Mechanical Property Modification of Alkali-activated Slag Fly Ash-based Geopolymer and its Concrete Property
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摘要:
这是一篇陶瓷及复合材料领域的论文。碱激发矿渣粉煤灰地质聚合物（ASFG）具有早期强度高、耐酸碱等优异性能，但脆性大、韧性差等缺陷影响其推广应用。为改善ASFG的性能且拓宽可应用于ASFG改性的矿物掺合料种类，以偏高岭土、沸石粉、膨润土、硅灰石粉、轻质碳酸钙和硅灰六种矿物掺合料作为改性材料，研究了其对ASFG力学性能的改性效果，并确定了硅灰为较佳改性材料。为深入探索硅灰对ASFG力学性能的改善作用，研究了硅灰掺量对ASFG力学性能的影响，并确定了硅灰的较佳掺量。最后，制备了碱激发矿渣-粉煤灰-硅灰地质聚合物混凝土（ASFSGC），并研究了其工作性、准静态力学性能和抗渗性。结果表明：膨润土、硅灰石粉、轻质碳酸钙、硅灰四种矿物掺合料对ASFG的抗折强度具有明显增强效果。硅灰石粉、硅灰两种矿物掺合料对ASFG的抗压强度具有明显增强效果。对ASFG而言，硅灰是一种优质矿物掺合料。随着硅灰掺量的增大，ASFG的力学性能先增大后减小，硅灰的较佳掺量为4%。ASFSGC具有良好的工作性、优异的抗渗性能，且ASFSGC的延性较普通硅酸盐水泥混凝土提高了14.1%。
Abstract:This is an article in the field of ceramics and composites. Alkali-activated Slag-fly Ash-based Geopolymer (ASFG) has excellent properties such as high early strength, acid and alkali resistance, but its large brittleness and poor toughness affect its popularization and application. In order to improve the properties of ASFG and broaden the types of mineral admixtures that can be used for ASFG modification, six kinds of mineral admixtures, including metakaolin, zeolite powder, bentonite, wollastonite powder, light calcium carbonate and silica fume, are used as modified materials, and their modification effects on ASFG are studied. The optimum modified material is silica fume. In order to further explore the improvement effect of silica fume on the mechanical properties of ASFG, the effect of the content of silica fume on the mechanical properties of ASFG is studied, and the optimal content of silica fume is determined. Finally, Alkali-activated Slag-fly Ash-silica Fume-based Geopolymer Concrete (ASFSGC) is prepared, and its workability, quasi-static mechanical properties and impermeability are studied. The results show that bentonite, wollastonite powder, light calcium carbonate and silica fume can significantly improve the flexural strength of ASFG. Wollastonite powder and silica fume can significantly improve the compressive strength of ASFG. For ASFG, silica fume is a premium mineral admixture. With the increase of silica fume content, the mechanical properties of ASFG first increase and then decrease, and the optimal content of silica fume is 4%. ASFSGC has good workability and excellent impermeability, and the ductility of ASFSGC is 14.1% larger than that of ordinary Portland cement concrete.
