堿激發(fā)礦渣/粉煤灰凈漿/砂漿力學(xué)性能研究

莊培鎮(zhèn)，馬玉瑋，羅甜恬，劉衛(wèi)森，傅繼陽

(廣州大學(xué)風(fēng)工程與工程振動(dòng)研究中心，廣州 510006)

0 引 言

堿激發(fā)材料又稱“地質(zhì)聚合物”[1]，是以活性硅鋁酸鹽(如礦渣、粉煤灰、偏高嶺土等)為原材料，在堿性條件下生成的具有膠凝性能的材料，現(xiàn)已成為最具發(fā)展?jié)摿Φ木G色低碳膠凝材料之一。與水泥相比，堿激發(fā)材料擁有快凝早強(qiáng)、水化熱低、耐化學(xué)腐蝕[2]、耐高溫、抗凍融[3]等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)于堿激發(fā)材料的工程應(yīng)用研究，主要包括堿激發(fā)混凝土梁、板、柱及砌塊[4]等方面。近年來，已有大量關(guān)于堿激發(fā)材料力學(xué)性能的研究，主要包括抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等方面?？箟簭?qiáng)度是堿激發(fā)材料主要的靜態(tài)力學(xué)性能之一，主要受原材料種類、堿激發(fā)劑種類和用量、水灰比、養(yǎng)護(hù)條件等因素的影響。Davidovits[5]制備了偏高嶺土基堿激發(fā)砂漿，在20 ℃養(yǎng)護(hù)4 h后，其抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到20 MPa，且28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)70～100 MPa。郭曉潞等[6]使用水玻璃作為激發(fā)劑，激發(fā)高鈣粉煤灰和熱活化污泥制備堿激發(fā)材料，在75 ℃高溫下養(yǎng)護(hù)24 h的抗壓強(qiáng)度達(dá)70 MPa，室溫(23 ℃)下養(yǎng)護(hù)28 d的抗壓強(qiáng)度達(dá)52 MPa。Nazari等[7]利用稻殼灰取代30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))粉煤灰制備堿激發(fā)膠凝材料，在80 ℃下養(yǎng)護(hù)28 d后，其抗壓強(qiáng)度達(dá)58.9 MPa。Zhang等[8]以粉煤灰和赤泥作為原材料，制備的堿激發(fā)膠凝材料在常溫養(yǎng)護(hù)條件下28 d抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)21.3 MPa。以上研究表明，對(duì)活性硅鋁酸鹽原材料使用不同的激發(fā)劑激發(fā)，在適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)條件下可以提高材料的抗壓強(qiáng)度，增強(qiáng)力學(xué)性能。

材料的彈性模量是研究材料特性的重要參數(shù)?；炷恋膹椥阅Ａ咳Q于粗骨料的類型和含量以及砂漿的彈性模量，砂漿的彈性模量取決于細(xì)骨料的類型和含量以及凈漿的彈性模量。目前，關(guān)于堿激發(fā)材料的彈性模量結(jié)果存在一定的爭議。Collins等[9]發(fā)現(xiàn)，使用不同激發(fā)劑的堿激發(fā)礦渣混凝土的彈性模量略低于普通硅酸鹽混凝土。Douglas等[10]提出，堿激發(fā)礦渣混凝土的彈性模量可以通過美國混凝土結(jié)構(gòu)建筑規(guī)范(ACI318—08)中相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度來估算。并且，Yang等[11]研究表明，利用氫氧化鈣作為激發(fā)劑生成的堿激發(fā)礦渣混凝土的彈性模量可以由美國混凝土結(jié)構(gòu)建筑規(guī)范(ACI318—08)近似預(yù)測。Fernndez-Jiménez等[12]研究結(jié)果顯示，堿激發(fā)粉煤灰混凝土的彈性模量在10～20 GPa范圍內(nèi)，而普通硅酸鹽水泥混凝土的彈性模量在25～35 GPa，彈性模量更高。而Joseph等[13]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，堿激發(fā)粉煤灰混凝土經(jīng)過60～120 ℃養(yǎng)護(hù)之后的彈性模量在40～60 GPa，遠(yuǎn)高于同等抗壓強(qiáng)度的普通硅酸鹽混凝土。對(duì)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的研究，堿激發(fā)材料主要集中在混凝土方面，但研究相對(duì)較少?；炷敛牧系膽?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析中最基本的本構(gòu)關(guān)系，研究者往往利用水泥混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式來預(yù)測堿激發(fā)材料的變化規(guī)律。Yang等[11]、Thomas等[14]研究的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系結(jié)果顯示，初始剛度和峰值應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變隨著抗壓強(qiáng)度的增加而增加，與普通硅酸鹽水泥規(guī)律一致。

