鄭文忠，敖日格樂，王 英，黃文宣

(1. 結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090；2. 土木工程智能防災(zāi)減災(zāi)工業(yè)和信息化部重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090)

礦渣和粉煤灰作為礦物摻合料在拌制混凝土過程中有所應(yīng)用，而堿礦渣膠凝材料(Alkaliactivated Slag Cementitious Material, AASCM)是以磨細(xì)的高爐礦渣工業(yè)廢棄物為主要原料，采用適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)劑(如水玻璃，氫氧化鈉)激發(fā)，經(jīng)攪拌而成的新型膠凝材料[1]。?；郀t礦渣是指在高爐冶煉生鐵時，得到的以硅酸鹽為主要成分的熔鑄物，經(jīng)淬冷成粒后具有潛在水硬活性的材料。一般情況下，礦渣—水漿體并不具有水硬性，只有處于堿性環(huán)境下，礦渣才具有水硬性[1]。我國每年礦渣產(chǎn)量約2.4 億噸，占全球總產(chǎn)量的50%[1]。利用礦渣代替水泥作為原材料，可以達(dá)到變廢為寶的目的，與水泥相比更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保[2]。由于這種新型材料本身組成成分的特性，它相比于普通硅酸鹽水泥具有快硬早強(qiáng)[3?7]、耗能低、耐高溫[8]、耐久性好[9?10]等特點。由于堿礦渣膠凝材料具有600 ℃以內(nèi)強(qiáng)度基本不降低的特點[11]，同時因為堿礦渣陶砂砂漿砌筑的堿礦渣陶?；炷疗鲶w中用陶砂、陶粒替代普通混凝土砌塊砌體里的細(xì)骨料及粗骨料，而陶砂、陶粒在高溫煅燒中制得的，由此砌筑的砌體不僅能滿足節(jié)能利廢的要求，還可以有效的提高其抗火性能。

完成了126 個用堿礦渣陶砂砂漿和堿礦渣陶?；炷疗鰤K砌筑的砌體試件的軸心抗壓試驗，其中有60 個由強(qiáng)度等級為MU7.5、MU10、MU15、MU20 的堿礦渣陶?；炷量招钠鰤K與強(qiáng)度等級為Mb20、Mb25、Mb35、Mb60 的堿礦渣陶砂砂漿砌筑的空心砌塊砌體軸心抗壓試驗和66 個由強(qiáng)度等級為MU25、MU30 的堿礦渣陶?；炷翆嵭拇u與強(qiáng)度等級為Mb15、Mb20、Mb25、Mb30、Mb45、Mb60 的堿礦渣陶砂砂漿砌筑的實心磚砌體軸心抗壓試驗?；谠囼灲Y(jié)果，建立了所研究砌體的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線方程及峰值壓應(yīng)變、極限壓應(yīng)變及彈性模量計算公式。

1 試驗材料

1.1 試驗原材料

礦渣采用哈爾濱三發(fā)新型節(jié)能建材有限公司的“哈爾濱礦渣”和來自唐山唐龍新型建材有限公司的“唐山礦渣”，比表面積分別為379 m2/kg和424 m2/kg，表1 給出了礦渣的化學(xué)成分。

表1 礦渣的化學(xué)成分 /(%)Table 1 Chemical composition of slag

粉煤灰采用黑龍江省雙達(dá)電力設(shè)備有限公司提供的Ⅰ級粉煤灰，其密度為2.43 g/cm3。表2 給出了粉煤灰的化學(xué)成分。

陶砂采用鞏義市超越濾料廠的粒度1 mm 的陶砂，其圓度 ≥ 0.9。表3 給出了陶砂的化學(xué)成分。

陶粒采用河南省鞏義市宇軒環(huán)?？萍加邢薰镜奶樟＃綖? mm～16 mm，干表面密度為830 kg/m3，吸水率為20%，筒壓強(qiáng)度為4.2 MPa。

采用了液態(tài)硅酸鈉水玻璃，含水率為64.5%，模數(shù)為3.2，在試驗過程中可以通過改變氫氧化鈉的用量來調(diào)整水玻璃的模數(shù)。

選用天津市大陸化學(xué)試劑廠生產(chǎn)的NaOH，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥96.0%。

