水玻璃摻量對堿激發礦渣-不銹鋼渣水泥抗裂性能的影響

張華,王本俊,傅大寶,季韜

(1.福州市規劃設計研究院集團有限公司,福建 福州 350108;2.福州大學土木工程學院,福建 福州 350108)

堿激發水泥作為一種環保材料在水泥工業的減碳中發揮著重要作用。堿激發膠凝材料常用的激發劑是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度和抗壓強度隨著堿摻量的增加而增加。水玻璃中的二氧化硅對反應有延緩作用,有利于形成更致密的水化產物和提高后期強度[3]。然而,水玻璃所制備的堿礦渣水泥具有凝結時間快和成本高等缺點[4],這導致其無法在實際工程中大量應用。Wang等[5]研究發現,采用CaO+Na2CO3復合激發礦渣,可使堿礦渣水泥的水化程度增大,并且孔隙結構更加優化,但其抗壓強度低于水玻璃激發的堿礦渣水泥。采用CaO+Na2CO3+水玻璃復合激發劑,可延長堿礦渣水泥的凝結時間,降低成本,預期能提高堿礦渣水泥的力學性能。Hu等[6]使用環形約束裝置研究了礦渣對混凝土抗裂性能的影響,研究發現摻入礦渣使混凝土的干燥收縮增大,開裂應變增加,抗裂性能降低。然而,采用CaO+Na2CO3+水玻璃作為復合激發劑,研究水玻璃摻量(水玻璃中的Na2O/堿激發水泥,堿激發水泥由不銹鋼渣+礦渣+CaO+Na2CO3+水玻璃中的固體組分組成)對堿礦渣-不銹鋼渣水泥抗裂性能的影響未見報道。

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

1 試驗部分

1.1 原材料

1)前驅體:礦渣由鞏義市龍澤凈水材料有限公司生產,S95級別。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,使用行星式球磨機將不銹鋼渣粗顆粒球磨45 min,取粒徑小于75 μm的磨細粉末進行試驗,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成分見表1。

表1 礦渣和不銹鋼渣的主要化學成分

2)細骨料:采用廈門艾思歐標準砂有限公司生產的ISO標準砂,其性能指標為150～178 μm,SiO2質量分數≥98%,燒失量<0.4%,含泥量<0.18%。

3)激發劑:采用汕頭西隴科學股份有限公司提供的分析純級別Na2CO3、CaO和NaOH(水玻璃調模時使用),山東優索化工科技有限公司提供的模數為3.3的水玻璃原液,用NaOH將其模數調至1.5,固含量為38.84%,采用調模后的水玻璃。

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

1.2 配合比設計

各試驗組命名為“CN4WX-Y”,其中“CN4”表示固定CaO+Na2CO3的堿摻量為4.0%(即CaO+Na2CO3反應后生成的Na2O與ASL質量比,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%(按質量比計,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),按質量比計),此處固定為30%。以礦渣和不銹鋼渣為前驅體,CaO+Na2CO3+水玻璃為復合激發劑,設計水灰比為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 試驗方法

1)環形部分約束裝置。

采用環形部分約束裝置(圖1)進行內鋼環應變的測試,測試數據采用應變采集箱收集。

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

3)參照規范ASTM C496/C496M-17《圓柱形混凝土試件劈裂拉伸強度標準測試法》進行劈裂抗拉強度的測試,測試齡期為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。每個試驗組均制作3個試件進行測試,試件尺寸為直徑100 mm、高度為200 mm的圓柱形試件。

1.4 抗裂性能評價方法

Ji等[7]的研究結果表明:計算開裂系數ζt(t)和抗裂性能評價指標Acr(t)可以表征水泥的抗裂性能,計算方法分別如式(1)和式(2)所示:

(1)

式中:ζt(t)為開裂系數;σm(t)為齡期t時ASL的環向拉應力,計算方法如式(3)、式(4)和式(5)[8-9];fsp(t)為齡期t時ASL的劈裂抗拉強度。

Acr(t)=ζt(t)dt

(2)

式中:Acr(t)為抗裂性能評價指標。

σm(t)=[-εst(t)]·Est·C1C2

(3)

式中:εst為內鋼環應變;Est為內鋼環的彈性模量(193 GPa);C1與C2分別為與鋼環和砂漿環本身有關的幾何常數。

(4)

式中:Ris和Ros分別為鋼環的內外半徑,Ris=58 mm,Ros=60 mm。

(5)

