江旋，季韜，徐維，梁詠寧

（福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108）

0 引言

堿礦渣水泥能充分合理地利用工業(yè)礦渣，達(dá)到變廢為寶的目的；將其推廣應(yīng)用，既有助于節(jié)能環(huán)保，又符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略[1-2]。與普通硅酸鹽水泥混凝土相比，堿礦渣水泥混凝土有很多優(yōu)點(diǎn)，如抗壓強(qiáng)度高、快硬早強(qiáng)、耐久性好等[3-4]。采用普通硅酸鹽水泥制備泡沫混凝土砌塊，存在硬化慢、強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，堿礦渣水泥可以克服這些缺點(diǎn)，更適用于制備泡沫混凝土砌塊[5]。

目前，針對堿激發(fā)水泥泡沫混凝土的研究還較少。Lidija和Vilma[6]使用過硼酸鈉作為發(fā)泡劑，十二烷基硫酸鈉作為穩(wěn)定劑，粉煤灰作為膠凝材料制備堿激發(fā)水泥泡沫混凝土，這大幅度提高了泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度，但與傳統(tǒng)的泡沫混凝土相比，堿激發(fā)水泥泡沫混凝土的收縮較大。目前有大量研究表明[7-13]，聚丙烯纖維（PP 纖維）可以均勻地分布在泡沫混凝土中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將其作為增強(qiáng)材料應(yīng)用于泡沫混凝土中可以有效改善泡沫混凝土的收縮和抗裂性能、孔結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。但目前PP 纖維對堿礦渣泡沫混凝土砌塊（AFC）的抗壓強(qiáng)度、干密度、吸水率、干燥收縮、裂紋長度率和孔結(jié)構(gòu)等性能的影響研究較少。堿礦渣水泥的收縮大于普通硅酸鹽水泥，摻入PP 纖維預(yù)期會有更好的效果。本文選擇水玻璃作為激發(fā)劑，以鋁粉作為發(fā)泡劑，研究PP 纖維摻量對AFC 性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

（1）礦渣：泰宇混凝土廠提供，堿度系數(shù)1.10，活度系數(shù)0.20，其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 礦渣的主要化學(xué)組成 %

（2）氫氧化鈉：天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司生產(chǎn)，顆粒狀，純度大于96.0%。

（3）粉煤灰：福州雙騰建材有限公司提供，符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求。

（4）水玻璃：品杰儀器有限責(zé)任公司提供，Na2SiO3固體含量為36.0%，水玻璃模數(shù)為3.2，采用氫氧化鈉將水玻璃模數(shù)調(diào)整為1.5。

（5）鎂粉：遼寧海城市群利礦業(yè)有限公司經(jīng)過一次煅燒生產(chǎn)，平均粒徑為33.292 μm，表觀密度為3503 kg/m3，主要組成見表2。

表2 鎂粉的化學(xué)組成 %

（6）水：自來水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》要求。

（7）發(fā)泡劑：從江蘇淮安采購，為水劑型鋁粉膏，基本性能符合JC/T 407—2008《加氣混凝土用鋁粉膏》要求。

（8）聚丙烯（PP）纖維：河北廊坊市昊軒建材廠生產(chǎn)，主要指標(biāo)見表3。

表3 PP 纖維主要指標(biāo)

1.2 配合比

已有的堿礦渣泡沫混凝土配合比為礦渣1736.01 g，粉煤灰193.10 g，氧化鎂80.37 g，水玻璃（固體成分）284.20 g，鋁粉3 g，水333.90 g，編為空白組。分別按照激發(fā)劑、礦渣、粉煤灰、氧化鎂和水的總質(zhì)量的百分比外摻0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%的聚丙烯纖維，分別編為PPS1～5 組，研究PP 纖維的摻量對AFC 性能的影響。

1.3 試件成型工藝

1.3.1 攪拌工藝

按1.2 中的配合比稱量礦渣、粉煤灰、氧化鎂和PP 纖維，將其倒入凈漿攪拌機(jī)中干拌3 min，加入水玻璃激發(fā)劑迅速攪拌，先低速攪拌1 min，再高速攪拌1 min，然后倒入鋁粉高速攪拌30 s，將攪拌均勻的漿體倒至100 mm×100 mm×100 mm的塑料模具高度的1/2，然后靜停發(fā)氣。

