不同纖維增強堿礦渣膠凝材料的配合比試驗研究*

朱 晶 Lesley H Sneed 黃 瑩 孫義強

(中國地震局工程力學研究所中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室1) 哈爾濱 150080)(哈爾濱理工大學建筑工程學院2) 哈爾濱 150080) (密蘇里科技大學土木、建筑與環境工程系3) 羅拉 65401)(北達科他州立大學土木工程學院4) 法戈 58108)

0 引 言

堿礦渣膠凝材料(alkali-activated slag cementitious material,AASCM)是以工業廢棄物高爐礦渣作為主要原材料，堿性化合物或堿工業廢料作為激發劑激發而成的膠凝材料.與傳統水泥相比，堿礦渣膠凝材料具有更高的強度，更低的水化熱和更小的能耗等優勢.從材料性能層面看，堿礦渣膠凝材料有更好的快硬性、抗凍性、抗腐蝕性、護筋性等優異的性能.從生產工藝層面看，堿礦渣膠凝材料具有生產工藝簡單、投資少，礦渣利用率高、污染小的突出優點，是一種節能環保多功能材料，其各項力學性能均較優異[1-2].

近年來，秸稈等植物纖維大量結構性剩余，近30%被露天焚燒，這不僅加重了空氣污染，也易引發火災和交通事故[3-5].隨著自然資源的日益枯竭和人類環保意識的不斷增強，充分利用生態環保、力學性能良好的植物纖維，已成為國內外研究的熱點課題[6-7].又由于秸稈等植物纖維是一種低成本的可再生資源，具有質輕、長徑比大、比強度高、可生物降解等優點，若將其作為新型建筑材料用于結構工程，既節能環保，又減少昂貴建筑材料的資源消耗[8-11].

此外，由于AASCM屬于脆性材料，收縮徐變較大，延性較差，嚴重阻礙了其在結構工程中的廣泛應用[12-14].因此，本文為改善AASCM的脆性和開辟秸稈等植物纖維綜合利用的新途徑，參考纖維增強混凝土的増韌方法, 在AASCM中摻入麥稈等植物纖維，研發了植物纖維增強堿礦渣膠凝材料，并橫向對比了高彈性模量纖維(聚丙烯纖維、微細鋼纖維和較粗鋼纖維)增強堿礦渣膠凝材料的増韌效果.綜合考察了堿激發劑種類、水玻璃模數、堿含量、水用量、纖維種類和纖維處理方式對AASCM力學性能的影響[15-16].

1 配合比試驗

1.1 原材料

試驗選用礦渣主要化學成分有：二氧化硅36.9%、氧化鋁15.66%、氧化鈣37.57%、氧化鎂9.3%、氧化鐵0.36%.活性指標主要為：質量系數為1.69、堿性系數為0.97、活度系數為0.42.鉀水玻璃具體參數見表1.本試驗的氫氧化鈉質量分數≥96.0%.采用三種植物纖維(簡稱Z)，分別為稻稈、麥稈及玉米稈，主要采集莖稈部分，將其鍘至2～3 cm長度，并分別將其進行酸處理、堿處理，并與未處理纖維增強效果進行比較，處理后的植物纖維含水率控制在15%左右.

表1 鉀水玻璃參數

試驗選用的聚丙烯纖維(簡稱PP)直徑為18～45μm，長度為12 mm的束狀單絲纖維.密度為0.91 g/cm3,彈性模量為42 GPa,抗拉強度為1 600 MPa，斷裂伸長率為5%～12%，熔點為165～175 ℃，燃點為590 ℃.本文選用的微細鋼纖維(簡稱XS)是超細超短高強平直鋼纖維，長度13 mm，等效直徑為0.22 mm，長徑比為59.1.較粗鋼纖維(簡稱CS)截面為波浪形，等效直徑為2.5 mm，長度為2～3 cm.

