2019, Vol. 6
2. 结构工程灾变与控制教育部重点实验室(哈尔滨工业大学)，哈尔滨 150090;
3. 土木工程智能防灾减灾工业和信息化部重点实验室(哈尔滨工业大学)，哈尔滨 150090
2. Key Lab of Structures Dynamic Behavior and Control (Harbin Institute of Technology), Ministry of Education, Harbin 150090, China;
3. Key Lab of Smart Prevention and Mitigation of Civil Engineering Disasters (Harbin Institute of Technology), Ministry of Industry and Information Technology, Harbin 150090, China
粒化高炉矿渣(简称矿渣)是在高炉冶炼生铁时，得到的以硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经冷淬成粒后具有潜在活性的材料[1].以矿渣为主要原材料，采用相应的碱性激发剂激发而成的胶凝材料称为碱激发矿渣胶凝材料[2].碱性激发剂的种类一般包括硅酸钠水玻璃、氢氧化钠和碳酸钠3种[3].碱激发矿渣胶凝材料凝结硬化快、早期强度高，并且耐高温；另外，碱激发矿渣胶凝材料省去了水泥“两磨一烧”的繁琐工艺，是一种环境友好的绿色环保材料[4-6].但是碱激发矿渣胶凝材料收缩大[7]，成型过程中易开裂，限制了碱激发矿渣胶凝材料在实际工程中的应用.因此，设想假如在碱激发矿渣胶凝材料中填充不存在收缩的填充物，便可减少碱激发矿渣胶凝材料的收缩.碱激发矿渣胶凝材料耐火性能好，在温度不高于600 ℃时其力学性能不降低[1]，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，预想用陶粒、陶砂制备出的碱激发矿渣陶砂砂浆(AASM)和碱激发矿渣陶粒混凝土(AASC)，也可用于高温环境工作中.
AASM砌筑的砌体与水泥砂浆/混合砂浆砌筑的砌体存在明显不同，主要表现在：水泥砂浆/混合砂浆的强度等级介于Mb7.5~Mb20，而AASM的强度等级介于Mb25~Mb90；AASM的细骨料是陶砂，陶砂粒径为1 mm左右，而普通砂的粒径为0~4.75 mm，普通砂鲜明的棱角增大了相邻砌块之间的剪摩作用，陶砂光滑的球形表面弱化了相邻砌块之间的剪摩作用；水泥砂浆和混合砂浆分别用结硬的水泥浆体、水泥“+”石灰的浆体为胶凝材料，而AASM是以结硬的碱激发矿渣浆体为胶凝材料，当体积含砂率相同时，AASM收缩相对较大.当AASM抗压强度相同时，水灰比越大，收缩越大，但砂浆的流动性越好；砂灰比越大，收缩越小，但工作性越差；激发剂用量和水玻璃模数的不同会影响AASM的工作性能.
相关学者[8-11]进行了用水泥砂浆/混合砂浆砌筑的砌体的弯曲受拉性能试验，普遍认为弯曲抗拉强度与砂浆的抗压强度的1/2次幂成正比，《砌体结构设计规范》[12]也采用了上述表达方式.上述试验砌体弯曲抗拉强度按他们所建立公式的预估值与实测值比值的平均值介于0.799~1.164，离散性比较大，这或许是因为当砂浆抗压强度相同时，水灰比和砂灰比不同所致.考虑到水泥砂浆/混合砂浆砌筑的砌体弯曲受拉性能不但与砂浆抗压强度有关，可能还与水灰比和砂灰比有关；同时考虑到AASM力学性能和工作性能不但与水灰比、砂灰比有关，而且与Na2O含量或水玻璃模数有关.因此，合理考虑各关键参数对AASM工作性能和力学性能及用其砌筑的碱激发矿渣陶粒混凝土空心砌块(AASCHB)砌体弯曲受拉性能的影响，基于试验结果，建立该新型砌体弯曲抗拉强度计算公式，具有现实意义.
