矿渣-粉煤灰基地聚物干燥收缩试验研究

2022-08-02王保生

山西交通科技 2022年3期

王保生

（山西交通控股集团有限公司，山西太原 030006）

地聚物是由粉煤灰、矿渣等工业废渣和碱激发剂组成的胶凝材料，具有快硬早强、二氧化碳排放少（可减少73%的气体排放）等优点，成为水泥基胶凝材料的理想替代品，在建筑领域中得到广泛应用[1]。但地聚物的早龄期收缩是影响结构耐久性的关键，与水泥相比，地聚物收缩较大[2]，且容易开裂，这限制了地聚物的推广应用[3]，因此，广泛开展地聚物的干燥收缩性能研究具有重要工程意义。

大量研究发现：由于地聚物的化学反应机理与混凝土不同，其早期强度高，凝结速度快，干燥收缩变形较水泥混凝土大[4]，且胶凝材料类型、水玻璃模数和含量、添加剂均是影响收缩变形的因素[5]。Neupane[6]开展了不同矿渣和粉煤灰含量的地聚物干燥收缩试验，发现随粉煤灰掺量增大，干燥收缩越大[7]；文献[8]则发现当矿渣掺量小于30%时，随矿渣掺量增加，收缩增加，干缩应变可超过10 000 με，相关学者对不同胶凝材料地聚物收缩性能尚未达成一致。研究还发现，随水玻璃模数增加，干燥收缩增加[9-10]；矿渣基地聚物随Na2O含量增加，干燥收缩降低，偏高岭土地聚物随碱当量增加，干燥收缩显著提高[11]；Taghvayi[12]发现水玻璃模数是影响收缩的主要因素；Neto[13]则认为水玻璃模数相同时，碱含量是影响干燥收缩的主要原因；王晴[14]发现，随水玻璃掺量增加，收缩降低；Partha[15]对比了不同硅酸钠与氢氧化钠溶液质量比为1.5和2.5之间的干燥收缩，结果显示随比例增加干燥收缩增加。由于碱激发剂表示方法不唯一，目前也尚未形成统一的认识。另外，添加剂也是显著影响收缩的原因，李兆恒[16]发现掺加活性MgO生成Mg(OH)2，可补偿干燥收缩，对减少收缩变形有利；Ling[17]发现掺加乙二醇后，抗压强度较小，且干燥收缩降低一半；钱益想[8]研究了硅灰、石膏对干燥收缩的影响，但并未得出较多规律。

针对现有研究的不足，本文开展了不同胶凝材料比、硅酸钠与氢氧化钠溶液比、添加剂对地聚物干燥收缩试验研究，探讨了不同因素对收缩的影响规律，为提出合理的收缩模型提供试验基础。

1 试验材料

试验采用的胶凝材料为粉煤灰和矿渣，粉煤灰为一级粉煤灰，其比表面积为420 m2/kg，密度为2.42 g/cm3；矿渣为S95级，比表面积为463 m2/kg。胶凝材料的化学成分组成如表1所示。

表1 胶凝材料主要化学成分 %

碱激发剂采用氢氧化钠和硅酸钠溶液混合制备而成。其中，氢氧化钠为白色片状结构，纯度为95%，加入水形成10 mol/L的高浓度氢氧化钠溶液。市售硅酸钠溶液模数为2.85，SiO2含量为40%，Na2O含量为13.75%～14.00%.通过控制Na2SiO3溶液和NaOH溶液质量比的方法配置试验所需的碱激发剂模数和Na2O含量；试验采用细度模数2.6，最大粒径2.36 mm的细砂，图1为累积筛余百分率曲线；试验采用的添加剂为MgO和聚丙二醇材料，其中，MgO为安徽庐江县古镇矿产品有限公司生产白色粉末状材料；聚丙二醇为有机类膨胀剂，型号为PPG-400的白色液体材料，净含量为99%.

图1 试验用砂累积筛余百分率

2 试验配合比

试验主要研究矿渣与粉煤灰质量比、Na2SiO3溶液与NaOH溶液质量比、聚丙二醇和MgO外掺量对地聚物砂浆试块干燥收缩的影响。每组试验设置3种配合比，见表2，每种配合比的砂浆试块6个，其中，3个收缩砂浆试块的端部设铜钉标记点，另外3个测试抗折和抗压强度，测试结果为计算结果的平均值。表2中，SF-50%表示矿渣占总胶凝材料（粉煤灰和矿渣）比为50%；AL_SO-2.5表示Na2SiO3溶液与NaOH溶液质量比为2.5；PPG-1%和MgO-1%表示聚丙二醇或MgO占总胶凝材料的质量比为1%.

