水玻璃摻量對(duì)堿激發(fā)礦渣-不銹鋼渣水泥抗裂性能的影響

張華,王本俊,傅大寶,季韜

(1.福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司,福建 福州 350108;2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院,福建 福州 350108)

堿激發(fā)水泥作為一種環(huán)保材料在水泥工業(yè)的減碳中發(fā)揮著重要作用。堿激發(fā)膠凝材料常用的激發(fā)劑是NaOH和水玻璃[1],Chi[2]采用堿摻量為4%、5%、6%的水玻璃激發(fā)礦渣制備堿礦渣混凝土,研究表明,堿礦渣混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨著堿摻量的增加而增加。水玻璃中的二氧化硅對(duì)反應(yīng)有延緩作用,有利于形成更致密的水化產(chǎn)物和提高后期強(qiáng)度[3]。然而,水玻璃所制備的堿礦渣水泥具有凝結(jié)時(shí)間快和成本高等缺點(diǎn)[4],這導(dǎo)致其無法在實(shí)際工程中大量應(yīng)用。Wang等[5]研究發(fā)現(xiàn),采用CaO+Na2CO3復(fù)合激發(fā)礦渣,可使堿礦渣水泥的水化程度增大,并且孔隙結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化,但其抗壓強(qiáng)度低于水玻璃激發(fā)的堿礦渣水泥。采用CaO+Na2CO3+水玻璃復(fù)合激發(fā)劑,可延長(zhǎng)堿礦渣水泥的凝結(jié)時(shí)間,降低成本,預(yù)期能提高堿礦渣水泥的力學(xué)性能。Hu等[6]使用環(huán)形約束裝置研究了礦渣對(duì)混凝土抗裂性能的影響,研究發(fā)現(xiàn)摻入礦渣使混凝土的干燥收縮增大,開裂應(yīng)變?cè)黾?抗裂性能降低。然而,采用CaO+Na2CO3+水玻璃作為復(fù)合激發(fā)劑,研究水玻璃摻量(水玻璃中的Na2O/堿激發(fā)水泥,堿激發(fā)水泥由不銹鋼渣+礦渣+CaO+Na2CO3+水玻璃中的固體組分組成)對(duì)堿礦渣-不銹鋼渣水泥抗裂性能的影響未見報(bào)道。

本文采用CaO+Na2CO3+水玻璃作為激發(fā)劑制備堿礦渣-不銹鋼渣水泥(alkali-activated slag-stainless steel slag cement,ASL),使用環(huán)形部分約束裝置來研究水玻璃摻量對(duì)ASL抗裂性能的影響,研究成果可為ASL的實(shí)際應(yīng)用提供支持。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

1)前驅(qū)體:礦渣由鞏義市龍澤凈水材料有限公司生產(chǎn),S95級(jí)別。采用福建吳航不銹鋼制品有限公司提供的不銹鋼渣粗顆粒,使用行星式球磨機(jī)將不銹鋼渣粗顆粒球磨45 min,取粒徑小于75 μm的磨細(xì)粉末進(jìn)行試驗(yàn),符合GB/T 20491-2017《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》的要求。礦渣和不銹鋼渣的主要化學(xué)成分見表1。

表1 礦渣和不銹鋼渣的主要化學(xué)成分

2)細(xì)骨料:采用廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂,其性能指標(biāo)為150～178 μm,SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%,燒失量<0.4%,含泥量<0.18%。

3)激發(fā)劑:采用汕頭西隴科學(xué)股份有限公司提供的分析純級(jí)別Na2CO3、CaO和NaOH(水玻璃調(diào)模時(shí)使用),山東優(yōu)索化工科技有限公司提供的模數(shù)為3.3的水玻璃原液,用NaOH將其模數(shù)調(diào)至1.5,固含量為38.84%,采用調(diào)模后的水玻璃。

4)拌和用水:采用市政自來水,滿足JGJ 63-2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

各試驗(yàn)組命名為“CN4WX-Y”,其中“CN4”表示固定CaO+Na2CO3的堿摻量為4.0%(即CaO+Na2CO3反應(yīng)后生成的Na2O與ASL質(zhì)量比,ASL由礦渣+不銹鋼渣+CaO+Na2CO3+水玻璃中的固含量組成),“W”表示水玻璃,“X”表示水玻璃摻量為0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%(按質(zhì)量比計(jì),水玻璃中的Na2O與ASL之比),“Y”表示不銹鋼渣摻量(即不銹鋼渣/(礦渣+不銹鋼渣),按質(zhì)量比計(jì)),此處固定為30%。以礦渣和不銹鋼渣為前驅(qū)體,CaO+Na2CO3+水玻璃為復(fù)合激發(fā)劑,設(shè)計(jì)水灰比為0.45(水是由水玻璃中的水和外加水組成),膠砂比為1：2,具體配合比見表2。

