不同纤维增强碱矿渣胶凝材料的配合比试验研究*

朱 晶 Lesley H Sneed 黄 莹 孙义强

(中国地震局工程力学研究所中国地震局地震工程与工程振动重点实验室1) 哈尔滨 150080)(哈尔滨理工大学建筑工程学院2) 哈尔滨 150080) (密苏里科技大学土木、建筑与环境工程系3) 罗拉 65401)(北达科他州立大学土木工程学院4) 法戈 58108)

0 引 言

碱矿渣胶凝材料(alkali-activated slag cementitious material,AASCM)是以工业废弃物高炉矿渣作为主要原材料，碱性化合物或碱工业废料作为激发剂激发而成的胶凝材料.与传统水泥相比，碱矿渣胶凝材料具有更高的强度，更低的水化热和更小的能耗等优势.从材料性能层面看，碱矿渣胶凝材料有更好的快硬性、抗冻性、抗腐蚀性、护筋性等优异的性能.从生产工艺层面看，碱矿渣胶凝材料具有生产工艺简单、投资少，矿渣利用率高、污染小的突出优点，是一种节能环保多功能材料，其各项力学性能均较优异[1-2].

近年来，秸秆等植物纤维大量结构性剩余，近30%被露天焚烧，这不仅加重了空气污染，也易引发火灾和交通事故[3-5].随着自然资源的日益枯竭和人类环保意识的不断增强，充分利用生态环保、力学性能良好的植物纤维，已成为国内外研究的热点课题[6-7].又由于秸秆等植物纤维是一种低成本的可再生资源，具有质轻、长径比大、比强度高、可生物降解等优点，若将其作为新型建筑材料用于结构工程，既节能环保，又减少昂贵建筑材料的资源消耗[8-11].

此外，由于AASCM属于脆性材料，收缩徐变较大，延性较差，严重阻碍了其在结构工程中的广泛应用[12-14].因此，本文为改善AASCM的脆性和开辟秸秆等植物纤维综合利用的新途径，参考纤维增强混凝土的増韧方法, 在AASCM中掺入麦秆等植物纤维，研发了植物纤维增强碱矿渣胶凝材料，并横向对比了高弹性模量纤维(聚丙烯纤维、微细钢纤维和较粗钢纤维)增强碱矿渣胶凝材料的増韧效果.综合考察了碱激发剂种类、水玻璃模数、碱含量、水用量、纤维种类和纤维处理方式对AASCM力学性能的影响[15-16].

1 配合比试验

1.1 原材料

试验选用矿渣主要化学成分有：二氧化硅36.9%、氧化铝15.66%、氧化钙37.57%、氧化镁9.3%、氧化铁0.36%.活性指标主要为：质量系数为1.69、碱性系数为0.97、活度系数为0.42.钾水玻璃具体参数见表1.本试验的氢氧化钠质量分数≥96.0%.采用三种植物纤维(简称Z)，分别为稻秆、麦秆及玉米秆，主要采集茎秆部分，将其铡至2～3 cm长度，并分别将其进行酸处理、碱处理，并与未处理纤维增强效果进行比较，处理后的植物纤维含水率控制在15%左右.

表1 钾水玻璃参数

试验选用的聚丙烯纤维(简称PP)直径为18～45μm，长度为12 mm的束状单丝纤维.密度为0.91 g/cm3,弹性模量为42 GPa,抗拉强度为1 600 MPa，断裂伸长率为5%～12%，熔点为165～175 ℃，燃点为590 ℃.本文选用的微细钢纤维(简称XS)是超细超短高强平直钢纤维，长度13 mm，等效直径为0.22 mm，长径比为59.1.较粗钢纤维(简称CS)截面为波浪形，等效直径为2.5 mm，长度为2～3 cm.

1.2 试件制作和试验方法

试验采用40 mm×40 mm×160 mm的胶砂件进行配合比试验.首先调节水玻璃模数，然后按比例称量水玻璃与氢氧化钠，将氢氧化钠缓慢倒入水玻璃中，并用玻璃棒搅拌至无明显絮状物，静置1.5 h直至混合物完全放热.将称量好的矿渣倒入搅拌锅，倒入调整好模数的水玻璃搅拌1 min，加入称量好的水，再搅拌6 min，然后将搅拌好的材料倒入模具中并振捣至表面平整，无气泡逸出.待试件表面结硬时用保鲜膜包裹.将试件放入恒温恒湿养护箱中养护.24 h后拆除模具，经过3,7和28 d养护后，用YAW-300型全自动压折试验机测试其抗折强度和抗压强度.具体配合比参数见表2.

表2 不同纤维增强AASCM配合比参数

1.3 优化配比影响因素分析

1.3.1碱激发剂种类的影响

选择钾水玻璃、钠水玻璃两种碱激发剂激发矿渣，加入钾水玻璃的试件经过3,7和28 d养护后，其抗折强度比采用钠水玻璃的试件分别高出3%,24%和30.4%.加入钾水玻璃的试件经过3 d养护后，加入钠水玻璃的试件比加入钾水玻璃的试件高出4.4%，但经过7和28 d养护后，加入钾水玻璃的试件抗压强度比加入钠水玻璃的试件高出3.3%和16.8%，具体情况见图1.可知加入钾水玻璃的试件的力学性能相对较高,因此，后续试验选取钾水玻璃为碱激发剂.

