用铁矿石炼铁的工业副产品是粒化高炉矿渣.中国每年粒化高炉矿渣产量约10亿吨.约20%~30%的矿渣用作混凝土矿物掺合料，其余70%~80%矿渣依然被当作固体废弃物闲置^[1].碱激发矿渣胶凝材料是以粒化高炉矿渣为原材料，采用适当的碱性激发剂激发，经搅拌而成的胶凝材料.碱激发矿渣胶凝材料不用水泥，省去了水泥“两磨一烧”的繁琐工艺^[2].碱激发矿渣胶凝材料耐火性能好，在不高于600 ℃时其力学性能不降低^[3]，而陶粒、陶砂是经过高温烧制而成，具有保温、隔热、耐火性等优点.因此，设想以碱激发矿渣陶粒混凝土替代水泥混凝土制作砌块、用碱激发矿渣净浆或碱激发矿渣陶砂砂浆替代水泥砂浆作砌筑浆体砌筑的砌体，预计可用于高温环境.

用碱激发矿渣净浆砌筑砌体，其灰缝厚度较薄(约为4~7 mm)，小于砂浆砌筑灰缝厚度的9~11 mm；用碱激发矿渣陶砂砂浆作砌筑浆体，陶砂的外形较为光圆，不像普通砂一样有鲜明的棱角；砌筑用碱激发矿渣净浆强度等级介于Mb25~Mb130，碱激发矿渣陶砂砂浆强度等级介于Mb25~Mb80，而常用水泥砂浆和混合砂浆强度等级介于Mb5~Mb20.因此，碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体抗剪性能应具有其自身新的特点.

为考察碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体的抗剪性能，用Mb25、Mb35、Mb40、Mb45、Mb55、Mb130六种强度等级的碱激发矿渣净浆和Mb25、Mb35、Mb40、Mb45、Mb55、Mb80六种强度等级的碱激发矿渣陶砂砂浆与MU15的碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块砌筑而成108个抗剪试件.基于抗剪试验结果，当碱激发矿渣净浆作砌筑浆体时，考察了砌体抗剪强度与Na₂O含量和碱激发矿渣净浆抗压强度的关系；当碱激发矿渣陶砂砂浆做砌筑浆体时，考察了砌体抗剪强度与碱激发矿渣陶砂砂浆抗压强度、Na₂O含量及砂灰比的关系.

1 试验概况 1.1 原材料

矿渣：“哈尔滨矿渣”来自哈尔滨三发新型节能建材有限公司、“唐山矿渣”来自唐山唐龙新型建材有限公司，比表面积分别为379和424 m²/kg.

粉煤灰：黑龙江省双达电力设备有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰，密度为2.43 g/cm³.

陶砂：河南省巩义市宇轩环保科技有限公司生产，粒径为1 mm，密度为1.8 g/cm³，孔隙率为53%.

矿渣、粉煤灰和陶砂的化学成分见表 1.

水玻璃：液态硅酸钠水玻璃，其模数为3.2，含水率为64.5%.在试验过程中通过调整NaOH溶液来调整水玻璃模数.

氢氧化钠：天津市大陆化学试剂厂生产的颗粒状分析纯氢氧化钠，其NaOH含量≥96%.

碳酸钠：天津市致远化学试剂有限公司生产的粉状分析纯碳酸钠，其Na₂CO₃含量≥99.8%.

1.2 碱激发矿渣净浆和碱激发矿渣陶砂砂浆的配制

由于碱性激发剂对碱激发矿渣胶凝材料的各性能指标影响较大，因此通过改变氧化钠含量(N)和砂浆的砂灰比(S)、水灰比(W)来确定六种强度等级的砌筑浆体，其配合比见表 2.