目前針對(duì)堿激發(fā)材料的研究主要集中在反應(yīng)機(jī)理及反應(yīng)產(chǎn)物等方面，由于原材料、試驗(yàn)環(huán)境的差異性，堿激發(fā)材料的力學(xué)性能差異較大，暫無統(tǒng)一定論，特別是針對(duì)不同組成的堿激發(fā)材料的彈性模量，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的研究相對(duì)較少。鑒于此，本文研究了不同礦渣摻量、細(xì)骨料摻量對(duì)堿激發(fā)礦渣/粉煤灰凈漿/砂漿力學(xué)性能的影響規(guī)律，主要測試了抗壓強(qiáng)度、彈性模量、應(yīng)力-應(yīng)變曲線等，得到了堿激發(fā)礦渣/粉煤灰凈漿/砂漿的無量綱曲線，參考不同本構(gòu)模型進(jìn)行比較分析。本文對(duì)建立堿激發(fā)材料相關(guān)工程規(guī)范，推進(jìn)堿激發(fā)材料的工程應(yīng)用做出一定貢獻(xiàn)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材 料

試驗(yàn)采用S95級(jí)礦渣和F類粉煤灰，分別來源于韶關(guān)鋼鐵廠和廣東省中山發(fā)電廠，其化學(xué)成分如表1所示，粒度分布如圖1所示。堿激發(fā)劑為工業(yè)級(jí)水玻璃，通過化學(xué)滴定法測定其SiO2和Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別為28.18%和12.19%。采用NaOH(分析純)調(diào)節(jié)水玻璃模數(shù)，改變堿激發(fā)劑中Na2O的含量。細(xì)骨料為某砂廠河砂，篩分試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。經(jīng)計(jì)算，細(xì)度模數(shù)Mx=2.76，符合中砂級(jí)配要求，物理性能如表3所示。試驗(yàn)用水為去離子水。

表1 粉煤灰與礦渣的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of fly ash and slag

圖1 原材料的粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of raw materials

表2 砂的篩分試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Screening test results of sand

表3 砂的物理性能Table 3 Physical properties of sand

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)包括不同礦渣摻量凈漿/砂漿及不同細(xì)骨料摻量的砂漿堿激發(fā)材料，所有配比激發(fā)劑模數(shù)為1.5，Na2O和SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4%和6%，凈漿水膠比(W/B)為0.40，砂漿水膠比為0.42，具體配比如表4所示。按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)試塊進(jìn)行分組，每組制樣6個(gè)，先將水、氫氧化鈉、水玻璃按表4配制成對(duì)應(yīng)含量的激發(fā)劑，并將其靜置1 d。根據(jù)原材料配比進(jìn)行稱料，均勻混合攪拌后，在攪拌鍋中混合加入激發(fā)劑，在水泥凈漿/砂漿攪拌機(jī)中攪拌4 min，其中慢攪2 min，快攪2 min。然后將漿體注入40 mm×40 mm×40 mm和40 mm×40 mm×160 mm的試模內(nèi)振動(dòng)成型，在20 ℃、相對(duì)濕度95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)1 d，然后脫模進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，測定齡期分別為7 d和28 d，測定樣品的抗壓強(qiáng)度、彈性模量及應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？箟簭?qiáng)度測試依照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)[15]，彈性模量測試依照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)[16]。

表4 堿激發(fā)礦渣/粉煤灰凈漿/砂漿的試驗(yàn)配比Table 4 Test mix proportion of alkali-activated slag/fly ash paste/mortar