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 m2/kg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.
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表 1 原材料的化学成分 Tab. 1 Chemical composition of the raw materials |
陶粒：河南省宇轩环保科技有限公司生产，粒径为5~16 mm，干表面密度为830 kg/m3，吸水率为20%，筒压强度为4.2 MPa.
水玻璃：液态硅酸钠水玻璃，其模数为3.2，含水率为64.5%.在试验的过程中通过调整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 AASM的配制通过改变水灰比(W)、砂灰比(S)、Na2O含量(N)和水玻璃模数(n)来确定6种强度等级的AASM砌筑砂浆，其配合比见表 2.碱激发矿渣胶凝材料的反应过程中，首先需要在水和OH-作用下，使矿渣由外到内进行溶解，Si-O-Si、Al-O-Al和Si-O-Al断裂，矿渣玻璃体结构解体，SiO44-、Ca2+等离子溶入液相，并和液相中原有的离子重新聚合，最终生成C-S-H凝胶[13].掺加粉煤灰主要是降低凝结速度，延长凝结时间，便于AASM砌筑使用.
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表 2 AASM配合比 Tab. 2 Mix proportions of AASM |
参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》[14]，测试砌筑砂浆抗压强度试块的尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，每组3个，结果见表 3.AASM强度等级为Mb25、Mb35、Mb45、Mb60、Mb70、Mb90.
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表 3 AASM的抗压强度 Tab. 3 Compressive strength of AASM |
AASCHB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.按照《混凝土砌块和砖试验方法》[15]进行AASCHB抗压和抗折强度测试，每组5个，见图 2(图 2(b)计算跨度360 mm).该砌块抗压强度实测值的平均值为15.8 MPa，最小值为14.8 MPa，根据《普通混凝土小型砌块》[16]将该砌块强度等级划分为MU15.该砌块抗折试验破坏荷载为10.2 kN，破坏面的抵抗弯矩为0.8 kN·m.这里需要特别指出抗折和弯拉的本质是相同的，一般对于材性试验称之为抗折，对于墙片称之为弯拉.
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图 1 AASCHB尺寸(mm) Fig. 1 Geometrical sizes of AASCHB (mm) |
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图 2 AASCHB抗压与抗折试验 Fig. 2 Compressive and flexural tests of AASCHB |
《砌体基本力学性能试验方法标准》[17]对砌体弯曲抗拉试验是分沿通缝截面和沿齿缝截面弯曲抗拉破坏两种性能来论述的.AASCHB砌体沿通缝截面弯曲抗拉强度试件由14个主砌块分7层砌筑而成，尺寸为390 mm×390 mm×1 390 mm；沿齿缝截面弯曲抗拉试件由12个主砌块与4个辅助砌块分4层砌筑而成，尺寸为1 390 mm×190 mm× 790 mm；AASM的水平灰缝控制在9~11 mm，见图 3.沿通缝截面和沿齿缝截面的弯曲抗拉试件均每组9个，共108个试件，主要参数见表 4.砌体弯曲抗拉试件制作完成后，在自然条件下养护至相应的强度时，将沿通缝截面的弯曲抗拉试件平放或沿齿缝截面的弯曲抗拉试件沿长轴旋转90°，安装到试验台座上，进行该砌块砌体弯曲抗拉试验.所有试件于试验前3 d，在试件的支座处和荷载作用处采用水泥砂浆找平，并用水平尺进行检查，使支座处或荷载作用面处于同一水平面上.找平层的厚度不应小于10 mm，宽度不应小于加荷垫板宽度.
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图 3 AASCHB砌体弯曲抗拉试件(mm) Fig. 3 Bending tensile specimen of AASCHB masonry (mm) |
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表 4 AASCHB砌体弯曲抗拉试件主要参数 Tab. 4 Main parameters of AASCHB masonry bending tensile specimens |
参照《砌体基本力学性能试验方法标准》[17]进行AASCHB砌体弯曲抗拉试验，见图 4.试验加载装置由混凝土台座、千斤顶、反力架、压力传感器、荷载分配梁、固定铰支座和滑动铰支座组成.
