Ca(OH)2-Na2CO3激发矿渣-粉煤灰混凝土的抗裂性能分析

王本俊，季韬，赵鹏，吴毅峰，梁咏宁

(1.福州大学土木工程学院，福建 福州 350108；2.福建省禹澄建设工程有限公司，福建 漳州 363105)

0 引言

硅酸盐水泥是混凝土中常用的胶凝材料，但其生产导致的碳排放量较大.碱激发水泥能够处理和利用工业废渣，是一种环保型的“绿色水泥”[1-3].

已有的研究表明，氢氧化钠或硅酸钠作为激发剂制备的碱矿渣水泥比普通硅酸盐水泥的自收缩更高，且水化产物中缺少晶体物质，使内部应力过大[4-5]，从而导致混凝土的开裂[6].Neto等[7]采用Ca(OH)2和Ca(OH)2+Na2SO4分别作为激发剂制备碱激发水泥，发现Ca(OH)2+Na2SO4组的孔结构分布更优，Ca2+对碱矿渣水泥的力学性能、工作性及收缩变形均有较大影响.Zhu等[8]发现Ca(OH)2的掺入增加了碱矿渣混凝土的塑性收缩，但是其自收缩和干燥收缩均减小.Aydin等[9]和Gao等[10]均发现采用钙含量高的前驱体可以改善碱矿渣水泥混凝土的收缩性能.辛东升[11]分别采用了Ca(OH)2+Na2CO3和NaOH两种激发剂激发矿渣制成砂浆，发现在激发剂掺量为5%(特殊说明外，文中均为质量分数)时，Ca(OH)2+Na2CO3的自收缩比NaOH组小.然而，以Ca(OH)2+Na2CO3作为激发剂，研究其碱当量对碱矿渣-粉煤灰混凝土抗裂性能的影响鲜有报道.

在碱矿渣混凝土中加入适量的粉煤灰，可以提高碱矿渣混凝土的流动性，减小收缩，降低开裂风险[12].张迪等[13]研究发现掺入20%的粉煤灰可以提高混凝土的后期强度和早期抗裂性能.吕游[14]在等抗压强度条件下，测试了高强粉煤灰混凝土的抗裂性能，试验结果表明，掺加50%粉煤灰的混凝土比纯水泥的抗裂性能更优.因此，适量粉煤灰的加入可能对碱矿渣混凝土的抗裂性能有一定程度的改善.然而目前尚未发现Ca(OH)2+Na2CO3的碱当量和粉煤灰掺量对碱矿渣-粉煤灰混凝土(alkali-activated slag-fly ash concrete,ASFC)抗裂性能影响的研究.

基于此，采用Ca(OH)2+Na2CO3作为激发剂制备ASFC，使用圆环约束法来探究碱当量(Ca(OH)2和Na2CO3反应生成的Na2O与(矿渣+粉煤灰)的质量比)和粉煤灰掺量(粉煤灰与(矿渣+粉煤灰)的质量比)对ASFC抗裂性能的影响，为ASFC的实际应用提供部分数据支持.

1 试验方法

1.1 原材料

1) 前驱体.矿渣来自福建省龙海市旭诚建材有限公司，S95级别.粉煤灰为 F类Ⅱ级粉煤灰，来自福建省新能型建材有限责任公司，符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰(GB/T 1596—2017)》[15]的要求，主要化学成分(质量分数)见表1.

表1 矿渣和粉煤灰的主要化学成分

2) 粗骨料.采用普通碎石作为混凝土粗骨料，其表观密度和堆积密度分别为2 660、1 532 kg·m-3，孔隙率和吸水率分别为42.4%、0.2%.

3) 细骨料.采用机制砂作为混凝土的细骨料，其细度模数为2.8，堆积密度为1 590 kg·m-3，含泥量为0.5%，石粉含量为7.9%，单级压碎指标为16%.

4) 激发剂.采用西陇科学股份有限公司提供的分析纯Na2CO3和Ca(OH)2作为激发剂.

5) 减水剂.采用山东优索化工科技有限公司生产的FDN-C型萘系高效减水剂.

1.2 配合比设计

固定碱当量为8%，研究粉煤灰掺量为0%、20%和40%(分别记为A8-0、A8-0.2和A8-0.4)对ASFC抗裂性能的影响；固定粉煤灰掺量为20%，研究碱当量为4%、6%、8%和10%(分别记为A4-0.2、A6-0.2、A8-0.2和A10-0.2)对ASFC抗裂性能的影响.设计水胶比为0.5，胶砂比为0.6，减水剂的掺量(减水剂与(矿渣+粉煤灰+Ca(OH)2+Na2CO3)的质量比)为1.8%.具体配合比见表2.