續(xù)表

2 結(jié)果與討論

2.1 礦渣/細(xì)骨料摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖2顯示了不同礦渣摻量的堿激發(fā)礦渣/粉煤灰凈漿/砂漿抗壓強(qiáng)度。從圖中可知，堿激發(fā)凈漿/砂漿的抗壓強(qiáng)度均隨礦渣摻量的增加而增大，且堿激發(fā)凈漿強(qiáng)度均高于砂漿強(qiáng)度。當(dāng)?shù)V渣摻量從50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)增加至70%時(shí)，凈漿7 d抗壓強(qiáng)度增長51.42%，砂漿7 d抗壓強(qiáng)度增長30.98%，28 d抗壓強(qiáng)度分別增長21.14%與39.43%，增幅明顯；而當(dāng)?shù)V渣摻量從70%增加到100%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增幅不大。試驗(yàn)結(jié)果與Puertas等[17]對(duì)堿激發(fā)礦渣/粉煤灰凈漿的研究結(jié)果一致。Fang等[18]也研究了礦渣摻量對(duì)堿激發(fā)礦渣/粉煤灰混凝土的影響規(guī)律，證明了礦渣的摻入能夠顯著提高抗壓強(qiáng)度，對(duì)早期強(qiáng)度的影響尤其明顯。粉煤灰與堿激發(fā)劑發(fā)生反應(yīng)，形成非晶態(tài)沸石類的堿性硅鋁酸鹽凝膠[19]，然而粉煤灰的活性較低，需要在堿性條件下溶出盡可能多的Al和Si，重新聚合生成N-A-S-H凝膠，才能使?jié){體具有一定的強(qiáng)度。隨著礦渣含量逐漸增加，礦渣氧化物中的CaO和MgO含量較高，在堿性環(huán)境下，礦渣玻璃體發(fā)生分散、溶解，水化產(chǎn)物主要為低鈣硅比的C-(A)-S-H凝膠。C-(A)-S-H凝膠結(jié)構(gòu)無序程度和孔隙率低，是材料產(chǎn)生強(qiáng)度的主要物質(zhì)[20]。從而漿體的結(jié)構(gòu)更加致密，抗壓強(qiáng)度隨之提高。堿激發(fā)砂漿7 d/28 d抗壓強(qiáng)度相對(duì)凈漿均有不同程度的降低，說明細(xì)骨料的摻入可能會(huì)使試樣產(chǎn)生更多的孔隙，試樣承受荷載時(shí)孔隙的大小和分布會(huì)影響裂紋的產(chǎn)生，從而影響試樣的抗壓強(qiáng)度。

圖2 礦渣摻量與堿激發(fā)材料抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.2 Relationship between slag content and compressive strength of alkali-activated materials

圖3顯示了不同細(xì)骨料摻量的堿激發(fā)礦渣/粉煤灰砂漿的抗壓強(qiáng)度。從圖中分析得出，抗壓強(qiáng)度隨著細(xì)骨料摻量增多而減小，當(dāng)細(xì)骨料摻量增加至40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的“抗壓強(qiáng)度下降點(diǎn)”。Joseph等[13]研究了骨料對(duì)堿激發(fā)混凝土力學(xué)性能的影響，研究表明，骨料與漿體之間的界面過渡區(qū)是最薄弱的結(jié)構(gòu)，承受強(qiáng)度的能力主要由界面過渡區(qū)決定。有研究[21]表明，堿激發(fā)砂漿中也存在“界面過渡區(qū)決定整體強(qiáng)度”的準(zhǔn)則，且取決于骨料的摻量，本試驗(yàn)結(jié)果與該研究觀點(diǎn)一致。Fang等[22]從納米尺度和微觀尺度研究了堿激發(fā)礦渣-粉煤灰混凝土界面過渡區(qū)的微觀力學(xué)性能，結(jié)果表明，堿激發(fā)礦渣-粉煤灰在砂漿界面過渡區(qū)微觀力學(xué)性能良好，相較于水泥砂漿的界面過渡區(qū)具有更高的彈性模量。

圖3 細(xì)骨料摻量與堿激發(fā)砂漿抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Relationship between fine aggregate content and compressive strength of alkali-activated mortar