1.2 試件制作和試驗方法

試驗采用40 mm×40 mm×160 mm的膠砂件進行配合比試驗.首先調節水玻璃模數，然后按比例稱量水玻璃與氫氧化鈉，將氫氧化鈉緩慢倒入水玻璃中，并用玻璃棒攪拌至無明顯絮狀物，靜置1.5 h直至混合物完全放熱.將稱量好的礦渣倒入攪拌鍋，倒入調整好模數的水玻璃攪拌1 min，加入稱量好的水，再攪拌6 min，然后將攪拌好的材料倒入模具中并振搗至表面平整，無氣泡逸出.待試件表面結硬時用保鮮膜包裹.將試件放入恒溫恒濕養護箱中養護.24 h后拆除模具，經過3,7和28 d養護后，用YAW-300型全自動壓折試驗機測試其抗折強度和抗壓強度.具體配合比參數見表2.

表2 不同纖維增強AASCM配合比參數

1.3 優化配比影響因素分析

1.3.1堿激發劑種類的影響

選擇鉀水玻璃、鈉水玻璃兩種堿激發劑激發礦渣，加入鉀水玻璃的試件經過3,7和28 d養護后，其抗折強度比采用鈉水玻璃的試件分別高出3%,24%和30.4%.加入鉀水玻璃的試件經過3 d養護后，加入鈉水玻璃的試件比加入鉀水玻璃的試件高出4.4%，但經過7和28 d養護后，加入鉀水玻璃的試件抗壓強度比加入鈉水玻璃的試件高出3.3%和16.8%，具體情況見圖1.可知加入鉀水玻璃的試件的力學性能相對較高,因此，后續試驗選取鉀水玻璃為堿激發劑.

圖1 不同堿激發劑抗折和抗壓強度變化

1.3.2水玻璃模數的影響

圖2為不同水玻璃模數抗折和抗壓強度變化.由圖2可知，在配比方式和養護天數相同時，水玻璃模數M=1.0的試件抗折強度與抗壓強度均比水玻璃模數M=2.0的試件要高.具體情況如下：在抗折強度方面，水玻璃M=1.0的試件在經過3，7和28 d養護后，其抗折強度比水玻璃模數M=2.0的試件分別高出4.2%，14.6%和15.9%.在抗壓強度方面，水玻璃M=1.0的試件在經過3，7和28 d養護后，其抗壓強度比相同條件下的水玻璃模數M=2.0的試件分別高出3.4%，13.1%和14.9%.單獨考慮水玻璃模數M=1.0的試件，養護28 d后試件的抗折強度比養護3和7 d后試件的抗折強度分別高出31.7%和15.5%，抗壓強度分別高出97%和35.6%.由此可知，后續試驗可選取水玻璃模數為M=1.0.

圖2 不同水玻璃模數抗折和抗壓強度變化

1.3.3堿含量的影響

通過試驗可知，在堿激發劑種類一致(鉀水玻璃)、水玻璃模數一致(M=1.0)的條件下，堿含量14%試件的抗折強度與抗壓強度均高于堿含量8%，10%，12%的試件.具體情況如下：養護28 d后，堿含量14%的試件比堿含量8%試件的抗折強度高出33.8%，抗壓強度高出32.7%；堿含量14%的試件比堿含量10%的試件抗折強度高出25.8%，抗壓強度高出14.4%，堿含量14%的試件比堿含量12%的試件抗折強度高出20.3%，抗壓強度高出11.9%.具體情況見圖3.由此可知，在堿含量8%～14%范圍內，隨著堿含量的增加，試件抗折強度與抗壓強度均有增加.但堿含量超過一定限值時，會對膠凝材料的強度產生負面影響.因此，后續試驗選取鉀水玻璃的堿含量為12%和14%進行對比.