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Keywords:
- Ceramics and composites /
- Alkali-activated slag-fly ash /
- Geopolymer /
- Concrete /
- Mineral admixtures /
- Silica fume
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地质聚合物是一种新型绿色胶凝材料，以来源广泛的工业固废为原材料，在碱性激发剂的条件下发生解聚缩聚反应，生成三维网状结构的无机聚合物[1-3]。地质聚合物能耗小、碳排放低、制备方便，并且快凝早强、耐久性性优异，具有广阔的应用前景，是普通硅酸盐水泥的较佳替代物之一[4-5]。然而，地质聚合物存在脆性大、韧性差等缺陷[6]。为改善地质聚合物的性能，相关研究使用了纤维、纳米颗粒、碳纳米管、聚合物等作为改性材料，改性后的地质聚合物性能均有不同程度改善[7-10]。
在普通硅酸盐水泥中，除采用上述改性材料改善其性能外，还使用矿物掺合料。作为工业副产品的矿物掺合料，在建材行业中的回收利用能缓解环境负荷，降低碳排放，减少能源和自然资源的消耗[11]。矿物掺合料在普通硅酸盐水泥中得到了广泛使用，可有效提高普通硅酸盐水泥的性能，已成为普通硅酸盐水泥混凝土中的重要组分[12]。因此，借鉴矿物掺合料在普通硅酸盐水泥的高效利用，将其引入地质聚合物中，以期实现地质聚合物力学性能的改善。但此前将矿物掺合料应用于地质聚合物的研究相对较少，且主要集中在矿渣、粉煤灰、矿粉等方面[13]。
为拓宽可应用于地质聚合物改性的矿物掺合料种类，本文采用偏高岭土、沸石粉、膨润土、硅灰石粉、轻质碳酸钙和硅灰六种矿物掺合料对碱激发矿渣粉煤灰地质聚合物（ASFG）进行改性，研究了矿物掺合料对ASFG力学性能的改性效果，确定了硅灰为较佳改性材料。为深入探索硅灰对ASFG力学性能的改善作用，研究了硅灰掺量对ASFG力学性能的影响。并基于此，制备了碱激发矿渣-粉煤灰-硅灰地质聚合物混凝土（ASFSGC），研究了其工作性、准静态力学性能和抗渗性。
1. 实 验
1.1 实验材料
制备ASFG的材料包括碱性激发剂、胶凝材料、外加剂、水和矿物掺合料。制备ASFSGC的材料包括碱性激发剂、胶凝材料、外加剂、水、矿物掺合料和集料。碱性激发剂包括NaOH（片状）、Na2CO3（粉状），分析纯。胶凝材料包括矿渣和粉煤灰。矿渣：水淬高炉矿渣，比表面积为491.6 m2/kg。粉煤灰：满足Ⅰ级要求。矿渣和粉煤灰的化学组成见表1。外加剂：三聚磷酸钠（粉状），P2O5≥57%，Na6P3O10≥90%。水：洁净的自来水。矿物掺合料包括硅灰、偏高岭土、沸石粉、膨润土、硅灰石粉和轻质碳酸钙，粒径见表2。粗集料：石灰岩碎石，粒径5～10 mm的碎石占15%，粒径10～20 mm的碎石占85%。细集料：中砂，细度模数为2.8。
表 1 矿渣和粉煤灰的化学组成/%Table 1. Chemical composition of slags and fly ash氧化物 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O TiO2 MgO K2O P2O5 SO3 其他 烧失量 矿渣 29.2 19.4 5.8 38.6 0.2 0.6 2.8 0.1 — 2.6 0.4 0.3 粉煤灰 45.8 21.4 12.6 13.7 1.1 0.2 1.3 1.8 0.1 1.9 — 0.1 表 2 矿物掺合料的粒径/μmTable 2. Particle size of mineral admixtures硅灰 偏高岭土 沸石粉 膨润土 硅灰石粉 轻质碳酸钙 0.1 10 10 75 15 10 1.2 试件制备
ASFG和ASFSGC试件的配合比分别见表3、表4。表中，ASFG-K0为空白对照组，即未掺加矿物掺合料；ASFG-T0为条件对照组，即掺加4.0%的煤灰矿渣复合体（m(粉煤灰)∶m(矿渣)=0.6，与胶凝材，的配比相同）；其余均为实验组，偏高岭土、沸石粉、膨润土、硅灰石粉和轻质碳酸钙等矿物掺合料的掺量均为4.0%，硅灰的掺量为2.0%～8.0%。
表 3 ASFG试件的配合比Table 3. Mix ratio of ASFG specimens试件编号 矿物掺合
料种类m(碱性激发剂)∶
m(胶凝材料)m(胶凝材料+
碱性激发剂)∶
m(水)m(NaOH)∶
m(Na2CO3)m(粉煤灰)∶
m(矿渣)m(三聚磷酸钠)∶
