Ca(OH)2-Na2CO3激發(fā)礦渣-粉煤灰混凝土的抗裂性能分析

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(guò)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(duì)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(shuō)明外，文中均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，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(duì)堿礦渣-粉煤灰混凝土抗裂性能的影響鮮有報(bào)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(dòng)性，減小收縮，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)[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(cè)試了高強(qiáng)粉煤灰混凝土的抗裂性能，試驗(yàn)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(duì)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(duì)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(lái)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(duì)ASFC抗裂性能的影響，為ASFC的實(shí)際應(yīng)用提供部分?jǐn)?shù)據(jù)支持.

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1) 前驅(qū)體.礦渣來(lái)自福建省龍海市旭誠(chéng)建材有限公司，S95級(jí)別.粉煤灰為 F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，來(lái)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(jiàn)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(jí)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(jì)

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(duì)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(duì)ASFC抗裂性能的影響.設(shè)計(jì)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(jiàn)表2.

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

1.3 試驗(yàn)方法

1) 圓環(huán)約束法.使用圓環(huán)約束裝置來(lái)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(diǎn)1的正對(duì)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(gè)圓環(huán)試件用于測(cè)量，測(cè)量結(jié)果取二者平均數(shù).圓環(huán)約束裝置示意圖見(jiàn)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(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50081—2019)》的規(guī)定[16]測(cè)量劈裂抗拉強(qiáng)度，每組制備3個(gè)試件用于測(cè)試，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm.

1.4 抗裂性能評(píng)價(jià)方法

Ji等[17]提出混凝土的抗裂性能主要通過(guò)開裂系數(shù)ζt(t)和抗裂性能評(píng)價(jià)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(shí)混凝土所受的環(huán)向拉應(yīng)力[18]，可由下式計(jì)算：

(3)

式中：σs(t)為內(nèi)鋼環(huán)在齡期t時(shí)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(duì)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(cè)得的3和28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度按下式來(lái)計(jì)算發(fā)展系數(shù)：

(6)

將式(6)中計(jì)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(jì)算開裂系數(shù)ζt(t)和抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)Acr(t).

2 試驗(yàn)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(duì)ASFC抗壓強(qiáng)度(fc)的影響.由圖2(a)可見(jiàn)，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(shí)的抗壓強(qiáng)度最大.由圖2(b)可見(jiàn)，隨著粉煤灰摻量的增加，3 d時(shí)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(shí)的抗壓強(qiáng)度最大.

圖2 堿當(dāng)量及粉煤灰摻量對(duì)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(duì)ASFC劈裂抗拉強(qiáng)度(fts)的影響規(guī)律.由圖3(a)可見(jiàn)，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(huì)加速形成C-(A)-S-H凝膠從而使強(qiáng)度提高[21]，同時(shí) CaCO3的填充作用還可以降低孔隙率[22]，齡期為3 d時(shí)，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(shí)強(qiáng)度最高.但堿當(dāng)量過(guò)大會(huì)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(huì)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(duì)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(jiàn)，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?yàn)榉勖夯翌w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(shí)[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?yàn)槲⒂^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?yàn)榉勖夯业姆磻?yīng)活性比礦渣低，摻量較大時(shí)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(yàn)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(guò)鋼環(huán)應(yīng)變表現(xiàn)出來(lái).

圖4為堿當(dāng)量及粉煤灰摻量對(duì)ASFC內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變的影響規(guī)律.由圖4(a)可見(jiàn)，堿當(dāng)量為4%和6%時(shí)，堿當(dāng)量的增加對(duì)內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變的影響不大；堿當(dāng)量為8%和10%時(shí)，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(huì)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(duì)濕度降低，自收縮增大[27]，宏觀表現(xiàn)為內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變?cè)龃?由圖4(b)可見(jiàn)，粉煤灰摻量為20%時(shí)，內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變明顯減小，說(shuō)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(duì)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(duì)ASFC環(huán)向拉應(yīng)力的影響規(guī)律.由圖5(a)可見(jiàn)，堿當(dāng)量在4%和6%時(shí)，ASFC的環(huán)向拉應(yīng)力大小近似相等；堿當(dāng)量為8%和10%時(shí)，ASFC的環(huán)向拉應(yīng)力明顯增大.由圖5(b)可見(jiàn)，粉煤灰摻量為20%時(shí)，ASFC的環(huán)向拉應(yīng)力明顯減?。焕^續(xù)增大粉煤灰摻量至40%時(shí)，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(shuō)明在28 d的齡期內(nèi)，ASFC并沒(méi)有完全開裂.

圖5 堿當(dāng)量及粉煤灰摻量對(duì)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(duì)ASFC開裂系數(shù)的影響規(guī)律.由圖6(a)可見(jiàn)，堿當(dāng)量為4%和6%時(shí)，ASFC的開裂系數(shù)曲線近似重合；堿當(dāng)量為8%和10%時(shí)，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(shí)，抗裂性能評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)可以看出，抗裂性能評(píng)價(jià)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(huì)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(xiǎn)提高，抗裂性能降低.

由圖6(b)可見(jiàn)，粉煤灰摻量為20%時(shí)，ASFC的開裂系數(shù)明顯減?。焕^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?yàn)榉勖夯业幕鹕交曳磻?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(píng)價(jià)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(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)Acr(28) Tab.3 Evaluation index Acr(28)of cracking resistance of ASFC in 28 days

3 結(jié)語(yǔ)

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)度先增大后減小；隨著粉煤灰摻量增加，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(shí)，ASFC的開裂系數(shù)ζt(t)和抗裂性能評(píng)價(jià)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(shí)，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(shí)，ASFC的開裂系數(shù)ζt(t)和抗裂性能評(píng)價(jià)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(shí)，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(shí)，ASFC的力學(xué)性能和抗裂性能最優(yōu).