1.3 材性试验 1.3.1 碱激发矿渣砌筑浆体抗压强度

试验设计的砌筑浆体有碱激发矿渣净浆和碱激发矿渣陶砂砂浆两种.测试砌筑浆体抗压强度试块的尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，每组3个试件.砌筑浆体立方体试块的抗压强度按照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》^[4]进行测试，将算术平均值的1.35倍作为该组试件的浆体立方体试件抗压强度平均值，结果见表 3.本文碱激发矿渣净浆的强度等级有Mb25、Mb35、Mb40、Mb45、Mb55、Mb130，碱激发矿渣陶砂砂浆的强度等级有Mb25、Mb35、Mb40、Mb45、Mb55、Mb80.

1.3.2 碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块抗压强度

碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块块型选用主砌块的尺寸为390 mm×190 mm×190 mm，辅助砌块的尺寸为190 mm×190 mm×190 mm，空心率分别为48.3%和36.0%.具体尺寸见图 1.空心砌块按MU15进行材料配比并制作.按照GB/T 4111—2013《混凝土砌块和砖试验方法》^[5]进行碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块抗压强度测试，每组5个砌块.该空心砌块抗压强度实测值的平均值为15.8 MPa，最小值为14.8 MPa.

1.4 试件设计与制作

根据GB/T 50129—2011《砌体基本力学性能试验方法标准》的规定^[6]，碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体抗剪试件采用双剪试件，其设计尺寸为590 mm×390 mm×190 mm，见图 2.试验分别设计了6个强度等级的碱激发矿渣净浆和6个强度等级碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体的抗剪试验，共12组，每组9个，共108个试件.试件主要参数见表 4.

砌体抗剪试件由2个主砌块和2个辅助砌块分3层砌筑而成，碱激发矿渣净浆和碱激发矿渣陶砂砂浆的灰缝分别控制在4~7 mm和9~11 mm.由于碱激发矿渣胶凝材料早期强度上升很快^[7-9]，因此碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体抗剪试件制作完成后，在自然条件下养护至相应的强度等级时进行该砌块砌体抗剪试验.

1.5 试验装置和加载方案

碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体抗剪试验方案见图 3.两侧主砌块(390 mm×190 mm×190 mm)的下方和中间辅助砌块(190 mm×190 mm×190 mm)的上方各设置一190 mm×190 mm×10 mm的钢板，将图 3试件置于压力机上下压头之间，并使试件中心线与试验机上下压头中心重合后开始加载，当至少有一个平行于加载方向的灰缝被剪坏即认为试件发生了受剪破坏.108个试件中1个灰缝被剪坏的有101个试件，2个灰缝被剪坏的有7个试件.108个试件均发生灰缝受剪破坏，块体未见损伤.

2 结果与分析 2.1 试验结果

GB/T 50129—2011《砌体基本力学性能试验方法标准》^[6]给出砌体抗剪强度计算公式：

$ {f_{{\rm{v}}, i}} = \frac{{{N_{\rm{v}}}}}{{2A}}, $

(1)

式中：f_v，i为试件抗剪强度，MPa；N_v为试件的抗剪破坏荷载值，N；A为试件一个受剪面的面积，mm².

碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体抗剪试验结果见表 5.碱激发矿渣净浆和碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑的碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体抗剪强度均随着砌筑浆体抗压强度的提高而增大(碱激发矿渣净浆抗压强度25.8 MPa组除外).当采用相同强度的碱激发矿渣净浆与碱激发矿渣陶砂砂浆作砌筑浆体时，碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑的砌体抗剪强度均高于用净浆砌筑的砌体抗剪强度.从表 5还发现，随砌筑浆体抗压强度的提高砌体抗剪强度增大有限.这主要是因为碱激发矿渣陶砂砂浆掺加陶砂，相同体积的砌筑浆体，掺加陶砂使得胶凝材料减少，而收缩主要是由胶凝材料引起，骨料不会收缩，碱激发矿渣陶砂砂浆的收缩小于碱激发矿渣净浆的收缩；砌筑浆体抗压强度越高收缩越大.因此，砌筑浆体的含砂率应作为考察这类砌体抗剪强度的一个重要参数.在一定限度内，由于随着激发剂中Na₂O含量的增加碱激发矿渣净浆的流动性有所减小，保水性有所改善.对于砌筑浆体还应将Na₂O含量作为考察这类砌体抗剪强度的另一重要参数.