圖3 不同堿含量抗折和抗壓強度變化

1.3.4水用量的影響

圖4為不同水用量抗折和抗壓強度變化，由圖4可知，在堿含量一致、水玻璃模數相同、堿激發劑種類相同時，養護7 d后，水用量35%試件的力學性能最為優異.具體情況如下：堿含量12%時，水用量35%的試件比水用量28%的試件抗折強度高出5倍左右，抗壓強度高出1.6倍，水用量35%的試件比水用量32%的試件抗折強度高出1倍左右，抗壓強度高出19.7%，水用量35%的試件比水用量38%的試件抗折強度高出31.3%左右，抗壓強度高出10.8%，水用量35%的試件比水用量42%的試件抗折強度高出2.5倍左右，抗壓強度高出32.3%，由此可知，堿含量=12%，在水用量在28%～42%范圍內，水用量35%的試件強度最高,因此，后續試驗中，選取水用量為32%和35%進行對比.

圖4 不同水用量抗折和抗壓強度變化

1.3.5植物纖維種類的影響

圖5為不同植物纖維抗折和抗壓強度變化.由圖5可知，相同條件加入等體積纖維(1%)時，摻入麥稈試件的抗折強度略高于摻入稻稈與玉米稈的試件.具體情況如下：養護3 d后，摻入麥稈試件的抗折強度比摻入玉米桿和稻稈試件的抗折強度分別高25.5%和34.1%.而對比三種植物纖維增強試件的抗壓強度時，可見摻入麥稈的試件抗壓強度最大，且在基體中分布更均勻，整體増韌效果更好.因此，后續試驗主要采用麥稈增強AASCM.

圖5 不同植物纖維抗折和抗壓強度變化

1.3.6植物纖維不同處理方式的影響

對植物纖維采用四種處理方式：兩種酸處理、兩種堿處理.選取優選配比：鉀水玻璃模數M=1.0，堿含量為12%，水用量為35%，植物纖維選取麥稈.酸處理分為硫酸處理和鹽酸處理，用10%的硫酸溶液或鹽酸溶液分別浸泡60 min，之后用10%的氫氧化鈉溶液浸泡20 min，然后在清水中浸泡2 min，經過處理的植物纖維放在陰涼處自然晾干.兩種堿處理分別為用質量分數為10%的氫氧化鈉溶液處理植物纖維20和60 min，再于清水中浸泡2 min.試驗結果表明，兩種酸處理的差別不大，兩種堿處理時間不同對材料力學性能影響較小.因此，選取硫酸處理，堿處理60 min，與未經處理植物纖維增強試件的力學性能進行比較.可知堿處理的麥稈增強AASCM的力學性能略優于酸處理試件，而麥稈未經處理的試件力學性能有大幅降低，主要是由于未經處理的麥稈內表面組織疏松、翹皮較多，與基體結合不夠緊密.因此，后續試驗選取堿處理后的麥稈用于增強AASCM.具體情況見圖6.

圖6 不同處理方式抗折和抗壓強度變化

綜合考慮水玻璃模數、堿含量、水用量、植物纖維種類和處理方式對植物纖維增強AASCM的影響，得到兩種較憂配比：①鉀水玻璃模數M=1.0，堿含量14%，水用量32%；②鉀水玻璃模數M=1.0，堿含量12%，水用量35%.優選堿處理麥稈用于增強AASCM.在工作性能方面，其凝結時間在25～34 min.流動度在180～210 mm，兩種較憂配比可滿足不同工程施工要求.

2 不同纖維對比分析

對40 mm×40 mm×160 mm的麥稈增強AASCM試件進行抗折、抗壓強度試驗，對麥稈采用氫氧化鈉堿處理60 min，見圖7.

圖7 不同纖維增強AASCM的力學性能

由圖7可知，麥稈在基體中分布較均勻，起到了一定的抑制裂縫發展的作用，但由于麥稈自身強度有限，對AASCM的韌性和延性增強也有限.對比可知，當四種纖維體積分數均為1%時，摻入微細鋼纖維的AASCM比摻入麥稈、聚丙烯纖維和較粗鋼纖維的試件強度提高較多，摻入微細鋼纖維的試件最高抗壓強度與抗折強度分別為140.4和15.5 MPa，均高于摻入麥稈的試件(94.3，9.4 MPa)和摻入聚丙烯纖維的試件(90.8，10.0 MPa)，以及摻入較粗鋼纖維的試件(113.8，10.9 MPa).

