礦渣-粉煤灰基地聚物干燥收縮試驗研究

王保生

（山西交通控股集團有限公司，山西 太原 030006）

地聚物是由粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢渣和堿激發(fā)劑組成的膠凝材料，具有快硬早強、二氧化碳排放少（可減少73%的氣體排放）等優(yōu)點，成為水泥基膠凝材料的理想替代品，在建筑領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1]。但地聚物的早齡期收縮是影響結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵，與水泥相比，地聚物收縮較大[2]，且容易開裂，這限制了地聚物的推廣應(yīng)用[3]，因此，廣泛開展地聚物的干燥收縮性能研究具有重要工程意義。

大量研究發(fā)現(xiàn)：由于地聚物的化學(xué)反應(yīng)機理與混凝土不同，其早期強度高，凝結(jié)速度快，干燥收縮變形較水泥混凝土大[4]，且膠凝材料類型、水玻璃模數(shù)和含量、添加劑均是影響收縮變形的因素[5]。Neupane[6]開展了不同礦渣和粉煤灰含量的地聚物干燥收縮試驗，發(fā)現(xiàn)隨粉煤灰摻量增大，干燥收縮越大[7]；文獻[8]則發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)V渣摻量小于30%時，隨礦渣摻量增加，收縮增加，干縮應(yīng)變可超過10 000 με，相關(guān)學(xué)者對不同膠凝材料地聚物收縮性能尚未達成一致。研究還發(fā)現(xiàn)，隨水玻璃模數(shù)增加，干燥收縮增加[9-10]；礦渣基地聚物隨Na2O含量增加，干燥收縮降低，偏高嶺土地聚物隨堿當(dāng)量增加，干燥收縮顯著提高[11]；Taghvayi[12]發(fā)現(xiàn)水玻璃模數(shù)是影響收縮的主要因素；Neto[13]則認為水玻璃模數(shù)相同時，堿含量是影響干燥收縮的主要原因；王晴[14]發(fā)現(xiàn)，隨水玻璃摻量增加，收縮降低；Partha[15]對比了不同硅酸鈉與氫氧化鈉溶液質(zhì)量比為1.5和2.5之間的干燥收縮，結(jié)果顯示隨比例增加干燥收縮增加。由于堿激發(fā)劑表示方法不唯一，目前也尚未形成統(tǒng)一的認識。另外，添加劑也是顯著影響收縮的原因，李兆恒[16]發(fā)現(xiàn)摻加活性MgO生成Mg(OH)2，可補償干燥收縮，對減少收縮變形有利；Ling[17]發(fā)現(xiàn)摻加乙二醇后，抗壓強度較小，且干燥收縮降低一半；錢益想[8]研究了硅灰、石膏對干燥收縮的影響，但并未得出較多規(guī)律。

針對現(xiàn)有研究的不足，本文開展了不同膠凝材料比、硅酸鈉與氫氧化鈉溶液比、添加劑對地聚物干燥收縮試驗研究，探討了不同因素對收縮的影響規(guī)律，為提出合理的收縮模型提供試驗基礎(chǔ)。

1 試驗材料

試驗采用的膠凝材料為粉煤灰和礦渣，粉煤灰為一級粉煤灰，其比表面積為420 m2/kg，密度為2.42 g/cm3；礦渣為S95級，比表面積為463 m2/kg。膠凝材料的化學(xué)成分組成如表1所示。

表1 膠凝材料主要化學(xué)成分 %

堿激發(fā)劑采用氫氧化鈉和硅酸鈉溶液混合制備而成。其中，氫氧化鈉為白色片狀結(jié)構(gòu)，純度為95%，加入水形成10 mol/L的高濃度氫氧化鈉溶液。市售硅酸鈉溶液模數(shù)為2.85，SiO2含量為40%，Na2O含量為13.75%～14.00%.通過控制Na2SiO3溶液和NaOH溶液質(zhì)量比的方法配置試驗所需的堿激發(fā)劑模數(shù)和Na2O含量；試驗采用細度模數(shù)2.6，最大粒徑2.36 mm的細砂，圖1為累積篩余百分率曲線；試驗采用的添加劑為MgO和聚丙二醇材料，其中，MgO為安徽廬江縣古鎮(zhèn)礦產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)白色粉末狀材料；聚丙二醇為有機類膨脹劑，型號為PPG-400的白色液體材料，凈含量為99%.

