(duì)于堿激發(fā)石粉試樣，SRA和BWO組收縮率(4.0%)大于LHG組(3.0%)。對(duì)于石粉-砂試樣，N-SRA組減縮效果最優(yōu)(0.9%)。對(duì)于石粉-砂-碎石試樣，未添加外加劑的試樣收縮率更低。以上結(jié)果說(shuō)明，疏水或保水作用對(duì)凝灰?guī)r石粉堿激發(fā)過(guò)程收縮率的抑制作用較小，石粉與骨料復(fù)合體系的收縮率主要受骨架作用影響。

3 結(jié) 論

本文聚焦于凝灰?guī)r地聚合物與骨料復(fù)合體系的收縮性能與強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)堿激發(fā)石粉、石粉-砂、石粉-砂-碎石3組試樣進(jìn)行抗壓試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)和收縮率測(cè)試，探究粗、細(xì)骨料和外加劑對(duì)該膠凝材料物理力學(xué)性能的影響規(guī)律和機(jī)理，主要結(jié)論如下：

(1)不考慮外加劑的影響，堿激發(fā)石粉抗壓強(qiáng)度(12.7MPa)大于石粉-骨料復(fù)合材料強(qiáng)度(4.4～7.0MPa)，壓縮模量呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。考慮細(xì)骨料的礦物成分，凝灰?guī)r機(jī)制砂形成的骨料復(fù)合材料強(qiáng)度和模量均高于含標(biāo)準(zhǔn)石英砂的試樣。骨料形成的薄弱界面與熱膨脹率的差異，引起強(qiáng)度劣化。凝灰?guī)r機(jī)制砂由于與石粉成分相同，表面的溶解和聚合反應(yīng)使試樣強(qiáng)度更高。

(2)不含外加劑的石粉試樣28d收縮率4.0%。砂、碎石的加入可以降低試樣的收縮率，其中：石粉-標(biāo)準(zhǔn)砂漿收縮率為1.6%，石粉-標(biāo)準(zhǔn)砂-凝灰?guī)r碎石收縮率為0.4%。凝灰?guī)r石粉和機(jī)制砂在堿激發(fā)劑的作用下的溶解和聚合反應(yīng)消耗大量水分子，使試樣產(chǎn)生較大的收縮，而粗骨料及惰性細(xì)骨料(標(biāo)準(zhǔn)石英砂)的骨架支撐作用抑制了試樣收縮。

(3)由于疏水、減弱膠結(jié)強(qiáng)度和阻止表面反應(yīng)，荷葉疏水劑與熟桐油降低了堿激發(fā)石粉、石粉粗骨料體系的強(qiáng)度。具有保水效果的SRA減縮劑對(duì)強(qiáng)度的影響最小。

(4)對(duì)于堿激發(fā)石粉試樣，3種外加劑對(duì)收縮的抑制作用不明顯。對(duì)于石粉-砂試樣，SRA的減縮效果最優(yōu)(0.9%)。對(duì)于石粉-砂-碎石試樣，未添加外加劑的試樣收縮率更低，說(shuō)明石粉與骨料復(fù)合體系的收縮率主要受骨架作用影響。

(5)通過(guò)強(qiáng)度與收縮率的交叉對(duì)比試驗(yàn)，堿激發(fā)石粉材料不宜加入疏水劑和SRA減縮劑，凝灰?guī)r石粉-砂材料建議采用凝灰?guī)r機(jī)制砂并加入SRA減縮劑，石粉-砂-碎石材料不建議加入疏水劑和減縮劑。