图1 不同碱激发剂抗折和抗压强度变化

1.3.2水玻璃模数的影响

图2为不同水玻璃模数抗折和抗压强度变化.由图2可知，在配比方式和养护天数相同时，水玻璃模数M=1.0的试件抗折强度与抗压强度均比水玻璃模数M=2.0的试件要高.具体情况如下：在抗折强度方面，水玻璃M=1.0的试件在经过3，7和28 d养护后，其抗折强度比水玻璃模数M=2.0的试件分别高出4.2%，14.6%和15.9%.在抗压强度方面，水玻璃M=1.0的试件在经过3，7和28 d养护后，其抗压强度比相同条件下的水玻璃模数M=2.0的试件分别高出3.4%，13.1%和14.9%.单独考虑水玻璃模数M=1.0的试件，养护28 d后试件的抗折强度比养护3和7 d后试件的抗折强度分别高出31.7%和15.5%，抗压强度分别高出97%和35.6%.由此可知，后续试验可选取水玻璃模数为M=1.0.

图2 不同水玻璃模数抗折和抗压强度变化

1.3.3碱含量的影响

通过试验可知，在碱激发剂种类一致(钾水玻璃)、水玻璃模数一致(M=1.0)的条件下，碱含量14%试件的抗折强度与抗压强度均高于碱含量8%，10%，12%的试件.具体情况如下：养护28 d后，碱含量14%的试件比碱含量8%试件的抗折强度高出33.8%，抗压强度高出32.7%；碱含量14%的试件比碱含量10%的试件抗折强度高出25.8%，抗压强度高出14.4%，碱含量14%的试件比碱含量12%的试件抗折强度高出20.3%，抗压强度高出11.9%.具体情况见图3.由此可知，在碱含量8%～14%范围内，随着碱含量的增加，试件抗折强度与抗压强度均有增加.但碱含量超过一定限值时，会对胶凝材料的强度产生负面影响.因此，后续试验选取钾水玻璃的碱含量为12%和14%进行对比.

图3 不同碱含量抗折和抗压强度变化

1.3.4水用量的影响

图4为不同水用量抗折和抗压强度变化，由图4可知，在碱含量一致、水玻璃模数相同、碱激发剂种类相同时，养护7 d后，水用量35%试件的力学性能最为优异.具体情况如下：碱含量12%时，水用量35%的试件比水用量28%的试件抗折强度高出5倍左右，抗压强度高出1.6倍，水用量35%的试件比水用量32%的试件抗折强度高出1倍左右，抗压强度高出19.7%，水用量35%的试件比水用量38%的试件抗折强度高出31.3%左右，抗压强度高出10.8%，水用量35%的试件比水用量42%的试件抗折强度高出2.5倍左右，抗压强度高出32.3%，由此可知，碱含量=12%，在水用量在28%～42%范围内，水用量35%的试件强度最高,因此，后续试验中，选取水用量为32%和35%进行对比.

图4 不同水用量抗折和抗压强度变化

1.3.5植物纤维种类的影响

图5为不同植物纤维抗折和抗压强度变化.由图5可知，相同条件加入等体积纤维(1%)时，掺入麦秆试件的抗折强度略高于掺入稻秆与玉米秆的试件.具体情况如下：养护3 d后，掺入麦秆试件的抗折强度比掺入玉米杆和稻秆试件的抗折强度分别高25.5%和34.1%.而对比三种植物纤维增强试件的抗压强度时，可见掺入麦秆的试件抗压强度最大，且在基体中分布更均匀，整体増韧效果更好.因此，后续试验主要采用麦秆增强AASCM.

图5 不同植物纤维抗折和抗压强度变化

1.3.6植物纤维不同处理方式的影响

对植物纤维采用四种处理方式：两种酸处理、两种碱处理.选取优选配比：钾水玻璃模数M=1.0，碱含量为12%，水用量为35%，植物纤维选取麦秆.酸处理分为硫酸处理和盐酸处理，用10%的硫酸溶液或盐酸溶液分别浸泡60 min，之后用10%的氢氧化钠溶液浸泡20 min，然后在清水中浸泡2 min，经过处理的植物纤维放在阴凉处自然晾干.两种碱处理分别为用质量分数为10%的氢氧化钠溶液处理植物纤维20和60 min，再于清水中浸泡2 min.试验结果表明，两种酸处理的差别不大，两种碱处理时间不同对材料力学性能影响较小.因此，选取硫酸处理，碱处理60 min，与未经处理植物纤维增强试件的力学性能进行比较.可知碱处理的麦秆增强AASCM的力学性能略优于酸处理试件，而麦秆未经处理的试件力学性能有大幅降低，主要是由于未经处理的麦秆内表面组织疏松、翘皮较多，与基体结合不够紧密.因此，后续试验选取碱处理后的麦秆用于增强AASCM.具体情况见图6.