圖1 試驗用砂累積篩余百分率

2 試驗配合比

試驗主要研究礦渣與粉煤灰質(zhì)量比、Na2SiO3溶液與NaOH溶液質(zhì)量比、聚丙二醇和MgO外摻量對地聚物砂漿試塊干燥收縮的影響。每組試驗設(shè)置3種配合比，見表2，每種配合比的砂漿試塊6個，其中，3個收縮砂漿試塊的端部設(shè)銅釘標(biāo)記點，另外3個測試抗折和抗壓強度，測試結(jié)果為計算結(jié)果的平均值。表2中，SF-50%表示礦渣占總膠凝材料（粉煤灰和礦渣）比為50%；AL_SO-2.5表示Na2SiO3溶液與NaOH溶液質(zhì)量比為2.5；PPG-1%和MgO-1%表示聚丙二醇或MgO占總膠凝材料的質(zhì)量比為1%.

表2 地聚物砂漿配合比 kg/m3

試驗時需提前一天配置堿激發(fā)劑溶液，澆筑完成后，放到相對濕度98%，20℃環(huán)境中養(yǎng)護24 h后拆模，測試初始變形，然后放入相對濕度65%，20℃標(biāo)準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護，在開始的一周內(nèi)每天測試一次，后續(xù)每周測試一次。用量程為10 mm的千分表測試，見圖2。試塊抗折和抗壓強度的測試按GB/T17671—2021水泥膠砂強度檢驗方法測試。

圖2 干燥收縮試塊

3 試驗結(jié)果

3.1 強度測試結(jié)果

圖3給出了試塊的28 d抗折和抗壓強度柱狀圖。由圖3可知，對不同礦渣摻量的試塊，隨礦渣摻量減小，抗折和抗壓強度急劇減小，與礦渣摻量為50%相比，當(dāng)摻量降低到10%后，抗折和抗壓強度分別降低30%和66%.說明礦渣活性較粉煤灰大，需控制其材料摻量比例。

圖3 抗折強度和抗壓強度結(jié)果

當(dāng)?shù)V渣與粉煤灰的摻量比為1∶1時，硅酸鈉溶液與氫氧化鈉溶液質(zhì)量比對抗折和抗壓強度有一定影響，強度隨溶液質(zhì)量比的增加而增加，當(dāng)質(zhì)量比由2.5提高到3.5時，抗折和抗壓強度分別提高13.3%和17.0%.與膠凝材料質(zhì)量比相比，通過調(diào)節(jié)硅酸鈉濃度的方式控制強度，對其的影響較小。提高溶液質(zhì)量比，會提高堿激發(fā)劑模數(shù)，降低Na2O含量，可提高強度。

由圖3可知，當(dāng)摻加一定量的聚丙二醇后，抗折和抗壓強度隨摻量增加而降低，與未摻入聚丙二醇的地聚物（AL_SO_3.5）相比，摻量為5%時，抗壓強度降低61.3%，主要原因為加入聚丙二醇后，阻斷了水化反應(yīng)的進行，對強度有不利影響[5]。另外，摻入MgO后，較不摻MgO的地聚物試塊相比，抗壓強度降低24.4%～29.0%，但MgO摻量對早期抗折和抗壓強度影響不大。

3.2 極限收縮與影響因素關(guān)系分析

圖4給出了不同參數(shù)與極限干燥收縮應(yīng)變之間的關(guān)系。需指出，本文測試收縮應(yīng)變結(jié)果為拆模后24 h即開始測量的早齡期收縮，其應(yīng)變較大[7]。由圖4可知，礦渣摻量、溶液質(zhì)量比、聚丙二醇摻量和MgO摻量[18]均會影響干燥收縮變形，每種因素的影響規(guī)律為：隨礦渣摻量增加，干燥收縮應(yīng)變線性降低，但收縮應(yīng)變基本大于1 200 με；礦渣摻量由10%提高到50%時，干燥收縮降低55.1%，變形降低效果十分明顯，與文甜[7]的測試結(jié)果類似。

圖4 不同影響因素對極限干燥收縮的影響

增大硅酸鈉與氫氧化鈉溶液質(zhì)量比，會提高模數(shù)，增大收縮，極限收縮變形和質(zhì)量比之間基本呈線性變化規(guī)律，當(dāng)溶液質(zhì)量比由2.5變?yōu)?.5時，收縮增加47.5%，達到2 587 με，遠大于普通混凝土的極限收縮變形，而抗壓強度僅提高17.0%，與文獻[15]和[17]的結(jié)果相同。因此，通過提高溶液質(zhì)量比的方法提高地聚物抗壓強度的方法不可取。