m(胶凝材料)m(矿物掺合料)∶
m(胶凝材料)ASFG-K0 - 6.0% 2.8 1.3 0.6 0.4% - ASFG-T0 粉煤灰、矿渣 4.0% ASFG-M 偏高岭土 ASFG-Z 沸石粉 ASFG-B 膨润土 ASFG-W 硅灰石粉 ASFG-C 轻质碳酸钙 ASFG-SF2 硅灰 2.0% ASFG-SF4 4.0% ASFG-SF6 6.0% ASFG-SF8 8.0% ASFG试件的制备流程如下：（1）将矿渣、粉煤灰、三聚磷酸钠和矿物掺合料混合搅拌均匀，制备混合粉体。（2）将NaOH和Na2CO3混合，而后加水搅拌使其溶解，制成混合液体，待冷却至室温后待用。（3）采用净浆搅拌机将粉体和液体混合并搅拌均匀，而后装入40 mm×40 mm×160 mm三联模中，振捣、成型，室内放置24 h后移入标准养护箱中养护至相应龄期。
表 4 ASFSGC试件的配合比/（kg/m3）Table 4. Mix ratio of ASFSGC specimens矿渣 粉煤灰 NaOH Na2CO3 砂 碎石 水 三聚磷酸钠 硅灰 304 183 17 13 583 1 037 184.6 1.95 19.48 ASFSGC试件的制备步骤（1）、（2）与ASFG试件一致，其中矿物掺合料为硅灰，掺量为4%。（3）将砂、碎石加入搅拌机搅拌30 s。（4）将1/2液体加入搅拌机搅拌30 s。（5）将粉体全部加入搅拌机搅拌30 s。（6）将剩余1/2液体加入搅拌机搅拌30 s。（7）将拌合物装入模具，振捣、成型、养护。ASFSGC试件包括150 mm×150 mm×150 mm立方体试件、150 mm×150 mm×600 mm长方体试件和顶面直径为175 mm，底面直径为185 mm，高度为150 mm的圆台体试件。
1.3 实验方法
ASFG强度测试：按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—2021）中规定测试ASFG的强度，先测试抗折强度ff，而后使用断块测试抗压强度fc。ASFG的强度测试实验结果见表5。
表 5 ASFG的强度测试实验结果/MPaTable 5. Strength test results of ASFG试件编号 矿物掺合料种类 ff-3d fc-3d ff-7d fc-7d ff-28d fc-28d ASFG-K0 - 3.53 18.13 4.12 27.20 4.43 44.19 ASFG-T0 粉煤灰、矿渣 3.88 19.08 4.51 31.32 4.82 48.38 ASFG-M 偏高岭土 3.28 19.02 3.88 29.98 4.25 46.17 ASFG-Z 沸石粉 3.62 18.39 4.32 28.19 4.69 45.27 ASFG-B 膨润土 3.97 19.39 5.01 28.79 5.33 47.33 ASFG-W 硅灰石粉 4.09 19.60 4.77 33.44 5.52 49.71 ASFG-C 轻质碳酸钙 4.11 18.99 5.11 28.27 6.02 45.72 ASFG-SF2 硅灰 3.94 18.35 4.87 30.19 4.95 49.57 ASFG-SF4 4.13 20.78 5.40 36.95 6.43 54.57 ASFG-SF6 4.09 22.24 5.23 36.01 6.37 55.14 ASFG-SF8 3.26 21.65 4.27 34.97 4.32 51.47 ASFG扫描电镜实验：采用EM-30型扫描电子显微镜观察ASFG的微观形貌。
ASFSGC和易性测试：按照《普通混凝土拌合物性能实验方法标准》（GB/T 50080—2002）中规定测试ASFSGC的流动性、粘聚性和保水性。
ASFSGC强度测试：按照《普通混凝土力学性能实验方法标准》（GB/T 50081—2002）中规定测试ASFSGC的抗折强度ff、抗压强度fc和劈拉强度fst。
ASFSGC抗渗性测试：按照《普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法标准》（GB/T 50082—2009）中规定测试ASFSGC的抗渗性。首先采用逐级加压法测试计算ASFSGC的抗渗等级，若压力达到3.0 MPa后，试件均不透水，则采用渗水高度法测试ASFSGC的渗水高度。
2. 结果与分析
2.1 矿物掺合料对ASFG力学性能的影响
2.1.1 矿物掺合料对ASFG抗折强度的影响
定义强度增长率（Increase rate of strength，If）表征矿物掺合料对ASFG强度的影响程度，If可由式（1）计算得到。