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图 4 AASCHB砌体弯曲抗拉试验加载示意 Fig. 4 Bending tensile tests of AASCHB masonry |
AASCHB砌体弯曲抗拉破坏分沿通缝截面和沿齿缝截面破坏两种.沿通缝截面破坏均发生在AASM与砌块的黏结面，见图 5；沿齿缝截面破坏分有1个砌块被折断和有2个砌块被折断两种情况，见图 6.有砌块被折断是因为砌块的抗折强度低于砌体的齿缝截面抗折强度.
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图 5 试件沿通缝截面弯曲受拉破坏 Fig. 5 Failure of straight section |
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图 6 试件沿齿缝截面弯曲受拉破坏 Fig. 6 Failure of slot section |
AASCHB砌体弯曲抗拉强度ft, i依据《砌体基本力学性能试验方法标准》[17]公式计算：
| ${f_{{\rm{t}}, i}} = \frac{{\left( {{N_{\rm{t}}} + 0.75G} \right)L}}{{b{h^2}}}, $ | (1) |
式中：Nt为试件的抗弯破坏荷载值，包括荷载分配梁等附件的自重，当有砌块被折断时扣除被折断砌块承受的破坏荷载，N；G为试件的自重，N；L为试件的计算跨度，mm；b为试件的截面宽度，当有砌块被折断时扣除被折断砌块沿墙宽度方向的边长，mm；h为试件的截面高度，mm.
AASCHB砌体沿通缝截面和沿齿缝截面的弯曲抗拉强度试验结果见表 5.沿齿缝截面破坏存在砌块被折断，是因为砌块的抗折弯矩仅为0.8 kN·m，低于相应齿缝剪摩对砌体抵抗弯矩的贡献.
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表 5 AASCHB砌体弯曲抗拉试验结果 Tab. 5 Results of bending tensile strength tests of AASCHB masonry |
水灰比、砂灰比、Na2O含量和水玻璃模数对AASM抗压强度均有显著影响[18].当抗压强度相同时，水灰比越大，收缩越大，但砂浆的流动性越好；砂灰比越大，收缩越小，但工作性越差；激发剂用量和水玻璃模数的不同会影响AASM的工作性能.因此，对AASM砌筑的砌块砌体，着力考察水灰比、砂灰比、Na2O含量、水玻璃模数和AASM抗压强度1/2次幂对砌体弯曲抗拉强度的影响.
3.2.1 水灰比、砂灰比、Na2O含量、水玻璃模数和砂浆强度对沿通缝截面弯曲抗拉强度的影响为考察水灰比和砂灰比的影响，将二者乘积作为一个综合参数；为考察Na2O含量和水玻璃模数的影响，将二者之积作为一个综合参数.以水灰比与砂灰比乘积WS和水玻璃模数与Na2O含量乘积nN为横坐标，以$f_{{\rm{tm}}, {\rm{T}}}^{}\sqrt {{f_2}} $为纵坐标建立坐标系.将水灰比介于0.38~0.50、砂灰比介于1.76~2.50、Na2O含量介于4.4%~8.8%、水玻璃模数介于0~1.26和AASM折算抗压强度介于27.7~91.9 MPa的弯曲抗拉强度实测值置于坐标系中，发现当0≤nN≤0.10时，$f_{{\rm{tm}},{\rm{T}}}^{}\sqrt {{f_2}} $随着W或S的增加而减小；当0.10≤nN≤0.11时，$f_{{\rm{tm}},{\rm{T}}}^{}\sqrt {{f_2}} $随着W或S的增加而增大.