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

1.3 试验方法

1) 圆环约束法.使用圆环约束装置来采集在钢环约束状态下ASFC的应变，在内钢环内侧高度约1/2处设置应变片1，在应变采集点1的正对面180°处设置应变片2.浇筑ASFC前，将内钢环外侧、外钢环内侧和底板刷油，方便脱模，调整内钢环与外钢环的间距为40 mm，最后用螺栓将外钢环进行连接，每组制备两个圆环试件用于测量，测量结果取二者平均数.圆环约束装置示意图见图1，图1(b)中RIS代表钢环内半径，ROS代表钢环外半径，ROC代表混凝土环外半径，H代表混凝土环高度..

图1 圆环约束装置示意图Fig.1 Schematic diagram of circular shrinkage device

2) 参照规范《混凝土物理力学性能试验方法标准(GB/T 50081—2019)》的规定[16]测量劈裂抗拉强度，每组制备3个试件用于测试，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm.

1.4 抗裂性能评价方法

Ji等[17]提出混凝土的抗裂性能主要通过开裂系数ζt(t)和抗裂性能评价指标Acr(t)进行表征，表达式如下：

(1)

(2)

式中：σm(t)为龄期t时混凝土所受的环向拉应力[18]，可由下式计算：

(3)

式中：σs(t)为内钢环在龄期t时所受到的环向拉应力；Est为内钢环的弹性模量(195 GPa)；hst为内钢环厚度(5 mm)；hm为混凝土环厚度(40 mm)；εst(t)为内钢环应变.

式(1)、(2)中：fts(t)为混凝土的劈裂抗拉强度，按照欧洲规范《CEB-FIP Model Code 1990》[19]对任一龄期混凝土的劈裂抗拉强度进行拟合：

fts(t)=βCT(t)fts(28)

(4)

(5)

式中：βCT(t)为劈裂抗拉强度的发展系数；cT为劈裂抗拉强度常系数；t为龄期，d.

采用已测得的3和28 d的劈裂抗拉强度按下式来计算发展系数：

(6)

将式(6)中计算得到的βCT(3)代入式(5)中求得cT，由公式(4)得到任意龄期的劈裂抗拉强度，进而计算开裂系数ζt(t)和抗裂性能评价指标Acr(t).

2 试验结果及分析

2.1 抗压强度

图2为碱当量及粉煤灰掺量对ASFC抗压强度(fc)的影响.由图2(a)可见，随着碱当量的增加，各龄期的抗压强度先增大后减小，这与郑登登等[20]的研究结果相似，且碱当量为8%时的抗压强度最大.由图2(b)可见，随着粉煤灰掺量的增加，3 d时ASFC的抗压强度随之减小，7、14和28 d的抗压强度先增大后减小，粉煤灰掺量为20%时的抗压强度最大.

图2 碱当量及粉煤灰掺量对ASFC抗压强度的影响Fig.2 Effect of alkali equivalent and fly ash content on compressive strength of ASFC

2.2 劈裂抗拉强度

图3为碱当量及粉煤灰掺量对ASFC劈裂抗拉强度(fts)的影响规律.由图3(a)可见，随着碱当量的增加，ASFC的反应速率提高，C-(A)-S-H凝胶的生成量增多，且复合激发剂反应生成的CaCO3引起的晶核效应会加速形成C-(A)-S-H凝胶从而使强度提高[21]，同时 CaCO3的填充作用还可以降低孔隙率[22]，龄期为3 d时，劈裂抗拉强度随着碱当量的增大而增大；而龄期为7、14和28 d的劈裂抗拉强度先增大后减小，碱当量为8%时强度最高.但碱当量过大会导致体系的碱度较高，造成ASFC的水化速度加快，收缩增大，而较高的收缩可能会导致砂浆的基体出现微裂纹[23]，从而使得A10-0.2的劈裂抗拉强度降低.

图3 碱当量及粉煤灰掺量对ASFC劈裂抗拉强度的影响Fig.3 Effect of alkali equivalent and fly ash content on splitting tensile strength of ASFC

由图3(b)可见，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土3 d的劈裂抗拉强度减小，7、14和28 d的劈裂抗拉强度均呈现先增大后减小的规律，粉煤灰掺量为20%的劈裂抗拉强度均最大，这是因为粉煤灰颗粒嵌入到硬化水泥浆体中发挥填充效应，使得基体更加密实[24].进一步提高粉煤灰的掺量(40%)，发现其劈裂抗拉强度下降明显.这一方面是因为微观结构和主要反应产物从致密的C-(A)-S-H凝胶转变为多孔的N-A-S-H凝胶[25]，另一方面是因为粉煤灰的反应活性比矿渣低，掺量较大时生成的水化产物C-(A)-S-H凝胶的量减少[26]，导致劈裂抗拉强度降低.