1.3.2 養(yǎng)護(hù)工藝

試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下[養(yǎng)護(hù)溫度（20±2）℃、相對濕度（60±5）%]帶模養(yǎng)護(hù)1 d 后拆模，并繼續(xù)在養(yǎng)護(hù)間養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

1.4 性能測試方法

（1）抗壓強(qiáng)度、干密度和吸水率：試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，測試齡期為28 d，試件數(shù)3 個(gè)，參照J(rèn)G/T 266—2011《泡沫混凝土》進(jìn)行測試。

（2）干燥收縮：試件尺寸40 mm×40 mm×160 mm，測試齡期為28 d，試件數(shù)3 個(gè)，參照J(rèn)GJ 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

（3）裂紋長度率：利用Stemi508 型掃描電子顯微鏡拍攝泡沫混凝土側(cè)面照片，使用放大40 倍的刻度放大鏡測量裂紋長度。利用體視顯微鏡隨機(jī)拍攝的4 張照片，測量其裂紋長度，取其平均值，計(jì)算裂紋長度率。裂紋長度率為裂紋長度除以選取照片的面積（50 mm×50 mm），測試齡期為28 d，試件數(shù)為3 個(gè)。

（4）孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)：利用Stemi508 型掃描電子顯微鏡拍攝泡沫混凝土斷面照片，然后應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖像處理軟件Image Pro Plus 對照片進(jìn)行處理，得到其孔圓度值、孔隙率、孔徑分布、平均孔徑[14]。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 PP 纖維摻量對AFC 抗壓強(qiáng)度和干、濕密度的影響（見圖1）

圖1 PP 纖維摻量對AFC 28 d 抗壓強(qiáng)度和干、濕密度的影響

由圖1 可知，隨著PP 纖維摻量的增加，AFC 的抗壓強(qiáng)度和干、濕密度下降。纖維摻量從0 增加到0.6%時(shí)，AFC 的抗壓強(qiáng)度從3.96 MPa 下降至3.41 MPa，下降了13.9%；濕密度從648 kg/m3下降至612 kg/m3，下降了5.6%；干密度從575 kg/m3下降至540 kg/m3，下降了6.1%。當(dāng)PP 纖維摻量為0.6%時(shí)，AFC 抗壓強(qiáng)度、濕密度和干密度達(dá)到最低值，分別為3.41 MPa、612 kg/m3和540 kg/m3，但最低強(qiáng)度仍能符合JG/T 266—2011 中C3 等級的要求。

2.2 PP 纖維摻量對AFC 吸水率的影響（見表4）

表4 PP 纖維摻量對AFC 吸水率的影響

由表4 可知，隨著PP 纖維摻量的增加，AFC 吸水率呈上升趨勢。摻量為0.6%時(shí)，其吸水率最大，相較于未摻PP 纖維的AFC，其吸水率上升了18.9%；當(dāng)摻量在0.4%～0.6%時(shí)，AFC 吸水率上升速度加快。將PP 纖維摻入AFC 中，PP 纖維會穿插分布在AFC 漿體中，使內(nèi)部連通孔和貫穿孔的數(shù)量增多，AFC 吸水率也增大。

2.3 PP 纖維摻量對AFC 干燥收縮的影響（見圖2）

圖2 PP 纖維摻量對AFC 干燥收縮的影響

由圖2 可知，隨著PP 纖維摻量的增加，干燥收縮在每個(gè)齡期均下降。當(dāng)PP 纖維摻量為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%時(shí)，相較于未摻纖維的AFC3 d 干燥收縮分別降低了10.13%、15.27%、18.34%、20.93%和22.48%，56 d 干燥收縮分別降低了4.88%、7.01%、9.95%、10.82%和12.29%。

由于PP 纖維的直徑較小，可以均勻地分布在AFC 漿體內(nèi)部；當(dāng)漿體發(fā)氣后，纖維在AFC 內(nèi)部形成了亂向支撐；當(dāng)AFC 漿體干燥收縮產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，PP 纖維就會承受拉應(yīng)力，消耗部分內(nèi)應(yīng)力，使得AFC 干燥收縮減小。