$$ If=\left({f}_{\mathrm{A}\mathrm{S}\mathrm{F}\mathrm{G}-\mathrm{X}}-{f}_{\mathrm{A}\mathrm{S}\mathrm{F}\mathrm{G}-\mathrm{K}0}\right)/{f}_{\mathrm{A}\mathrm{S}\mathrm{F}\mathrm{G}-\mathrm{K}0} $$ (1) 式中，fASFG-K0为空白对照组ASFG-K0的强度，fASFG-X为实验组试件的强度。不同龄期下矿物掺合料对ASFG抗折强度增长率（Iff）的影响见图1。由表5和图1可知，掺加偏高岭土后，ASFG的抗折强度有所减小，且龄期越早，降低越明显。与ASFG-K0相比，3 d龄期时，ASFG-M的抗折强度减小了7.08%；28 d龄期时，ASFG-M的抗折强度减小了4.06%。其余矿物掺合料的掺加均可以提高ASFG的抗折强度，且整体上随着龄期的增大，ASFG的Iff不断增大。与条件对照组ASFG-T0相比，掺加沸石粉后，ASFG的抗折强度虽有所增大，但ASFG-Z的Iff较ASFG-T0小。ASFG-B、ASFG-W、ASFG-C、ASFG-SF4的Iff较ASFG-T0大，膨润土、硅灰石粉、轻质碳酸钙、硅灰四种矿物掺合料对ASFG的抗折强度具有明显增强效果。以Iff，max表示矿物掺合料对ASFG抗折强度的最大增幅，则矿物掺合料对ASFG抗折强度增强作用的大小依次为Iff，max-SF4=45.15%、Iff，max-C=35.89%、Iff，max-W=24.60%、Iff，max-B=21.60%、Iff，max-Z=5.87%。由此可见，硅灰对ASFG抗折强度的增强作用较佳，其余依次是轻质碳酸钙、硅灰石粉、膨润土、沸石粉，偏高岭土对ASFG抗折强度具有劣化效果。
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图 1 不同龄期下矿物掺合料对ASFG抗折强度增长率（Iff）的影响Figure 1. Effect of mineral admixtures on the increase rate of flexural strength of ASFG at different ages2.1.2 矿物掺合料对ASFG抗压强度的影响
不同龄期下矿物掺合料对ASFG抗压强度增长率（Ifc）的影响见图2。由表5和图2可知，6种矿物掺合料的掺入对ASFG各个龄期的抗压强度均有一定的提高作用，但对各龄期的增幅不同，总体趋势为7 d>28 d>3 d。与条件对照组ASFG-T0相比，掺加偏高岭土、沸石粉、膨润土、轻质碳酸钙后，ASFG的抗折强度虽有所增大，但ASFG-M、ASFG-Z、ASFG-B、ASFG-C的Iff较ASFG-T0小。ASFG-W、ASFG-SF4的Iff较ASFG-T0大，硅灰石粉、硅灰两种矿物掺合料对ASFG的抗压强度具有明显增强效果。以Ifc，max表示矿物掺合料对ASFG抗压强度的增大增幅，则矿物掺合料对ASFG抗压强度增强作用的大小依次为Iff，max-SF4=35.85%、Iff，max-W=22.94%、Iff，max-M=10.22%、Iff，max-B=7.11%、Iff，max-C=4.74%、Iff，max-Z=3.64%。由此可见，硅灰对ASFG抗压强度的增强作用较佳，其余依次是硅灰石粉、偏高岭土、膨润土、轻质碳酸钙、沸石粉。综合两方面的强度特性可知，对于ASFG来说，优质的矿物掺合料为硅灰和硅灰石粉。另一方面也说明，在普通硅酸盐水泥中能发挥一定强度优势的矿物掺合料，如偏高岭土、沸石粉、膨润土、轻质碳酸钙等，在ASFSGC中表现出来的强度增强效果却不是特别明显。
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图 2 不同龄期下矿物掺合料对ASFG抗压强度增长率（Ifc）的影响Figure 2. Effect of mineral admixtures on the increase rate of compressive strength of ASFG at different ages2.2 硅灰掺量对ASFG力学性能的影响
2.2.1 硅灰掺量对ASFG抗折强度的影响