2.3 内钢环应变

在圆环约束试验当中，假设混凝土的应变与钢环的应变是相等的，内钢环应变是混凝土在各种应变共同作用下的宏观变形，主要包括混凝土自身的收缩、弹性应变和在约束作用下的拉伸徐变，以上3种变形叠加或者抵消后通过钢环应变表现出来.

图4为碱当量及粉煤灰掺量对ASFC内钢环应变的影响规律.由图4(a)可见，碱当量为4%和6%时，碱当量的增加对内钢环应变的影响不大；碱当量为8%和10%时，内钢环应变随着碱当量的增加而显著增大，高碱当量会显著加剧ASFC内部的水化反应，水化反应消耗的水增多，导致混凝土内部相对湿度降低，自收缩增大[27]，宏观表现为内钢环应变增大.由图4(b)可见，粉煤灰掺量为20%时，内钢环应变明显减小，说明ASFC的外部荷载作用力减小，从而使得内钢环应变减小.继续增大粉煤灰掺量至40%，内钢环应变降幅不大.

图4 碱当量及粉煤灰掺量对ASFC内钢环应变的影响Fig.4 Effect of alkali equivalent and fly ash content on interrior steel ring strain of ASFC

2.4 环向拉应力

图5为碱当量及粉煤灰掺量对ASFC环向拉应力的影响规律.由图5(a)可见，碱当量在4%和6%时，ASFC的环向拉应力大小近似相等；碱当量为8%和10%时，ASFC的环向拉应力明显增大.由图5(b)可见，粉煤灰掺量为20%时，ASFC的环向拉应力明显减小；继续增大粉煤灰掺量至40%时，ASFC的环向拉应力降幅不大.图5中的环向拉应力均未发现垂直下降的突变段且随着龄期的增加而持续增大，这说明在28 d的龄期内，ASFC并没有完全开裂.

图5 碱当量及粉煤灰掺量对ASFC环向拉应力的影响Fig.5 Effect of alkali equivalent and fly ash content on circumferential tensile stress of ASFC

2.5 抗裂性能

图6为碱当量及粉煤灰掺量对ASFC开裂系数的影响规律.由图6(a)可见，碱当量为4%和6%时，ASFC的开裂系数曲线近似重合；碱当量为8%和10%时，ASFC的开裂系数随之增大.混凝土的开裂系数仅存在上升段时，抗裂性能评价指标越小，抗裂性能越好[28].从表3中ASFC 28 d的抗裂性能评价指标可以看出，抗裂性能评价指标A10-0.2>A8-0.2>A6-0.2≈A4-0.2，激发剂用量的增加会导致体系水化程度的加剧，从而导致孔隙率降低，自收缩增大[29]，ASFC内部的环向拉应力增大(图5(a))，开裂风险提高，抗裂性能降低.

由图6(b)可见，粉煤灰掺量为20%时，ASFC的开裂系数明显减小；继续增大粉煤灰掺量至40%，发现开裂系数变化不大.A8-0的开裂系数增速最快，A8-0.2和A8-0.4的开裂系数始终保持在较低的水平，这是因为粉煤灰的火山灰反应比矿渣迟缓，粉煤灰的掺量增加导致ASFC的水化程度降低，产生的C-(A)-S-H凝胶较少[26]，水化反应所需的水减少，弯月液面产生的孔隙压力降低[30]，自收缩减小，环向拉应力减小(图5(b))，抗裂性能评价指标A8-0>A8-0.2≈A8-0.4(表3)，抗裂性能提高.

图6 碱当量及粉煤灰掺量对ASFC开裂系数的影响Fig.6 Effect of alkali equivalent and fly ash content on cracking coefficient of ASFC

表3 ASFC 28 d抗裂性能评价指标Acr(28) Tab.3 Evaluation index Acr(28)of cracking resistance of ASFC in 28 days

3 结语

1) 随着碱当量增加，碱矿渣-粉煤灰混凝土(ASFC)3 d的劈裂抗拉强度增大，各龄期的抗压强度及7、14和28 d的劈裂抗拉强度先增大后减小；随着粉煤灰掺量增加，ASFC 3 d的抗压强度和劈裂抗拉强度减小，7、14和28 d的抗压强度和劈裂抗拉强度先增大后减小.

2) 碱当量为4%和6%时，ASFC的开裂系数ζt(t)和抗裂性能评价指标Acr(t)变化不大，抗裂性能基本不变；碱当量增大到8%和10%时，ζt(t)和Acr(t)明显增大，抗裂性能显著降低.

3) 粉煤灰掺量为20%时，ASFC的开裂系数ζt(t)和抗裂性能评价指标Acr(t)降幅较大，抗裂性能明显提高；继续增大粉煤灰掺量至40%时，抗裂性能提升不大.

4) 当碱当量为6%，粉煤灰的掺量为20%时，ASFC的力学性能和抗裂性能最优.