聚丙烯纖維密度小，質量輕，相同摻量情況下，聚丙烯纖維所占體積最大，在試件中分布更均勻，整體性更好；且聚丙烯纖維自身強度較高，可有效改善AASCM的脆性，抗折試驗后試件均裂而未斷，增強效果明顯.

而較粗鋼纖維由于密度大，質量重，在AASCM凝結過程中大多沉入試件底部，分布極不均勻，因此，抗折試驗后，摻入較粗鋼纖維的AASCM發生斷裂，并未起到相應増韌作用.微細鋼纖維與較粗鋼纖維相比，密度小，質量輕，在試件中分布更均勻，與基體結合更加緊密，且強度更高.抗折試驗后僅有一道裂痕，并未折斷，說明摻入微細鋼纖維可以改善AASCM脆性，増韌效果非常優異.試件破壞形態見圖8.

圖8 不同纖維增強AASCM試件破壞形態

3 不同纖維增強AASCM微觀形態分析

3.1 試驗概況

本試驗采用掃描電鏡儀測試不同纖維增強AASCM微觀形態，具體情況見圖9.

圖9 掃描電鏡試驗用試樣

具體步驟如下：用鉗子剪成尺寸約為5 mm，形狀規則，表面平整的小顆粒；用噴金渡膜儀在試樣表面噴金，噴金后取出試樣；保存并導出掃描電鏡圖.

3.2 試驗結果分析

圖10為不同纖維微觀形態，由圖10可知，麥稈、聚丙烯纖維和微細鋼纖維均與基體結合緊密.具體情況如下：麥稈與基體咬合良好，接觸面呈鋸齒狀，且過渡區結合處無縫隙，可知其微觀結構決定麥稈增強AASCM試件的宏觀力學性能比摻入稻桿和玉米桿的試件更優異.聚丙烯纖維單位體積最小，與基體融合最好，相比其他纖維與基體結合最為緊密，從宏觀力學性能可以看出，聚丙烯纖維對AASCM的延性和韌性的改善起到了重要作用.玉米稈與較粗鋼纖維則因為單位體積較大，玉米桿過輕易浮于基體表面，而較粗鋼纖維過重，易沉于基體底部，二者與基體接觸面會不時出現縫隙，增強效果均不理想.此外，玉米稈和稻稈表面有一層蠟質層，與基體接觸界面則較為光滑，受力時纖維被拔出并未吸收較大能量.微細鋼纖維與較粗鋼纖維相比，密度小，質量輕，在試件中分布更均勻，與基體結合更加緊密，完全嵌入基體中，且強度更高.抗折試驗后裂而未斷，說明摻入微細鋼纖維可以改善AASCM脆性，増韌效果非常優異.

圖10 不同纖維微觀形態

4 結 論

1) 在水玻璃模數相同、堿含量一致、水用量一致的情況下，加入鉀水玻璃的試件抗折強度要比鈉水玻璃的試件高出30%～40%，抗壓強度相較于鈉水玻璃高出10%～20%.養護28 d后，模數M=1.0的AASCM膠砂件最高抗折強度和抗壓強度分別為15.4和130 MPa.

2) 通過考察各關鍵參數，獲得兩種優選配比，并確定麥稈纖維増韌效果優于稻桿和玉米桿.摻入植物纖維后，可抑制材料收縮，延緩裂縫擴展，達到了一定的增強效果.

3) 與植物纖維增強AASCM相比，聚丙烯纖維和微細鋼纖維對AASCM的增強效果更加明顯.因此，麥稈、聚丙烯纖維和微細鋼纖維既提升AASCM的延性，又拓寬了AASCM的應用領域，符合我國可持續發展戰略要求.