为深入研究硅灰对ASFG力学性能的改善作用，以掺量为设计参数建立了硅灰改性ASFG的实验方案，并测试3、7、28 d龄期下的强度，结果见表5。不同龄期下硅灰掺量对ASFG抗折强度增长率（Iff）的影响见图3。由表5和图3可知，当硅灰掺量为2%～6%时，ASFG的抗折强度均有不同程度的增大。当硅灰掺量为8%时，ASFG在3 d和28 d龄期的抗折强度均有所减小，在7 d龄期时的抗折强度有所增大。硅灰掺量过大时，在ASFG中不易分散，所以导致ASFG-SF8的抗折强度有所减小。龄期相同时，随着硅灰掺量的增大，ASFG的抗折强度均先增大后减小。当硅灰掺量为4%时，各龄期下ASFG的抗折强度、Iff均最大。以Iff，max表示硅灰对ASFG抗折强度的最大增幅，则各个掺量硅灰对ASFG抗折强度增强作用的大小依次为Iff，max-SF4=45.15%、Iff，max-SF6=43.79%、Iff，max-SF2=18.20%。
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图 3 不同龄期下硅灰掺量对ASFG抗折强度增长率（Iff）的影响Figure 3. Effect of silica fume content on the increase rate of flexural strength of ASFG at different ages2.2.2 硅灰掺量对ASFG抗压强度的影响
不同龄期下硅灰掺量对ASFG抗压强度增长率（Ifc）的影响见图4。由表5和图4可知，不掺量硅灰均对ASFG的抗压强度具有增强效果。随着龄期的增大，硅灰对ASFG抗压强度的增幅总体上表现为先增大后减小，硅灰对7 d龄期时ASFG抗压强度的增幅最大。龄期相同时，随着硅灰掺量的增大，ASFG的抗压强度、Ifc均先增大后减小。以Ifc，max表示硅灰对ASFG抗压强度的最大增幅，则各个掺量硅灰对ASFG抗压强度增强作用的大小依次为Iff，max-SF4=35.85%、Iff，max-SF6=32.39%、Iff，max-SF8=28.57%、Iff，max-SF2=12.17%。
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图 4 不同龄期下硅灰掺量对ASFG抗压强度增长率（Ifc）的影响Figure 4. Effect of silica fume content on the increase rate of compressive strength of ASFG at different ages综合分析可知，ASFG的强度并不随着硅灰掺量的增加而不断增大，因此存在较佳硅灰掺量。由于硅灰的价格较贵（1500元/t），因此在选择较佳掺量的时候，需从价格和性能改性的两方面角度综合考虑。定义强度掺量比（Strength Volumn Ratio，SVR），以28 d龄期时ASFG的强度为基准，评价硅灰掺量增大对ASFG强度增长率的影响，SVR由式（2）计算得到。
$$ SV{R}_{i}=\frac{{If}_{SF-i}-{If}_{Sf-\left(i-2\right)}}{{\upsilon }_{i}-{\upsilon }_{i-2}}\times 100{\text{%}}\;\;\;\;i=\mathrm{2,4},\mathrm{6,8} $$ (2) 式中，vi为硅灰掺量，例如v2为2%。SVRf,f表示抗折强度掺量比，SVRf,c表示抗压强度掺量比。不同硅灰掺量ASFG的强度掺量比（SVR）见图5。由图可知，综合考虑SVRf,f与SVRf,c，硅灰的较佳掺量为4%。
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图 5 不同硅灰掺量ASFG的强度掺量比（SVR）Figure 5. Strength volumn ratio of ASFG with different volumn of silica fume2.2.3 机理分析
ASFG的微观形貌见图6。由图6可知，与未掺加硅灰时相比，掺加4%的硅灰后，ASFG的内部结构更为致密，基体内孔隙和裂缝的数量显著减少。且未掺加硅灰时，ASFG内存在较多不规则的界面。而掺加硅灰后，ASFG内虽然也存在界面，但界面连接十分紧密。硅灰对ASFG强度的增强效应主要在于其具备的两种特性：由于硅灰的主要成分为无定形二氧化硅，它们具有很高的活性，因而硅灰是当前最好的火山灰材料；硅灰的颗粒极细，可以填充其他粉体颗粒之间的空隙[14]。由硅灰的特性，可产生以下几方面的微观效应：（1）复合化学效应。在早期水化过程中起到晶核作用，与矿渣、粉煤灰复合在碱激发作用下发生聚合反应，同时由于颗粒非常细，可弥补地质聚合物内部三维网状结构的可能存在的缺陷；（2）自紧密堆积效应。