2.2 礦渣/細(xì)骨料摻量對(duì)彈性模量的影響

圖4顯示了礦渣摻量對(duì)堿激發(fā)礦渣/粉煤灰凈漿/砂漿不同齡期彈性模量的影響規(guī)律。由圖可知：礦渣摻量從50%增加至70%時(shí)，凈漿/砂漿7 d和28 d彈性模量增幅明顯；礦渣摻量增至100%時(shí)，凈漿/砂漿7 d彈性模量出現(xiàn)下降，28 d彈性模量增幅不大，與摻量70%時(shí)數(shù)值接近。堿激發(fā)砂漿7 d和28 d彈性模量相對(duì)凈漿更高，可見，細(xì)骨料的摻入使材料彈性模量增大，提高堿激發(fā)材料抵抗變形的能力，使其韌性變好。細(xì)骨料的摻入對(duì)7 d早期力學(xué)性能的影響更為明顯，彈性模量提高率為70%～90%，而28 d提高率較小，可能是由于早期水化程度還未完全，受細(xì)骨料摻入影響明顯，相較齡期為7 d時(shí)，堿激發(fā)材料砂漿28 d時(shí)水化程度更高，體系趨于穩(wěn)定。在試驗(yàn)過程中，也可以明顯感受到凈漿屬于“爆裂”型破壞，而砂漿為“沉靜”型破壞。本研究所得堿激發(fā)凈漿28 d彈性模量在12.83～19.53 GPa，砂漿28 d彈性模量在18.72～23.10 GPa。Fernndez-Jiménez等[23]使用低鈣粉煤灰制成的堿激發(fā)粉煤灰混凝土彈性模量在17～18 GPa，Thomas等[14]使用高鈣粉煤灰制成的堿激發(fā)粉煤灰混凝土彈性模量在28～47 GPa，研究表明，原材料為低鈣粉煤灰制成的堿激發(fā)材料的彈性模量普遍低于原材料為高鈣粉煤灰制成的堿激發(fā)材料。本研究為低鈣粉煤灰制得的堿激發(fā)體系，與其他學(xué)者研究規(guī)律一致。

圖4 礦渣摻量與堿激發(fā)材料彈性模量的關(guān)系Fig.4 Relationships between slag content and elastic modulus of alkali-activated materials

圖5顯示了細(xì)骨料摻量對(duì)堿激發(fā)礦渣/粉煤灰砂漿彈性模量的影響規(guī)律。從圖中可以看出， 堿激發(fā)砂漿的7 d彈性模量隨著細(xì)骨料摻量增加而整體呈增大趨勢(shì)，7 d彈性模量變化范圍為7.68～14.28 GPa，28 d彈性模量為13.18～18.72 GPa。從圖中彈性模量的變化區(qū)間可以看出：當(dāng)細(xì)骨料摻量為10%～30%時(shí)，7 d彈性模量為7.68～9.09 GPa，28 d彈性模量為13.18～14.58 GPa；當(dāng)細(xì)骨料摻量為40%～55%時(shí)，7 d彈性模量為9.02～14.28 GPa，28 d彈性模量為18.28～18.72 GPa。當(dāng)細(xì)骨料摻量為40%時(shí)，彈性模量出現(xiàn)明顯增大。結(jié)合前面抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)細(xì)骨料摻量為10%～30%時(shí)，堿激發(fā)砂漿承受軸心壓力時(shí)的荷載主要由漿體部分承擔(dān)，界面過渡區(qū)影響較??；當(dāng)細(xì)骨料摻量為30%～40%時(shí)，界面過渡區(qū)影響增大；當(dāng)細(xì)骨料摻量為40%～55%時(shí)，堿激發(fā)砂漿承受軸心壓力時(shí)的荷載由漿體、界面相、骨料共同承擔(dān)。因此，彈性模量的變化規(guī)律進(jìn)一步說明，當(dāng)細(xì)骨料摻量為30%～40%時(shí)，細(xì)骨料在堿激發(fā)材料承載受力過程中起到較為明顯的作用，從而影響彈性模量數(shù)值，與抗壓強(qiáng)度的規(guī)律相一致。

圖5 細(xì)骨料摻量與堿激發(fā)砂漿彈性模量的關(guān)系Fig.5 Relationship between fine aggregate content and elastic modulus of alkali-activated mortar