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

參照文獻[10]對相應齡期ASL的劈裂抗拉強度fsp(t)進行擬合,擬合公式如式(6)和式(7):

(6)

式中:βm(t)為砂漿在齡期t時的力學性能發展系數;c為與水泥類型有關的系數。

(7)

式中:fsp(t)為ASL的劈裂抗拉強度;βm(t)為砂漿在齡期t時的力學性能發展系數。

采用ASL在齡期3 d和28 d的劈裂抗拉強度計算βm(3),如式(8):

(8)

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

2 結果與分析

2.1 抗壓強度和抗折強度

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

組別

2.2 劈裂抗拉強度

圖3(a)為不同水玻璃摻量下ASL的劈裂抗拉強度fsp。由該圖可見,劈裂抗拉強度的發展規律與抗壓及抗折強度的規律一致,在每個養護齡期內,ASL的3、7、14、28 d的劈裂抗拉強度均隨著水玻璃摻量的增加呈現先降低后升高的趨勢。在復合激發劑中水玻璃的摻量為0.5%及更大時,隨著水玻璃摻量的升高,ASL的劈裂抗拉強度增加。相對于未摻水玻璃的CN4W0-30組,28 d齡期時,CN4W0.5-30組劈裂抗拉強度降低了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)對復合激發劑中不同水玻璃摻量下ASL的劈裂抗拉強度進行擬合,擬合結果如圖3(b)所示。由圖3(b)可得,擬合結果與實際值吻合較好。

組別

2.3 內鋼環應變

圖4為水玻璃摻量對ASL內鋼環應變εst的影響。由圖4可見,隨著水玻璃摻量的增加,內鋼環應變突變值先減小后增大,各組內鋼環應變突變值大小(取絕對值)關系為: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),各試驗組內鋼環應變出現突變的時間為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 環向拉應力

根據式(3)計算ASL的環向拉應力σm,計算結果見圖5。此處不考慮內鋼環應變值突變后計算得到的環向拉應力。由圖5可得,隨著復合激發劑中水玻璃摻量的增加,環向拉應力先下降后上升,水玻璃的摻量越大,環向拉應力極限值出現的時間越短,極限值越大。各組環向拉應力極限值的大小及出現時間為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的環向拉應力極限值相近,出現極限值的時間前者比后者提前1 d。

t/d

2.5 抗裂性能

與普通硅酸鹽水泥相比,堿激發水泥具有較大的收縮[11-12],當環向拉應力大于其抗拉強度時[13],ASL開裂。結合圖3(b)擬合劈裂抗拉強度,利用式(1)計算不同水玻璃摻量下ASL的開裂系數ζt(t),計算結果見圖6。由圖6可知,ASL的開裂系數曲線在14 d內發生突變,這說明產生了開裂現象;各試驗組開裂系數均會突然下降,但并沒有下降到0,這說明ASL已經出現裂縫,但并沒有形成貫通裂縫,此時還能承受部分環向拉應力。由圖6可知,開裂系數曲線出現突降的時間隨著水玻璃摻量的增大先增加后減小;當水玻璃摻量為0.5%時,突降時對應的時間最長。開裂時間越長,ASL的抗裂性能就越好。

t/d

表3為不同水玻璃摻量下ASL的抗裂性能評價指標。已有的研究結果表明[7],當開裂系數曲線有下降段時,抗裂性能評價指標值越大,抗裂性能越好。由表3可得,水玻璃摻量為0.5%時的Acr(t)最大,這主要是由于Na2CO3在水玻璃和NaOH同時存在的溶液中,同離子效應會導致其溶解度會降低,并生成Na2CO3·10H2O[14],這降低了體系內的pH值,抑制了反應速率,水化產物減少,強度降低,ASL的內部相對濕度增大,毛細管壓力降低,自收縮減小[15],這使得開裂風險降低,抗裂性能提升。當復合激發劑中水玻璃摻量大于0.5%時,水玻璃摻量的增加會導致堿溶液的pH值增大,反應程度增大,C-A-S-H凝膠量等水化產物增多[16-18],強度增大,ASL的內部相對濕度減小,毛細管壓力增大,自收縮增大[15],這導致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,ASL抗裂性能最好。

表3 不同水玻璃摻量下ASL的抗裂性能評價指標

3 結論

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

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,由于抗裂性能評價指標Acr(t)最大,即ASL的抗裂性能最好。