研究表明，粉体材料的粒度分布对混凝土性能的影响至关重要。一般而言，矿渣颗粒粒径>粉煤灰颗粒粒径，而硅灰颗粒的粒径小于1 μm，平均粒径约0.1 μm，小于粉煤灰颗粒粒径，因此可填充粉煤灰颗粒间隙，进一步优化了粉体材料的微级配，形成细观层次的自紧密体系[15]；（3）界面效应。硅灰颗粒的形状和表面粗糙度利于保水，可抑制界面处水膜的形成，改善界面过渡区的结构，提高界面粘结强度[13]。大量实验表明，硅灰不仅具有明显的增强效应，而且在耐久性等方面也对ASFG具有明显的改善作用。而且市场调研表明，硅灰具有潜在的价格优势前景。对ASFG而言，硅灰是一种优质矿物掺合料，发展前景广阔，值得进一步开展相关研究。
2.3 ASFSGC的基本性能
ASFG在工程实践中的应用主要以混凝土的形式出现，因此基于上述研究，制备了ASFSGC。并对ASFSGC的基本性能进行研究，包括三方面的内容：（1）新拌混凝土性能，主要指工作性；（2）准静态力学性能，测试了标准养护3、7、28 d的ASFSGC的强度特性，分析了应力应变曲线，并从宏观角度评价了其粘结性能；（3）耐久性，主要测试其抗渗性。
2.3.1 ASFSGC的工作性
ASFSGC工作性测试结果表明：（1）流动性：坍落度为188 mm，满足大流动性混凝土（坍落度>160 mm）的要求。（2）粘聚性：用捣棒轻轻敲击已坍落的新拌混凝土锥体，可发现锥体四周逐渐下沉，由此说明粘聚性良好。（3）保水性：根据新拌混凝土中稀浆析出的程度来评定。坍落度筒提起后，可发现基本无稀浆，说明保水性良好。由此可见，ASFSGC实现了流动性、粘聚性、保水性三方面的协调统一，与硅酸盐水泥作为胶凝材料相比，ASFG更易于实现高工作性。
2.3.2 ASFSGC的准静态力学性能
ASFSGC准静态力学性能实验表明，实验中ASFSGC破坏面均是贯通骨料，较少出现骨料的突出，由此可从宏观上确定，ASFG净浆与骨料间的界面粘结性能优异。ASFSGC抗折、抗压及劈拉实验测试结果见表6。
表 6 ASFSGC抗折、抗压及劈拉实验测试结果Table 6. Flexural, compressive and splitting test results of ASFSGC龄期/d 抗折强度/MPa 抗压强度/MPa 劈拉强度/MPa 3 3.27 19.59 3.87 7 3.66 29.37 4.12 28 4.83 42.89 5.13 测试准静态抗压强度时，得到了ASFSGC的应力应变曲线，并将其与同等强度等级（实测28 d抗压强度为39.84 MPa）的普通硅酸盐水泥混凝土（Ordinary Portland Cement-based Concrete, OPCC）进行对比，见图7。对比可知，相对于OPCC而言，ASFSGC具有较好的延性。定义静态抗压强度达到极大值时对应的应变为$ {\varepsilon }_{s,c} $，由图可知，$ {\varepsilon }_{s,c\left(ASFGC\right)} $=0.0017，$ {\varepsilon }_{s,c\left(OPCC\right)} $=0.00149以此作为延性的评判标准，则ASFSGC的延性较之OPCC提高了14.1%。
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图 7 ASFSGC与OPCC的应力应变曲线对比Figure 7. Comparison of stress-strain curves of ASFSGC and OPCC2.3.3 ASFSGC的抗渗性
ASFSGC的抗渗实验结果如下：（1）由逐级加压法测试表明，压力达到3.0 MPa 后，试件均不透水，则有ASFSGC抗渗等级$ {P}_{ASFGC} $>10×3.0-1=29。而一般而言，抗渗等级≥P6的混凝土可称为抗渗混凝土，故ASFSGC是抗渗混凝土（2）采用渗水高度法进行进一步的研究，利用梯形玻璃板测得的渗水高度结果见表7。由表7可知，ASFSGC的平均渗水高度为9.2 mm。综合可知，ASFSGC具有优异的抗渗性。
表 7 ASFSGC的渗水高度Table 7. Water penetration height of ASFSGC试件编号 测点 渗水高度/mm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ASFSGC-1 14 12 9 10 8 11 14 11 12 13 11.4 ASFSGC-2 7 7 6 5 6 6 4 6 4 4 5.5 ASFSGC-3 10 11 9 9 8 4 7 8 10 12 8.8 ASFSGC-4 12 13 11 7 5 8 6 7 7 6 8.2 ASFSGC-5 19 17 14 13 12 13 15 17 19 20 15.9 ASFSGC-6 8 6 6 5 7 5 3 2 4 7 5.3 结果 ASFSGC试件的平均渗水高度/mm 9.2 3. 结 论