2.4 PP 纖維摻量對AFC 裂紋長度率的影響（見表5）

表5 PP 纖維摻量對AFC 裂紋長度率的影響

如表5所示，隨著6 mm 纖維摻量的增加，裂紋長度率呈大幅度下降趨勢。摻入0.6%PP 纖維時(shí)，AFC 裂紋長度率最低；相較于未摻纖維的AFC，其裂紋長度率下降了97.4%。細(xì)長的纖維橫跨AFC 微裂縫，抵消掉因收縮而產(chǎn)生的拉應(yīng)力，限制裂紋的發(fā)展。當(dāng)PP 纖維摻量在0～0.3%時(shí)，裂紋長度率減少最明顯。這是因?yàn)楫?dāng)PP 纖維的摻量較多時(shí)，纖維在AFC 內(nèi)部容易分布不均勻，導(dǎo)致其對裂紋發(fā)展的限制作用沒有小摻量的好。因此，當(dāng)纖維摻量在0.3%～0.6%時(shí)，裂紋長度率下降的趨勢沒有摻量在0～0.3%時(shí)的明顯。

2.5 PP 纖維摻量對孔結(jié)構(gòu)的影響（見表6）

表6 纖維摻量對堿礦渣泡沫混凝土平均孔徑和孔隙率的影響

由表6 可以看出，隨著PP 纖維摻量的增多，AFC 的平均孔徑呈減小的趨勢，孔隙率呈增大的趨勢。當(dāng)纖維摻量為0.6%時(shí)，相較于未摻纖維的AFC，其平均孔徑減少了24.8%，孔隙率增大了13.6%?？紫堵实脑龃髮?dǎo)致了AFC 干密度、濕密度和抗壓強(qiáng)度的下降。不同PP 纖維摻量AFC 的孔徑與孔圓度值分布見圖3。

由圖3 可以看出，隨著PP 纖維摻量的增加，AFC 大孔減少，小孔的比例增多，AFC 孔的圓度值逐漸得到改善。圓度值用來描述孔形貌特征，孔越圓，則圓度值越接近1，孔形貌特征越好。從圖3（b）可以看出，在未摻PP 纖維的空白組中，AFC 孔圓度值在1.0～1.8 之間的數(shù)量占52.9%，而圓度值超過1.8 的占47.1%。隨著PP 纖維摻量的增多，圓度值大于1.8 的孔有一定程度的減少，孔的形貌特征得到改善。雖然孔的形貌特征得到一定程度的改善，但是由于影響抗壓強(qiáng)度的主導(dǎo)因素是孔隙率，所以抗壓強(qiáng)度還是會隨著孔隙率的增加而下降。

圖3 PP 纖維摻量對AFC 孔結(jié)構(gòu)的影響

2.6 SEM 分析

不同摻量PP 纖維堿礦渣泡沫混凝土砌塊的氣孔結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 不同PP 纖維摻量AFC 的氣孔結(jié)構(gòu)

由圖4 可知，未摻PP 纖維的AFC 存在一些微小的孔洞和微裂紋。隨著PP 纖維摻量的增加，微裂紋逐漸減少，當(dāng)摻入0.4%和0.6%的PP 纖維后，堿礦渣泡沫混凝土的內(nèi)部幾乎看不到微裂紋的存在。PP 纖維可以抵抗堿礦渣泡沫混凝土裂紋的擴(kuò)展，減小裂紋長度率。相較于未摻纖維的空白組，摻入PP 纖維AFC 的連通孔和貫穿孔數(shù)量增多，使摻入PP 纖維的AFC 吸水率增加。不同PP 纖維摻量AFC 中纖維與硬化漿體的交接面見圖5。

圖5 不同PP 纖維摻量AFC 中纖維與硬化漿體的交接面

由圖5 可以看出，硬化漿體對PP 纖維的包裹性也較好，在纖維與漿體接觸面幾乎看不到微裂紋的存在，纖維與硬化漿體粘結(jié)效果較好，所以當(dāng)PP 纖維承受拉應(yīng)力的同時(shí)，PP 纖維不易松動，這證明了摻入PP 纖維可以減小干燥收縮和裂紋長度率。

3 結(jié)論

（1）隨著PP 纖維摻量增加（0～0.6%），堿礦渣泡沫混凝土砌塊（AFC）孔徑大小分布、孔圓度值得到了改善，但由于孔隙率的增加是主導(dǎo)因素，AFC 吸水率上升，其抗壓強(qiáng)度和干、濕密度減小。

（2）隨著PP 纖維摻量的增加，硬化漿體對PP 纖維的包裹性也較好，在纖維與漿體接觸面幾乎看不到微裂紋的存在，由于PP 纖維與硬化漿體粘結(jié)效果較好，AFC 干燥收縮和裂紋長度率均下降。