2.3 堿激發(fā)礦渣/粉煤灰應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合與修正

應(yīng)力-應(yīng)變曲線所呈現(xiàn)的宏觀變化過程是研究混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件承載和變形的主要分析手段和依據(jù)。應(yīng)力-應(yīng)變曲線包括上升段和下降段兩個(gè)部分，是混凝土在不同受力階段的變形，如內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展、達(dá)到強(qiáng)度極值、峰值后的殘余應(yīng)力狀態(tài)、試樣表面的破碎和完全破壞等一系列變化過程的宏觀反應(yīng)。關(guān)于堿激發(fā)凈漿/砂漿的受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系目前還沒有統(tǒng)一的本構(gòu)模型，本研究嘗試參考經(jīng)典的混凝土本構(gòu)模型，令x=ε/ε0，y=σ/σ0， 其中σ、ε分別為應(yīng)力、應(yīng)變，σ0、ε0分別為曲線的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變。現(xiàn)有的應(yīng)力-應(yīng)變曲線方程表達(dá)式如表5所示。

表5 現(xiàn)有應(yīng)力-應(yīng)變曲線方程表達(dá)式[24]Table 5 Existing stress-strain curves equation[24]

2.3.1 受壓應(yīng)力-應(yīng)變上升段曲線方程

通過前人大量的實(shí)踐[25-26]發(fā)現(xiàn)，采用多項(xiàng)式的形式能夠較好地反映普通硅酸鹽水泥混凝土的受壓應(yīng)力-應(yīng)變過程，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，以堿激發(fā)凈漿/砂漿壓應(yīng)變?chǔ)排c其峰值壓應(yīng)變?chǔ)?之比為橫坐標(biāo)，以堿激發(fā)凈漿/砂漿壓應(yīng)力σ與其峰值壓應(yīng)力σ0之比為縱坐標(biāo)，堿激發(fā)礦渣/粉煤灰凈漿/砂漿上升段受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 堿激發(fā)凈漿/砂漿受壓應(yīng)力-應(yīng)變上升段擬合曲線Fig.6 Fitting curves of compressive stress-strain rising section of alkali-activated paste/mortar

從已提出的混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線表達(dá)式可知，分段式的方程符合應(yīng)力-應(yīng)變曲線的大部分幾何特點(diǎn)，能夠較為完整、準(zhǔn)確地?cái)M合試驗(yàn)曲線，反映混凝土的全部受力性能。過鎮(zhèn)海等[25]建議采用兩段式應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系方程，該方程對(duì)普通混凝土的擬合效果很好。此外，吳有明[24]、譚彬[26]也提出采用分段式的公式來擬合應(yīng)力-應(yīng)變曲線。本文分別采用過鎮(zhèn)海等[25]提出的擬合公式(見式(1))和吳有明[24]提出的擬合公式(見式(2))來進(jìn)行受壓上升段的擬合，擬合結(jié)果如表6所示。

表6 不同擬合公式擬合結(jié)果Table 6 Fitting results of different fitting formulas

過鎮(zhèn)海-修正單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系方程：

(1)

吳有明-修正單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系方程：

(2)

式(1)中E0為混凝土的初始切線彈性模量，GPa。公式中上升段參數(shù)aa表示混凝土原點(diǎn)切線模量和峰值割線模量的比值，下降段參數(shù)ad表示下降段曲線的陡峭程度，反映了混凝土的塑性。兩個(gè)參數(shù)能夠反映混凝土的一些重要特征，如變形模量(曲線斜率)的變化情況，延性和吸收能量(曲線與x軸所圍面積)的多少，因而能夠作為數(shù)量指標(biāo)來比較或者衡量不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的受力性能差異。如aa越小、ad越大，則曲線越陡，與x軸所圍面積越小，表明此材料塑性變形小，破壞過程較快，材質(zhì)較脆；反之，則材料變形較大，破壞緩慢，存在良好延性。

由表6可知擬合效果良好，過鎮(zhèn)海擬合公式得出的aa規(guī)律不明顯，而吳有明擬合公式得出的aa呈規(guī)律性變化，大多落在0.9≤aa≤1.4范圍內(nèi)，試驗(yàn)曲線與理論曲線比較接近。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果及擬合公式的擬合效果，本文建議采用吳有明的分段式方程對(duì)堿激發(fā)材料受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行描述，表達(dá)式為

(3)