圖4可知，摻入聚丙二醇也能降低極限干燥收縮，當(dāng)摻量由1%提高到5%時，收縮降低26.7%，但抗壓強度有顯著降低；當(dāng)摻量為3%時，收縮降低13.0%，而抗壓強度降低較小；MgO摻量為1%和3%時對收縮的影響不明顯，強度無明顯下降。主要原因在于無機物MgO通過吸水反應(yīng)生產(chǎn)沉淀物Mg(OH)2，可降低收縮變形[16]。

3.3 干燥收縮結(jié)果

圖5給出了干燥收縮測試結(jié)果。圖5中的應(yīng)變?yōu)?個試件應(yīng)變平均值。由圖5可知，地聚物收縮應(yīng)變在前14 d發(fā)展較快，14～28 d之間開始緩慢增長，28 d達到極限，后期變化較慢[5]，試驗結(jié)果與Singh[19]等類似，與Matalkah[4]得出的在60 d發(fā)展較快的結(jié)論有一定差異。

圖5 干燥收縮試驗結(jié)果對比情況

另外，由圖5a可知，隨礦渣摻量增加，干燥收縮減小，當(dāng)摻量為10%時，應(yīng)變?yōu)? 500 με；當(dāng)摻量為50%時，礦渣中較多的CaO參與水化反應(yīng)，提高了抗壓強度，同時降低了收縮變形，收縮應(yīng)變降低為1 200 με，試驗結(jié)果與 Neupane[6]類似。

由圖4b可知，硅酸鈉溶液與氫氧化鈉溶液質(zhì)量比對干燥收縮也有較大影響。首先，增大溶液質(zhì)量比會提高早期收縮的發(fā)展速度，當(dāng)達到極限收縮應(yīng)變80%時，溶液比為2.5、3.0和3.5的試塊的收縮天數(shù)分別為18 d、16 d和14 d。由表2可知，溶液質(zhì)量比增大，模數(shù)增大（由 1.72變?yōu)?1.92），Na2O含量（由15.4%變?yōu)?4.3%）降低[13]。由于Na2O含量增大較小，可認為增加水玻璃模數(shù)，收縮增大，而王晴[14]卻發(fā)現(xiàn)模數(shù)變化對收縮影響不大，最佳模數(shù)為1.4，與本文結(jié)果有差異。

由圖5c可知，摻入聚丙二醇后，收縮速度增快，但總收縮量降低，且摻量越多，降低作用越明顯，與未摻加的相比，當(dāng)摻量為2%和5%時，收縮應(yīng)變分別降低17.4%和28.9%.由圖4d可知，增加MgO后，收縮變形發(fā)展速度明顯增快，在前7 d內(nèi)發(fā)生90%的收縮變形，較未添加MgO添加劑的在前20 d發(fā)展較快有明顯區(qū)別。除此以外，加入3%含量的MgO后，極限收縮由不摻MgO的2 587 με降低到1 113 με，收縮應(yīng)變降低57%，降低作用顯著，但抗折和抗壓強度有所降低（約25%），在地聚物中加入MgO后，與水反應(yīng)生成了Mg(OH)2固體，填補了部分空隙，降低了收縮[16]。

4 結(jié)語

當(dāng)粉煤灰與礦渣摻量為1∶1，硅酸鈉與氫氧化鈉溶液質(zhì)量比為2.5時，制備的礦渣-粉煤灰基地聚物的28 d抗壓強度可達55 MPa，干燥收縮應(yīng)變在1 000 με左右，是一種較為理想的地聚物膠凝材料。

a）地聚物砂漿具有快凝早強特性，強度及干縮變形均在前14 d發(fā)展較快，后期發(fā)展較慢。

b）礦渣摻量由50%減少到10%后，極限干燥收縮減小60%；隨礦渣摻量增大，強度增大，干燥收縮變形越??；硅酸鈉和氫氧化鈉溶液質(zhì)量比對抗壓和抗折強度影響不大，但可顯著影響干燥收縮。

c）增加聚丙二醇等有機物可有效減少干燥收縮，但是會降低60%的抗壓強度；摻入3%的MgO會降低約25%的抗壓強度，但可降低約57%的干燥收縮變形，因此，MgO可用作地聚物減少收縮作用的外加劑。