選用天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.8%的分析Na2CO3。

表2 粉煤灰的化學(xué)成分 /(%)Table 2 Chemical composition of fly ash

表3 陶砂的化學(xué)成分 /(%)Table 3 Chemical composition of pottery sand

1.2 砌筑用堿礦渣陶砂砂漿與生產(chǎn)砌塊用堿礦渣陶粒混凝土配合比

試驗采用的堿礦渣陶砂砂漿是由礦渣、粉煤灰、陶砂、堿性激發(fā)劑按一定質(zhì)量比配制而成的，采用的堿性激發(fā)劑為水玻璃或碳酸鈉與氫氧化鈉的混合溶液，其配合比如表4 所示。

表4 堿礦渣陶砂砂漿的配合比 /(kg/m3)Table 4 Mixing ratio of alkali slag pottery mortar

試驗所采用的砌塊是由礦渣、陶粒、陶砂、堿性激發(fā)劑按一定質(zhì)量比配制而成的堿礦渣陶粒混凝土砌塊，采用的堿性激發(fā)劑為水玻璃和氫氧化鈉的混合液。其配合比見表5，表6。

表5 制備空心砌塊用堿礦渣陶粒混凝土配合比 /(kg/m3)Table 5 Mixing ratio of alkali slag ceramsite concrete hollow block

表6 制備實心磚用堿礦渣陶?；炷僚浜媳?/(kg/m3)Table 6 Mixing ratio of alkali slag ceramsite concrete solid brick

圖1 堿激發(fā)礦渣陶?；炷量招钠鰤K尺寸 /mm Fig.1 Alkali-activated slag ceramsite concrete hollow block size

1.3 材料性能試驗

堿礦渣陶粒混凝土空心砌塊選用主砌塊的尺寸為390 mm×190 mm×190 mm，空心率為48.3%；輔助砌塊的尺寸為190 mm×190 mm×190 mm，空心率為36.0%。堿礦渣陶?；炷僚c實心磚選用的尺寸為240 mm×115 mm×53 mm。主砌塊和輔助的細(xì)部尺寸如圖1 所示。

按照《混凝土砌塊和磚試驗方法》(GB/T4111?2013)[12]對兩類砌塊進(jìn)行軸心抗壓試驗，每組五件。堿激發(fā)礦渣陶?；炷疗鰤K抗壓強(qiáng)度實測值如表7 與表8 所示。

根據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T70?2009)[13]砌筑砂漿的立方體抗壓強(qiáng)度試驗應(yīng)采用了70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的帶底試模，且具有足夠剛度并拆裝方便。在《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50003?2011)[14]中規(guī)定，確定砂漿強(qiáng)度等級時應(yīng)采用同類塊體作為試塊底模。由磚底模改為鋼底模后，由于磚底模會吸取砂漿中多余的水分，結(jié)硬后的砂漿強(qiáng)度相對較高，而鋼底模不吸收水分，所以砂漿抗壓強(qiáng)度會下降，應(yīng)對用鋼底模測量出的強(qiáng)度乘于1.35 進(jìn)行修正。堿礦渣陶砂砂漿抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果見表9。

2 試驗設(shè)計

2.1 試件設(shè)計

軸心受壓試驗的試件設(shè)計參照《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50129?2011)[15]中規(guī)

表7 堿礦渣陶粒混凝土空心砌塊抗壓強(qiáng)度實測值Table 7 Actual measured values of compressive strength of alkali slag ceramsite concrete hollow block

表8 堿礦渣陶?；炷翆嵭拇u抗壓強(qiáng)度實測值Table 8 Measured values of compressive strength of alkali slag ceramsite concrete solid brick

定的砌筑方法，空心砌塊砌體的尺寸為990 mm×590 mm×190 mm，如圖2(a)所示；實心磚砌體的尺 寸 為240 mm×370 mm×750 mm，如 圖2(b)所示，砌塊在砌筑前應(yīng)先潤濕，砂漿厚度8 mm～12 mm。試驗設(shè)計及個數(shù)如表10 所示。

表9 堿礦渣陶砂砂漿抗壓強(qiáng)度及折算值 /MPaTable 9 Compressive strength and conversion values of alkali slag pottery mortar