由于試驗(yàn)測試無法測得應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段，此處僅假定堿激發(fā)材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段符合公式(3)。Rangan等[27]研究了堿激發(fā)粉煤灰混凝土在單軸壓縮作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系，證明了試驗(yàn)測得的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與Collins等[28]建立的高強(qiáng)混凝土模型近似，堿激發(fā)材料的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€是否可以借鑒普通混凝土的模型進(jìn)行修正，還有待進(jìn)一步研究。

2.3.2 受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€修正及結(jié)果討論

堿激發(fā)礦渣/粉煤灰凈漿/砂漿單軸受壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其修正曲線(實(shí)線)如圖7～圖12所示。修正曲線上升段與實(shí)測曲線基本重合，這反映了實(shí)驗(yàn)值與模擬值高度吻合。

表7 凈漿/砂漿靜力試驗(yàn)結(jié)果及修正系數(shù)計(jì)算表Table 7 Static test results and correction coefficient calculation table of paste/mortar

圖7、圖8顯示了礦渣摻量對(duì)堿激發(fā)礦渣/粉煤灰凈漿不同齡期應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響規(guī)律。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變上升段曲線可知，隨著礦渣摻量增加，曲線上升段的斜率增大，表明凈漿的彈性模量升高。與此同時(shí)凈漿的峰值應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)?shù)V渣摻量從50%增加至70%時(shí)，凈漿7 d峰值應(yīng)力增長44.29%，28 d峰值應(yīng)力增長29.98%，而當(dāng)?shù)V渣摻量從70%增加到100%時(shí)，7 d和28 d峰值應(yīng)力增長幅度不大。表明一定量礦渣的摻入對(duì)于早期強(qiáng)度的提高較為明顯。結(jié)合表7可知，當(dāng)?shù)V渣摻量由70%增至100%時(shí)，凈漿7 d峰值應(yīng)變提升了9.58%，28 d峰值應(yīng)變?cè)黾恿?8.29%。這是由于單位體積內(nèi)混凝土凝膠含量越多，其峰值應(yīng)變?cè)酱骩29]。當(dāng)?shù)V渣摻量增加時(shí)，體系水化反應(yīng)程度更高，水化產(chǎn)物含量增多。對(duì)于齡期而言，相同礦渣摻量下凈漿對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變隨著齡期的增長反而出現(xiàn)下降。由于養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長，試樣內(nèi)部收縮產(chǎn)生裂紋[30]，受壓時(shí)裂紋擴(kuò)展，其峰值應(yīng)變出現(xiàn)下降。峰值應(yīng)力后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)入下降段，隨著礦渣摻量的增加，下降段逐漸變陡，說明凈漿的脆性更加顯著。

圖7 齡期7 d時(shí)不同礦渣摻量凈漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves of paste with different slag content in 7 d

圖8 齡期28 d時(shí)不同礦渣摻量凈漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of paste with different slag content in 28 d

圖9、圖10顯示了礦渣摻量對(duì)堿激發(fā)礦渣/粉煤灰砂漿不同齡期應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響規(guī)律。由圖9(a)可以看到100%礦渣摻量的砂漿上升段初始階段較為平緩，有一個(gè)明顯的應(yīng)力增長臺(tái)階，這可能是材料內(nèi)部被壓實(shí)的過程。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變上升段曲線可知，7 d齡期時(shí)，隨著礦渣摻量的增加，峰值應(yīng)力增大，強(qiáng)度增強(qiáng)較為明顯，表明礦渣的摻入有利于提高堿激發(fā)砂漿的早期強(qiáng)度。隨著礦渣摻量的增加，試樣的峰值應(yīng)變有所增長，但幅度不大，說明礦渣摻量對(duì)堿激發(fā)砂漿的峰值應(yīng)變影響不大。在應(yīng)力-應(yīng)變下降段，隨著礦渣摻量增加，下降段變陡(參數(shù)ad變大)，說明材料破壞過程較快，材質(zhì)較脆，與凈漿規(guī)律一致。

圖9 齡期7 d時(shí)不同礦渣摻量砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.9 Stress-strain curves of mortar with different slag content in 7 d

圖10 齡期28 d時(shí)不同礦渣摻量砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.10 Stress-strain curves of mortar with different slag content in 28 d