（1）膨润土、硅灰石粉、轻质碳酸钙、硅灰四种矿物掺合料对ASFG的抗折强度具有明显增强效果。硅灰石粉、硅灰两种矿物掺合料对ASFG的抗压强度具有明显增强效果。硅灰对ASFG力学性能的改性效果较佳。
（2）对ASFG而言，硅灰是一种优质矿物掺合料。随着硅灰掺量的增大，ASFG的力学性能先增大后减小，硅灰的较佳掺量为4%。
（3）ASFSGC具有良好的工作性，实现了流动性、粘聚性、保水性三方面的协调统一。ASFSGC的延性较普通硅酸盐水泥混凝土提高了14.1%。ASFG净浆与骨料间的界面粘结性能优异，ASFSGC具有优异的抗渗性能。
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图 1 不同龄期下矿物掺合料对ASFG抗折强度增长率（Iff）的影响
Figure 1. Effect of mineral admixtures on the increase rate of flexural strength of ASFG at different ages
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图 2 不同龄期下矿物掺合料对ASFG抗压强度增长率（Ifc）的影响
Figure 2. Effect of mineral admixtures on the increase rate of compressive strength of ASFG at different ages
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图 3 不同龄期下硅灰掺量对ASFG抗折强度增长率（Iff）的影响
Figure 3. Effect of silica fume content on the increase rate of flexural strength of ASFG at different ages
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图 4 不同龄期下硅灰掺量对ASFG抗压强度增长率（Ifc）的影响
Figure 4. Effect of silica fume content on the increase rate of compressive strength of ASFG at different ages
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图 5 不同硅灰掺量ASFG的强度掺量比（SVR）
Figure 5. Strength volumn ratio of ASFG with different volumn of silica fume
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图 7 ASFSGC与OPCC的应力应变曲线对比
Figure 7. Comparison of stress-strain curves of ASFSGC and OPCC
表 1 矿渣和粉煤灰的化学组成/%
Table 1 Chemical composition of slags and fly ash
氧化物 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O TiO2 MgO K2O P2O5 SO3 其他 烧失量 矿渣 29.2 19.4 5.8 38.6 0.2 0.6 2.8 0.1 — 2.6 0.4 0.3 粉煤灰 45.8 21.4 12.6 13.7 1.1 0.2 1.3 1.8 0.1 1.9 — 0.1 
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表 2 矿物掺合料的粒径/μm
Table 2 Particle size of mineral admixtures
硅灰 偏高岭土 沸石粉 膨润土 硅灰石粉 轻质碳酸钙 0.1 10 10 75 15 10
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表 3 ASFG试件的配合比