图6 不同处理方式抗折和抗压强度变化

综合考虑水玻璃模数、碱含量、水用量、植物纤维种类和处理方式对植物纤维增强AASCM的影响，得到两种较忧配比：①钾水玻璃模数M=1.0，碱含量14%，水用量32%；②钾水玻璃模数M=1.0，碱含量12%，水用量35%.优选碱处理麦秆用于增强AASCM.在工作性能方面，其凝结时间在25～34 min.流动度在180～210 mm，两种较忧配比可满足不同工程施工要求.

2 不同纤维对比分析

对40 mm×40 mm×160 mm的麦秆增强AASCM试件进行抗折、抗压强度试验，对麦秆采用氢氧化钠碱处理60 min，见图7.

图7 不同纤维增强AASCM的力学性能

由图7可知，麦秆在基体中分布较均匀，起到了一定的抑制裂缝发展的作用，但由于麦秆自身强度有限，对AASCM的韧性和延性增强也有限.对比可知，当四种纤维体积分数均为1%时，掺入微细钢纤维的AASCM比掺入麦秆、聚丙烯纤维和较粗钢纤维的试件强度提高较多，掺入微细钢纤维的试件最高抗压强度与抗折强度分别为140.4和15.5 MPa，均高于掺入麦秆的试件(94.3，9.4 MPa)和掺入聚丙烯纤维的试件(90.8，10.0 MPa)，以及掺入较粗钢纤维的试件(113.8，10.9 MPa).

聚丙烯纤维密度小，质量轻，相同掺量情况下，聚丙烯纤维所占体积最大，在试件中分布更均匀，整体性更好；且聚丙烯纤维自身强度较高，可有效改善AASCM的脆性，抗折试验后试件均裂而未断，增强效果明显.

而较粗钢纤维由于密度大，质量重，在AASCM凝结过程中大多沉入试件底部，分布极不均匀，因此，抗折试验后，掺入较粗钢纤维的AASCM发生断裂，并未起到相应増韧作用.微细钢纤维与较粗钢纤维相比，密度小，质量轻，在试件中分布更均匀，与基体结合更加紧密，且强度更高.抗折试验后仅有一道裂痕，并未折断，说明掺入微细钢纤维可以改善AASCM脆性，増韧效果非常优异.试件破坏形态见图8.

图8 不同纤维增强AASCM试件破坏形态

3 不同纤维增强AASCM微观形态分析

3.1 试验概况

本试验采用扫描电镜仪测试不同纤维增强AASCM微观形态，具体情况见图9.

图9 扫描电镜试验用试样

具体步骤如下：用钳子剪成尺寸约为5 mm，形状规则，表面平整的小颗粒；用喷金渡膜仪在试样表面喷金，喷金后取出试样；保存并导出扫描电镜图.

3.2 试验结果分析

图10为不同纤维微观形态，由图10可知，麦秆、聚丙烯纤维和微细钢纤维均与基体结合紧密.具体情况如下：麦秆与基体咬合良好，接触面呈锯齿状，且过渡区结合处无缝隙，可知其微观结构决定麦秆增强AASCM试件的宏观力学性能比掺入稻杆和玉米杆的试件更优异.聚丙烯纤维单位体积最小，与基体融合最好，相比其他纤维与基体结合最为紧密，从宏观力学性能可以看出，聚丙烯纤维对AASCM的延性和韧性的改善起到了重要作用.玉米秆与较粗钢纤维则因为单位体积较大，玉米杆过轻易浮于基体表面，而较粗钢纤维过重，易沉于基体底部，二者与基体接触面会不时出现缝隙，增强效果均不理想.此外，玉米秆和稻秆表面有一层蜡质层，与基体接触界面则较为光滑，受力时纤维被拔出并未吸收较大能量.微细钢纤维与较粗钢纤维相比，密度小，质量轻，在试件中分布更均匀，与基体结合更加紧密，完全嵌入基体中，且强度更高.抗折试验后裂而未断，说明掺入微细钢纤维可以改善AASCM脆性，増韧效果非常优异.

图10 不同纤维微观形态

4 结 论

1) 在水玻璃模数相同、碱含量一致、水用量一致的情况下，加入钾水玻璃的试件抗折强度要比钠水玻璃的试件高出30%～40%，抗压强度相较于钠水玻璃高出10%～20%.养护28 d后，模数M=1.0的AASCM胶砂件最高抗折强度和抗压强度分别为15.4和130 MPa.

2) 通过考察各关键参数，获得两种优选配比，并确定麦秆纤维増韧效果优于稻杆和玉米杆.掺入植物纤维后，可抑制材料收缩，延缓裂缝扩展，达到了一定的增强效果.

3) 与植物纤维增强AASCM相比，聚丙烯纤维和微细钢纤维对AASCM的增强效果更加明显.因此，麦秆、聚丙烯纤维和微细钢纤维既提升AASCM的延性，又拓宽了AASCM的应用领域，符合我国可持续发展战略要求.