表2 ASL的配合比

1.3 試驗(yàn)方法

1)環(huán)形部分約束裝置。

采用環(huán)形部分約束裝置(圖1)進(jìn)行內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變的測(cè)試,測(cè)試數(shù)據(jù)采用應(yīng)變采集箱收集。

2)參照GB/T 17671-2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》,尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的試件進(jìn)行抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度測(cè)試,測(cè)試齡期為3、7、14、28 d,每個(gè)試驗(yàn)組均制備3個(gè)試件用于抗折強(qiáng)度測(cè)試,取抗折強(qiáng)度試驗(yàn)斷裂后的6個(gè)試塊做抗壓強(qiáng)度測(cè)試,測(cè)試結(jié)果取平均值。

3)參照規(guī)范ASTM C496/C496M-17《圓柱形混凝土試件劈裂拉伸強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試法》進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度的測(cè)試,測(cè)試齡期為3、7、14、28 d,加載速率為0.05 MPa·s-1,載荷速度為1.57 kN·s-1,直至試件劈裂破壞。每個(gè)試驗(yàn)組均制作3個(gè)試件進(jìn)行測(cè)試,試件尺寸為直徑100 mm、高度為200 mm的圓柱形試件。

1.4 抗裂性能評(píng)價(jià)方法

Ji等[7]的研究結(jié)果表明:計(jì)算開裂系數(shù)ζt(t)和抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)Acr(t)可以表征水泥的抗裂性能,計(jì)算方法分別如式(1)和式(2)所示:

(1)

式中:ζt(t)為開裂系數(shù);σm(t)為齡期t時(shí)ASL的環(huán)向拉應(yīng)力,計(jì)算方法如式(3)、式(4)和式(5)[8-9];fsp(t)為齡期t時(shí)ASL的劈裂抗拉強(qiáng)度。

Acr(t)=ζt(t)dt

(2)

式中:Acr(t)為抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

σm(t)=[-εst(t)]·Est·C1C2

(3)

式中:εst為內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變;Est為內(nèi)鋼環(huán)的彈性模量(193 GPa);C1與C2分別為與鋼環(huán)和砂漿環(huán)本身有關(guān)的幾何常數(shù)。

(4)

式中:Ris和Ros分別為鋼環(huán)的內(nèi)外半徑,Ris=58 mm,Ros=60 mm。

(5)

式中:Rom為砂漿環(huán)的外半徑,Rom=90 mm;Ros為鋼環(huán)的外半徑,Ros=60 mm。

參照文獻(xiàn)[10]對(duì)相應(yīng)齡期ASL的劈裂抗拉強(qiáng)度fsp(t)進(jìn)行擬合,擬合公式如式(6)和式(7):

(6)

式中:βm(t)為砂漿在齡期t時(shí)的力學(xué)性能發(fā)展系數(shù);c為與水泥類型有關(guān)的系數(shù)。

(7)

式中:fsp(t)為ASL的劈裂抗拉強(qiáng)度;βm(t)為砂漿在齡期t時(shí)的力學(xué)性能發(fā)展系數(shù)。

采用ASL在齡期3 d和28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算βm(3),如式(8):

(8)

將βm(3)代入式(6)中計(jì)算c,由式(7)計(jì)算得到所需齡期的擬合劈裂抗拉強(qiáng)度fsp(t),最后分別使用式(1)和式(2)計(jì)算ζt(t)、Acr(t)。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度

圖2為水玻璃摻量對(duì)ASL抗壓強(qiáng)度Rc和抗折強(qiáng)度Rf的影響。由圖2可見,隨著水玻璃摻量的增加,ASL的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度在各齡期均先減小后增大。水玻璃摻量為0.5%時(shí),抗壓和抗折強(qiáng)度均最低;水玻璃摻量為2.0%時(shí),抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均最大。相比于水玻璃摻量為0%時(shí),28 d的抗壓強(qiáng)度提升了16.24%,28 d的抗折強(qiáng)度提高了4%。

組別

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

圖3(a)為不同水玻璃摻量下ASL的劈裂抗拉強(qiáng)度fsp。由該圖可見,劈裂抗拉強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律與抗壓及抗折強(qiáng)度的規(guī)律一致,在每個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi),ASL的3、7、14、28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著水玻璃摻量的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。在復(fù)合激發(fā)劑中水玻璃的摻量為0.5%及更大時(shí),隨著水玻璃摻量的升高,ASL的劈裂抗拉強(qiáng)度增加。相對(duì)于未摻水玻璃的CN4W0-30組,28 d齡期時(shí),CN4W0.5-30組劈裂抗拉強(qiáng)度降低了9.5%,CN4W1.0-30組降低了5%,CN4W1.5-30組提高了14%,CN4W2.0-30提高了24%。采用式(6)和式(7)對(duì)復(fù)合激發(fā)劑中不同水玻璃摻量下ASL的劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果如圖3(b)所示。由圖3(b)可得,擬合結(jié)果與實(shí)際值吻合較好。