Table 3 Mix ratio of ASFG specimens
试件编号 矿物掺合
料种类m(碱性激发剂)∶
m(胶凝材料)m(胶凝材料+
碱性激发剂)∶
m(水)m(NaOH)∶
m(Na2CO3)m(粉煤灰)∶
m(矿渣)m(三聚磷酸钠)∶
m(胶凝材料)m(矿物掺合料)∶
m(胶凝材料)ASFG-K0 - 6.0% 2.8 1.3 0.6 0.4% - ASFG-T0 粉煤灰、矿渣 4.0% ASFG-M 偏高岭土 ASFG-Z 沸石粉 ASFG-B 膨润土 ASFG-W 硅灰石粉 ASFG-C 轻质碳酸钙 ASFG-SF2 硅灰 2.0% ASFG-SF4 4.0% ASFG-SF6 6.0% ASFG-SF8 8.0%
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表 4 ASFSGC试件的配合比/（kg/m3）
Table 4 Mix ratio of ASFSGC specimens
矿渣 粉煤灰 NaOH Na2CO3 砂 碎石 水 三聚磷酸钠 硅灰 304 183 17 13 583 1 037 184.6 1.95 19.48
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表 5 ASFG的强度测试实验结果/MPa
Table 5 Strength test results of ASFG
试件编号 矿物掺合料种类 ff-3d fc-3d ff-7d fc-7d ff-28d fc-28d ASFG-K0 - 3.53 18.13 4.12 27.20 4.43 44.19 ASFG-T0 粉煤灰、矿渣 3.88 19.08 4.51 31.32 4.82 48.38 ASFG-M 偏高岭土 3.28 19.02 3.88 29.98 4.25 46.17 ASFG-Z 沸石粉 3.62 18.39 4.32 28.19 4.69 45.27 ASFG-B 膨润土 3.97 19.39 5.01 28.79 5.33 47.33 ASFG-W 硅灰石粉 4.09 19.60 4.77 33.44 5.52 49.71 ASFG-C 轻质碳酸钙 4.11 18.99 5.11 28.27 6.02 45.72 ASFG-SF2 硅灰 3.94 18.35 4.87 30.19 4.95 49.57 ASFG-SF4 4.13 20.78 5.40 36.95 6.43 54.57 ASFG-SF6 4.09 22.24 5.23 36.01 6.37 55.14 ASFG-SF8 3.26 21.65 4.27 34.97 4.32 51.47
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表 6 ASFSGC抗折、抗压及劈拉实验测试结果
Table 6 Flexural, compressive and splitting test results of ASFSGC
龄期/d 抗折强度/MPa 抗压强度/MPa 劈拉强度/MPa 3 3.27 19.59 3.87 7 3.66 29.37 4.12 28 4.83 42.89 5.13
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表 7 ASFSGC的渗水高度
Table 7 Water penetration height of ASFSGC
试件编号 测点 渗水高度/mm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ASFSGC-1 14 12 9 10 8 11 14 11 12 13 11.4 ASFSGC-2 7 7 6 5 6 6 4 6 4 4 5.5 ASFSGC-3 10 11 9 9 8 4 7 8 10 12 8.8 ASFSGC-4 12 13 11 7 5 8 6 7 7 6 8.2 ASFSGC-5 19 17 14 13 12 13 15 17 19 20 15.9 ASFSGC-6 8 6 6 5 7 5 3 2 4 7 5.3 结果 ASFSGC试件的平均渗水高度/mm 9.2
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期刊类型引用(1)
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