表2 地聚物砂浆配合比 kg/m3

试验时需提前一天配置碱激发剂溶液，浇筑完成后，放到相对湿度98%，20℃环境中养护24 h后拆模，测试初始变形，然后放入相对湿度65%，20℃标准养护箱中养护，在开始的一周内每天测试一次，后续每周测试一次。用量程为10 mm的千分表测试，见图2。试块抗折和抗压强度的测试按GB/T17671—2021水泥胶砂强度检验方法测试。

图2 干燥收缩试块

3 试验结果

3.1 强度测试结果

图3给出了试块的28 d抗折和抗压强度柱状图。由图3可知，对不同矿渣掺量的试块，随矿渣掺量减小，抗折和抗压强度急剧减小，与矿渣掺量为50%相比，当掺量降低到10%后，抗折和抗压强度分别降低30%和66%.说明矿渣活性较粉煤灰大，需控制其材料掺量比例。

图3 抗折强度和抗压强度结果

当矿渣与粉煤灰的掺量比为1∶1时，硅酸钠溶液与氢氧化钠溶液质量比对抗折和抗压强度有一定影响，强度随溶液质量比的增加而增加，当质量比由2.5提高到3.5时，抗折和抗压强度分别提高13.3%和17.0%.与胶凝材料质量比相比，通过调节硅酸钠浓度的方式控制强度，对其的影响较小。提高溶液质量比，会提高碱激发剂模数，降低Na2O含量，可提高强度。

由图3可知，当掺加一定量的聚丙二醇后，抗折和抗压强度随掺量增加而降低，与未掺入聚丙二醇的地聚物（AL_SO_3.5）相比，掺量为5%时，抗压强度降低61.3%，主要原因为加入聚丙二醇后，阻断了水化反应的进行，对强度有不利影响[5]。另外，掺入MgO后，较不掺MgO的地聚物试块相比，抗压强度降低24.4%～29.0%，但MgO掺量对早期抗折和抗压强度影响不大。

3.2 极限收缩与影响因素关系分析

图4给出了不同参数与极限干燥收缩应变之间的关系。需指出，本文测试收缩应变结果为拆模后24 h即开始测量的早龄期收缩，其应变较大[7]。由图4可知，矿渣掺量、溶液质量比、聚丙二醇掺量和MgO掺量[18]均会影响干燥收缩变形，每种因素的影响规律为：随矿渣掺量增加，干燥收缩应变线性降低，但收缩应变基本大于1 200 με；矿渣掺量由10%提高到50%时，干燥收缩降低55.1%，变形降低效果十分明显，与文甜[7]的测试结果类似。

图4 不同影响因素对极限干燥收缩的影响

增大硅酸钠与氢氧化钠溶液质量比，会提高模数，增大收缩，极限收缩变形和质量比之间基本呈线性变化规律，当溶液质量比由2.5变为3.5时，收缩增加47.5%，达到2 587 με，远大于普通混凝土的极限收缩变形，而抗压强度仅提高17.0%，与文献[15]和[17]的结果相同。因此，通过提高溶液质量比的方法提高地聚物抗压强度的方法不可取。

图4可知，掺入聚丙二醇也能降低极限干燥收缩，当掺量由1%提高到5%时，收缩降低26.7%，但抗压强度有显著降低；当掺量为3%时，收缩降低13.0%，而抗压强度降低较小；MgO掺量为1%和3%时对收缩的影响不明显，强度无明显下降。主要原因在于无机物MgO通过吸水反应生产沉淀物Mg(OH)2，可降低收缩变形[16]。

3.3 干燥收缩结果

图5给出了干燥收缩测试结果。图5中的应变为3个试件应变平均值。由图5可知，地聚物收缩应变在前14 d发展较快，14～28 d之间开始缓慢增长，28 d达到极限，后期变化较慢[5]，试验结果与Singh[19]等类似，与Matalkah[4]得出的在60 d发展较快的结论有一定差异。

图5 干燥收缩试验结果对比情况

另外，由图5a可知，随矿渣掺量增加，干燥收缩减小，当掺量为10%时，应变为2 500 με；当掺量为50%时，矿渣中较多的CaO参与水化反应，提高了抗压强度，同时降低了收缩变形，收缩应变降低为1 200 με，试验结果与 Neupane[6]类似。

由图4b可知，硅酸钠溶液与氢氧化钠溶液质量比对干燥收缩也有较大影响。首先，增大溶液质量比会提高早期收缩的发展速度，当达到极限收缩应变80%时，溶液比为2.5、3.0和3.5的试块的收缩天数分别为18 d、16 d和14 d。由表2可知，溶液质量比增大，模数增大（由 1.72变为 1.92），Na2O含量（由15.4%变为14.3%）降低[13]。由于Na2O含量增大较小，可认为增加水玻璃模数，收缩增大，而王晴[14]却发现模数变化对收缩影响不大，最佳模数为1.4，与本文结果有差异。

由图5c可知，掺入聚丙二醇后，收缩速度增快，但总收缩量降低，且掺量越多，降低作用越明显，与未掺加的相比，当掺量为2%和5%时，收缩应变分别降低17.4%和28.9%.由图4d可知，增加MgO后，收缩变形发展速度明显增快，在前7 d内发生90%的收缩变形，较未添加MgO添加剂的在前20 d发展较快有明显区别。除此以外，加入3%含量的MgO后，极限收缩由不掺MgO的2 587 με降低到1 113 με，收缩应变降低57%，降低作用显著，但抗折和抗压强度有所降低（约25%），在地聚物中加入MgO后，与水反应生成了Mg(OH)2固体，填补了部分空隙，降低了收缩[16]。