圖2 砌體軸心受壓試件設(shè)計 /mm Fig.2 Design of masonry axial compression test piece

表10 堿礦渣陶?；炷疗鰤K砌體抗壓試驗設(shè)計Table 10 Compressive test design of alkali slag ceramsite concrete block masonry

2.2 試驗加載裝置及測量方案

堿礦渣陶?；炷疗鲶w的軸心受壓試驗在10000 kN 電液伺服壓力機(jī)上進(jìn)行，加載裝置如圖3所示。

堿礦渣陶粒混凝土空心砌塊砌體的測量裝置示意圖如4(a)所示，堿礦渣陶?；炷翆嵭拇u砌體測量裝置示意圖如圖4(b)所示。

2.3 試驗結(jié)果

各試件的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系全曲線，如圖5與圖6 所示。圖中“HW10-20-1”表示空心砌塊強(qiáng)度等級為MU10，砌筑砂漿強(qiáng)度等級為Mb20，試件編號為該組第1 號；“SW25-15-1”表示實心磚強(qiáng)度等級為MU25，砌筑砂漿強(qiáng)度等級為Mb15，試件編號為該組第1 號。個別試件未能測到完整的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線，故部分組別只有五個試件的曲線。

從圖5 和圖6 可以看出，每組試件應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的上升段差別較小，但是下降段的離散性較大。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 砌塊砌體受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖3 試驗加載裝置Fig.3 Test loading device

圖4 測量裝置示意圖Fig.4 Measuring device schematic

為給出適用于堿礦渣陶砂砂漿砌筑的堿礦渣陶?；炷疗鰤K砌體的受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，采用上升段和下降段兩個階段來描述用堿激發(fā)礦渣陶砂砂漿砌筑的堿激發(fā)礦渣陶?；炷疗鰤K砌體的受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系全曲線[16?17]。土實心磚砌體，受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段如圖10和式(4)所示：

圖5 堿礦渣陶?；炷量招钠鰤K砌體實測軸心受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5 Measured stress-strain relationship curve of test specimens of alkali slag ceramsite concrete hollow block masonry

對于堿礦渣陶砂砂漿砌筑的堿礦渣陶粒混凝土空心砌塊砌體，受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線上升段如圖7 和式(1)所示：

對由堿礦渣陶砂砂漿砌筑的堿礦渣陶?；炷?/p>

圖6 堿礦渣陶?；炷翆嵭拇u砌體實測軸心受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.6 Measured stress-strain relationship curve of solid slag ceramsite concrete brick masonry

3.2 峰值壓應(yīng)變

表11 給出了堿礦渣陶?；炷量招钠鰤K砌體的峰值壓應(yīng)變，表12 給出了的堿礦渣陶?；炷翆嵭拇u砌體的峰值壓應(yīng)變。

從表11 和表12 可知，砌塊強(qiáng)度一定時，峰值壓應(yīng)變隨著砂漿抗壓強(qiáng)度的增大而減小?？梢姺逯祲簯?yīng)變與砂漿抗壓強(qiáng)度和砌塊抗壓強(qiáng)度有關(guān)，因此，著重考察砂漿強(qiáng)度和砌塊強(qiáng)度對峰值壓應(yīng)變的影響。通過引入砌塊抗壓強(qiáng)度與砌體抗

圖7 基于試驗結(jié)果的空心砌塊砌體受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線上升段Fig.7 The rising section of stress-strain relationship curve of hollow block masonry under pressure based on test results

圖8 基于試驗結(jié)果的實心磚砌塊砌體受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線上升段Fig.8 The rising section of stress-strain relationship curve of solid block masonry under pressure based on test results

圖9 基于試驗結(jié)果的空心砌塊砌體受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段Fig.9 The descending section of stress-strain relationship curve of hollow block masonry under pressure based on test results

圖10 基于試驗結(jié)果的實心磚砌塊砌體受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線下降段Fig.10 The descending section of stress-strain relationship curve of solid block masonry under pressure based on test results

壓強(qiáng)度之比f1/fm、砂漿抗壓強(qiáng)度與砌體抗壓強(qiáng)度之比f2/fm兩項無量綱參數(shù)，通過圖11 可得到堿礦渣陶?；炷量招钠鰤K砌體的峰值壓應(yīng)變計算公式，如式(5)所示。