2.2 对试验结果的分析 2.2.1 碱激发矿渣净浆抗压强度和Na₂O含量对砌体抗剪强度的影响

以Na₂O含量N和碱激发矿渣净浆抗压强度1/2次幂$\sqrt {{f_2}} $为横坐标，以碱激发矿渣净浆砌筑的碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体抗剪强度f_vm为纵坐标建立坐标系.将Na₂O含量(相对于矿物粉料质量)介于4.4%~8.8%、碱激发矿渣净浆折算抗压强度介于25.8~131.4 MPa的试验数据置于坐标系中，发现f_vm与N和$\sqrt {{f_2}} $近似呈线性关系.在参数试验取值区间内，当Na₂O含量N相同时，f_vm随着$\sqrt {{f_2}} $的增大而增大；当碱激发矿渣净浆折算抗压强度f₂相同时，f_vm随着N的增大而增大.结合图 4，拟合得到用碱激发矿渣净浆作砌筑浆体的碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体抗剪强度的公式：

$ {f_{{\rm{vm}}}} = 0.008\sqrt {{f_2}} + 1.440N-0.057, $

(2)

式中：f_vm为碱激发矿渣净浆作为砌筑浆体时碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体的抗剪强度，MPa；f₂为碱激发矿渣净浆折算抗压强度，MPa；N为激发剂中Na₂O质量占矿物粉料质量的百分比.

认为在Na₂O含量介于4.4%~8.8%时，随着Na₂O含量的增加碱激发矿渣净浆的流动性有所减小，保水性能有所改善.这是在Na₂O含量试验取值区间内随Na₂O含量增加抗剪强度提高的原因.

2.2.2 碱激发矿渣陶砂砂浆抗压强度、Na₂O含量、砂灰比对砌体抗剪强度的影响

激发剂碱含量、水灰比和砂灰比均是变量，由于陶砂具有一定的吸水性，水灰比无法准确量化对碱激发矿渣陶砂砂浆的激发效果，但是激发剂中碱含量和砂灰比对碱激发矿渣陶砂砂浆强度的影响较显著.因此，对碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑的砌块砌体，着力考察碱激发矿渣陶砂砂浆折算抗压强度f₂、Na₂O含量N、砂灰比S对砌体抗剪强度的影响.以砂灰比S和Na₂O含量N为横坐标，以${f_{{\rm{vm}}}}/\sqrt {{f_2}} $为纵坐标建立坐标系.将砂灰比介于208.3%~250.0%、Na₂O含量介于4.4%~10.2%、碱激发矿渣陶砂砂浆折算抗压强度介于28.1~82.3 MPa的试验数据置于坐标系中，发现当S+12.987N＜3.296时，${f_{{\rm{vm}}}}/\sqrt {{f_2}} $随着N的增加而增大；当S+12.987N＞3.296时，${f_{{\rm{vm}}}}/\sqrt {{f_2}} $随着N的增加而减小.碱激发矿渣陶砂砂浆中陶砂的加入可以改善该砂浆的收缩性能，而Na₂O含量存在一个最佳掺量^[10]，若Na₂O含量低于8.6%，用碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑的空心砌块砌体抗剪强度随着砂灰比的增大而增大；若Na₂O含量高于8.6%，用碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑的空心砌块砌体抗剪强度随着砂灰比的增大而减小.过量的Na₂O导致反应过程中产生饱和的Na⁺，过量存在的Na⁺并没有形成稳定性产物而导致力学性能的降低^[10].结合图 5，拟合得到下列碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑的碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体抗剪强度计算公式：

$ {f_{{\rm{vm}}}} = \left( {3.319N + 0.087S-1.007SN-6.539{N^2}-0.205} \right)\sqrt {{f_2}}, $

(3)

式中：f_vm为碱激发矿渣陶砂砂浆作为砌筑浆体的碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体的抗剪强度，MPa；f₂为碱激发矿渣陶砂砂浆折算抗压强度，MPa；N为激发剂中Na₂O质量占矿物粉料质量的百分比；S为碱激发矿渣陶砂砂浆配合比中的陶砂与矿物粉料质量比.