結(jié)合圖7～圖10，并且根據(jù)表7中應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合結(jié)果可以看出，隨著細(xì)骨料的摻入，堿激發(fā)砂漿7 d和28 d受壓時(shí)彈性模量增大，峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變相對(duì)降低，下降段曲線變緩，破壞時(shí)延性較好。例如礦渣摻量為50%的凈漿(X0)摻入細(xì)骨料(X55)時(shí)，7 d和28 d的應(yīng)力-應(yīng)變上升段曲線斜率增大，對(duì)應(yīng)的7 d彈性模量從7.70 GPa增加到14.28 GPa，28 d彈性模量從12.83 GPa增加到18.72 GPa。而峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變相對(duì)降低，7 d和28 d的峰值應(yīng)力分別下降了20.38%和14.50%，峰值應(yīng)變分別下降了59.69%和46.55%。7 d和28 d的下降段曲線變緩，參數(shù)ad分別降低了24.06%和16.43%，說明堿激發(fā)砂漿破壞過程較慢，延性較好。

圖11、圖12顯示了細(xì)骨料摻量對(duì)堿激發(fā)礦渣/粉煤灰砂漿應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響規(guī)律?？梢钥闯觯S著細(xì)骨料摻量從10%增加到30%，堿激發(fā)砂漿7 d應(yīng)力-應(yīng)變上升段曲線斜率增大，砂漿彈性模量從7.68 GPa增加到9.09 GPa，峰值應(yīng)力從32.81 MPa增加到34.48 MPa。當(dāng)細(xì)骨料摻量從30%增加到40%時(shí)，7 d應(yīng)力-應(yīng)變上升段曲線斜率有所下降。當(dāng)細(xì)骨料摻量從10%增加到20%時(shí)，28 d的應(yīng)力-應(yīng)變上升段曲線斜率下降，20%細(xì)骨料摻量時(shí)曲線斜率最小，彈性模量為13.01 GPa。隨著細(xì)骨料摻量逐漸增加，堿激發(fā)砂漿28 d應(yīng)力-應(yīng)變上升段曲線斜率上升，說明彈性模量逐漸增加。而砂漿28 d的峰值應(yīng)力則隨著細(xì)骨料摻量增加而減小。當(dāng)摻量從30%增加到40%時(shí)，堿激發(fā)砂漿7 d峰值應(yīng)力下降幅度最大，達(dá)到了15.60%，28 d的峰值應(yīng)力下降了6.99%，峰值應(yīng)變也有所下降，7 d和28 d的峰值應(yīng)變分別降低了16.04%和3.63%。由于砂漿界面過渡區(qū)力學(xué)性能較弱，受壓容易產(chǎn)生裂紋。隨著壓應(yīng)力不斷增大，微裂紋逐漸變大且連通，隨后表現(xiàn)為破壞開裂，應(yīng)力出現(xiàn)驟降。隨著細(xì)骨料摻量增多，單位體積砂漿的膠凝材料含量相對(duì)減少，峰值應(yīng)變減小。齡期增加，應(yīng)力-應(yīng)變下降段曲線變陡(參數(shù)ad增大)，表明砂漿后期變形能力較差，呈現(xiàn)出更顯著的脆性破壞。

圖11 齡期7 d時(shí)不同細(xì)骨料摻量砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.11 Stress-strain curves of mortar with different fine aggregate content in 7 d

圖12 齡期28 d時(shí)不同細(xì)骨料摻量砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.12 Stress-strain curves of mortar with different fine aggregate content in 28 d

3 結(jié) 論

(1)礦渣摻量增加有利于提高堿激發(fā)礦渣/粉煤灰凈漿/砂漿的力學(xué)強(qiáng)度，對(duì)堿激發(fā)礦渣/粉煤灰砂漿峰值應(yīng)變影響不大。

(2)隨著細(xì)骨料摻量增加，堿激發(fā)礦渣/粉煤灰砂漿28 d的抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)力逐漸降低，但彈性模量有所增大，在18.72～23.10 GPa之間，砂漿彈性模量相對(duì)凈漿更高。

(3)基于水泥混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線表達(dá)式，建立了堿激發(fā)礦渣/粉煤灰凈漿/砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程，擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。根據(jù)擬合結(jié)果，當(dāng)?shù)V渣摻量增加時(shí)，凈漿/砂漿應(yīng)力-應(yīng)變下降段曲線變陡(參數(shù)ad增大)，表明材料的脆性增強(qiáng)。