表11 空心砌塊砌體的峰值壓應(yīng)變Table 11 Peak compressive strain of hollow block masonry

表12 實心磚砌體的峰值壓應(yīng)變Table 12 Peak compressive strain of solid brick masonry

將堿礦渣陶?；炷翆嵭拇u砌體的各試驗點置于該坐標(biāo)系，則磚砌體峰值壓應(yīng)變ε0與f1/fm和f2/fm的關(guān)系如圖12 所示，其計算公式見式(6)：

圖11 空心砌塊砌體峰值壓應(yīng)變ε0 與f1/fm 和f2/fm 的關(guān)系Fig.11 Relationship between peak compressive strain ofhollow block masonry and f1/fm and f2/fm

圖12 實心磚砌體峰值壓應(yīng)變ε0 與f1/fm 和f2/fm 的關(guān)系Fig.12 Relationship between peak compressive strain of solid brick masonry and f1/fm and f2/fm

3.3 極限壓應(yīng)變

fm為砌體抗壓強(qiáng)度平均值，取下降段應(yīng)力為0.5fm對應(yīng)的應(yīng)變作為砌體豎向荷載下的極限壓應(yīng)變。

表13 給出了堿礦渣陶?；炷量招钠鰤K砌體軸心受壓的極限壓應(yīng)變實測值。

表14 給出了堿礦渣陶?；炷翆嵭拇u砌體下降段壓應(yīng)力等于0.5fm的極限壓應(yīng)變。

根據(jù)3.1 節(jié)提出的受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線下降段方程，推導(dǎo)出對應(yīng)于下降段0.5 倍峰值應(yīng)力的應(yīng)變，則用堿礦渣陶砂砂漿砌筑的堿礦渣陶?；炷疗鰤K砌體的極限壓應(yīng)變建議公式如下：

表13 堿礦渣陶粒混凝土空心砌塊砌體的極限壓應(yīng)變Table 13 Ultimate compressive strain of alkali slag ceramsite concrete hollow block masonry

表14 堿礦渣陶?；炷翆嵭拇u砌體的極限壓應(yīng)變Table 14 Ultimate compressive strain of alkali slag ceramsite concrete solid brick masonry

3.4 彈性模量

Emc為砌體彈性模量按式(15)或式(16)的計算值，Emt為砌體彈性模量實測值。令x=Emc/Emt，則對空心砌塊砌體，其平均值=1.04，變異系數(shù)δ=0.16；對實心磚砌體，平均值=0.97，變異系數(shù)δ=0.27。

3.5 泊松比

根據(jù)實測結(jié)果，建議用堿礦渣陶砂砂漿砌筑的堿礦渣陶?；炷量招钠鰤K砌體的泊松比取0.22，用堿礦渣陶砂砂漿砌筑的堿礦渣陶粒混凝土實心磚砌體的泊松比取0.21。

4 結(jié)論

本文通過堿礦渣陶粒混凝土砌塊砌體和堿礦渣陶?；炷翆嵭拇u砌體軸心抗壓強(qiáng)度試驗得到了以下結(jié)論：

(1) 完成了60 個由強(qiáng)度等級為MU7.5、MU10、MU15、MU20 的堿礦渣陶粒混凝土空心砌塊與強(qiáng)度等級為Mb20、Mb25、Mb35、Mb60 的堿礦渣陶砂砂漿砌筑的空心砌塊砌體軸心抗壓試驗和66 個由強(qiáng)度等級為MU25、MU30 的堿礦渣陶?；炷翆嵭拇u與強(qiáng)度等級為Mb15、Mb20、Mb25、Mb30、Mb45、Mb60 的堿礦渣陶砂砂漿砌筑的實心磚砌體軸心抗壓試驗，積累了寶貴的試驗資料。

(2) 當(dāng)砌塊抗壓強(qiáng)度和砌筑砂漿抗壓強(qiáng)度分別相同時，由于堿礦渣陶砂砂漿收縮大，砌體峰值壓應(yīng)變、極限壓應(yīng)變均低于普通混凝土砌塊砌體。

(3) 建立了所研究砌體以砌體抗壓強(qiáng)度、砌塊抗壓強(qiáng)度和砌筑砂漿抗壓強(qiáng)度表達(dá)的峰值壓應(yīng)變、極限壓應(yīng)變及彈性模量計算公式。