組別

2.3 內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變

圖4為水玻璃摻量對(duì)ASL內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變?chǔ)舠t的影響。由圖4可見,隨著水玻璃摻量的增加,內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變突變值先減小后增大,各組內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變突變值大小(取絕對(duì)值)關(guān)系為:CN4W2.0-30(80.66 με)>CN4W1.5-30(76.20 με)>CN4W0-30(76.06 με)>CN4W1.0-30(71.88 με)>CN4W0.5-30(59.45 με),各試驗(yàn)組內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變出現(xiàn)突變的時(shí)間為CN4W0.5-30(11 d)>CN4W1.0-30(9 d)>CN4W0-30(8 d)>CN4W1.5-30(7 d)>CN4W2.0-30(6 d)。

t/d

2.4 環(huán)向拉應(yīng)力

根據(jù)式(3)計(jì)算ASL的環(huán)向拉應(yīng)力σm,計(jì)算結(jié)果見圖5。此處不考慮內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變值突變后計(jì)算得到的環(huán)向拉應(yīng)力。由圖5可得,隨著復(fù)合激發(fā)劑中水玻璃摻量的增加,環(huán)向拉應(yīng)力先下降后上升,水玻璃的摻量越大,環(huán)向拉應(yīng)力極限值出現(xiàn)的時(shí)間越短,極限值越大。各組環(huán)向拉應(yīng)力極限值的大小及出現(xiàn)時(shí)間為CN4W0-30(1.361 MPa,8 d)、CN4W0.5-30(1.064 MPa,11 d)、CN4W1.0-30(1.286 MPa,9 d)、CN4W1.5-30(1.364 MPa,7 d)、CN4W2.0-30(1.444 MPa,6 d)。CN4W1.5-30和CN4W0-30的環(huán)向拉應(yīng)力極限值相近,出現(xiàn)極限值的時(shí)間前者比后者提前1 d。

t/d

2.5 抗裂性能

與普通硅酸鹽水泥相比,堿激發(fā)水泥具有較大的收縮[11-12],當(dāng)環(huán)向拉應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度時(shí)[13],ASL開裂。結(jié)合圖3(b)擬合劈裂抗拉強(qiáng)度,利用式(1)計(jì)算不同水玻璃摻量下ASL的開裂系數(shù)ζt(t),計(jì)算結(jié)果見圖6。由圖6可知,ASL的開裂系數(shù)曲線在14 d內(nèi)發(fā)生突變,這說明產(chǎn)生了開裂現(xiàn)象;各試驗(yàn)組開裂系數(shù)均會(huì)突然下降,但并沒有下降到0,這說明ASL已經(jīng)出現(xiàn)裂縫,但并沒有形成貫通裂縫,此時(shí)還能承受部分環(huán)向拉應(yīng)力。由圖6可知,開裂系數(shù)曲線出現(xiàn)突降的時(shí)間隨著水玻璃摻量的增大先增加后減小;當(dāng)水玻璃摻量為0.5%時(shí),突降時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間最長(zhǎng)。開裂時(shí)間越長(zhǎng),ASL的抗裂性能就越好。

t/d

表3為不同水玻璃摻量下ASL的抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。已有的研究結(jié)果表明[7],當(dāng)開裂系數(shù)曲線有下降段時(shí),抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)值越大,抗裂性能越好。由表3可得,水玻璃摻量為0.5%時(shí)的Acr(t)最大,這主要是由于Na2CO3在水玻璃和NaOH同時(shí)存在的溶液中,同離子效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致其溶解度會(huì)降低,并生成Na2CO3·10H2O[14],這降低了體系內(nèi)的pH值,抑制了反應(yīng)速率,水化產(chǎn)物減少,強(qiáng)度降低,ASL的內(nèi)部相對(duì)濕度增大,毛細(xì)管壓力降低,自收縮減小[15],這使得開裂風(fēng)險(xiǎn)降低,抗裂性能提升。當(dāng)復(fù)合激發(fā)劑中水玻璃摻量大于0.5%時(shí),水玻璃摻量的增加會(huì)導(dǎo)致堿溶液的pH值增大,反應(yīng)程度增大,C-A-S-H凝膠量等水化產(chǎn)物增多[16-18],強(qiáng)度增大,ASL的內(nèi)部相對(duì)濕度減小,毛細(xì)管壓力增大,自收縮增大[15],這導(dǎo)致ASL抗裂性能降低。因此,隨著水玻璃摻量增大,ASL的抗裂性能先變好后變差;水玻璃摻量為0.5%時(shí),ASL抗裂性能最好。

表3 不同水玻璃摻量下ASL的抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

3 結(jié)論

1)隨著水玻璃摻量的增加,堿礦渣-不銹鋼渣水泥(ASL)砂漿的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均先下降后上升,水玻璃摻量為0.5%時(shí),由于少量水玻璃會(huì)抑制反應(yīng)速率,其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均最低。

2)隨著水玻璃摻量增大,ASL的抗裂性能先變好后變差;水玻璃摻量為0.5%時(shí),由于抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)Acr(t)最大,即ASL的抗裂性能最好。