2.2.3 砌体抗剪强度实测值、拟合值与规范值对比

GB 50003—2011《砌体结构设计规范》^[11]附录B的表B.0.1-2中给出砌体抗剪强度平均值计算公式:

$ {f_{{\rm{vm}}}} = {k_5}\sqrt {{f_2}}, $

(4)

式中：f_vm为砌体抗剪强度，MPa；f₂为砂浆折算抗压强度，MPa；k₅为抗剪强度系数，对于混凝土小型空心砌块取0.069.

将砌体抗剪强度实测值、拟合公式计算值和规范值对比分析，见表 6.

由表 6可知，当砌筑浆体为碱激发矿渣净浆时，f_vm^c/f_vm^t的平均值为0.983，标准差为0.100，变异系数为0.101；当砌筑浆体为碱激发矿渣陶砂砂浆时，f_vm^c/f_vm^t的平均值为0.985，标准差为0.030，变异系数为0.030.12组不同强度的碱激发矿渣净浆和碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑的碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体抗剪强度实测值均低于按式(4)的计算值，这是由于碱激发矿渣胶凝材料早期收缩大，一般常温下碱激发矿渣的干燥收缩是普通硅酸盐水泥的3~5倍^[12]，而碱激发矿渣陶砂砂浆是以结硬的碱激发矿渣浆体为胶凝材料的，当体积含砂率相同时，与水泥砂浆/混合砂浆相比，碱激发矿渣陶砂砂浆的收缩也相对较大.砌筑用碱激发矿渣净浆和碱激发矿渣陶砂砂浆的浆体结硬过程中，沿墙长和墙宽方向受拉，在剪切荷载作用下，水平灰缝或存在拉应力，或受拉开裂，其与砌块间的剪摩作用减小.

3 结论

1) 不论是碱激发矿渣净浆作砌筑浆体，还是碱激发矿渣陶砂砂浆作砌筑浆体，砌体的抗剪强度均低于用相同强度的水泥砂浆和混合砂浆做砌筑浆体的砌块砌体.砌筑浆体抗压强度相同时，碱激发矿渣净浆比碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑的砌块砌体的抗剪强度低.这是由于碱激发胶凝材料的收缩大于水泥胶凝材料.

2) 砌体的抗剪强度随砌筑浆体抗压强度的提高而增大，Na₂O含量、砂灰比对砌体抗剪强度的影响不容忽视.并建立了碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块砌体抗剪强度的计算公式.

3) 用碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑的砌体抗剪强度与浆体抗压强度1/2次幂的比值随碱激发剂中Na₂O含量和砂灰比的变化而变化.当砂灰比为208.3%~250.0%、Na₂O含量为4.4%~10.2%、碱激发矿渣陶砂砂浆折算抗压强度为28.1~82.3 MPa时，若S+12.987N＜3.296，${f_{{\rm{vm}}}}/\sqrt {{f_2}} $随着Na₂O含量的增加而增大；若S+12.987N＞3.296，${f_{{\rm{vm}}}}/\sqrt {{f_2}} $随着Na₂O含量的增加而减小；若N＜8.6%，${f_{{\rm{vm}}}}/\sqrt {{f_2}} $随着砂灰比的增大而增大；若N＞8.6%，${f_{{\rm{vm}}}}/\sqrt {{f_2}} $随着砂灰比的增大而减小，建立了相关的计算公式.