当0.67≤WS+2.085nN≤0.98时$f_{{\rm{tm}},{\rm{T}}}^{}\sqrt {{f_2}} $随着n或N的增加而减小；当0.98≤WS+2.085nN≤1.48时，$f_{{\rm{tm}},{\rm{T}}}^{}\sqrt {{f_2}} $随着n或N的增加而增大.Na2O含量和水玻璃模数均存在一个最佳掺量，这是由于在水化过程中，当Na2O较低时，随着Na2O含量的增加，有效地增加激发剂的碱度，促进矿渣水解，并与溶解的Ca2+生成C-S-H凝胶，从而提高了AASM的强度；而过量的Na2O导致OH-的浓度过高，反应发生迅速，在矿渣颗粒表面反应生成的水化产物形成一层保护膜，阻止反应进行，导致后期强度发展缓慢[19-20]；增大水玻璃模数可以提高SiO44-的含量，从而产生更多的水化硅(铝)酸钙提高AASM的抗压强度[21]，而过高的水玻璃模数会形成过多的SiO44-不利于矿渣的解聚与聚合而降低砂浆的强度[22].结合图 7，拟合得到下列用AASM作砌筑砂浆的AASCHB砌体沿通缝截面弯曲抗拉强度的计算公式：
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图 7 水灰比、砂灰比、Na2O含量和水玻璃模数对ftm, T/ f2的影响 Fig. 7 Effects of water to slag ratio, sand ratio, Na2O content, and silicate modulus on ftm, T/ f2 |
| $\begin{array}{l} {f_{{\rm{tm}}, {\rm{T}}}} = ( - 5.194nN - 0.529WS + 5.309WSnN + \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;5.535{n^2}{N^2} + 0.512)\sqrt {{f_2}}, \end{array} $ | (2) |
式中：ftm, T为AASCHB砌体沿通缝截面弯曲抗拉强度，MPa；f2为AASM折算抗压强度，MPa；n为水玻璃模数；N为Na2O含量；W为水灰比；S为砂灰比.
3.2.2 水灰比、砂灰比、Na2O含量、水玻璃模数和砂浆强度对沿齿缝截面弯曲抗拉强度的影响以水灰比与砂灰比乘积WS和水玻璃模数与Na2O含量乘积nN为横坐标，以$f_{{\rm{tm}}, {\rm{C}}}^{}\sqrt {{f_2}} $为纵坐标建立坐标系.将水灰比介于0.38~0.50、砂灰比介于1.76~2.50、Na2O含量介于4.4%~8.8%、水玻璃模数介于0~1.26和AASM折算抗压强度介于27.7~91.9 MPa的弯曲抗拉强度实测值置于坐标系中，发现当0≤nN≤0.10时，$f_{{\rm{tm}}, {\rm{C}}}^{}\sqrt {{f_2}} $随着W或S的增加而减小；当0.10≤nN≤0.11时，$f_{{\rm{tm}}, {\rm{C}}}^{}\sqrt {{f_2}} $随着W或S的增加而增大.当0.67≤WS+0.371nN≤ 0.93时，$f_{{\rm{tm}}, {\rm{C}}}^{}\sqrt {{f_2}} $随着n或N的增加而减小；当0.93≤ WS+0.371 nN≤1.29时，$f_{{\rm{tm}}, {\rm{C}}}^{}\sqrt {{f_2}} $随着n或N的增加而增大.结合图 8，拟合得到下列用AASM作砌筑砂浆的AASCHB砌体沿齿缝截面弯曲抗拉强度的计算公式：
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图 8 水灰比、砂灰比、Na2O含量和水玻璃模数对$f_{{\rm{tm}}, {\rm{C}}}^{}\sqrt {{f_2}} $的影响 Fig. 8 Effects of water to slag ratio, sand ratio, Na2O content, and silicate modulus on $f_{{\rm{tm}}, {\rm{C}}}^{}\sqrt {{f_2}} $ |
| $\begin{array}{l} {f_{{\rm{tm}}, {\rm{C}}}} = ( - 28.545nN - 2.984WS + 30.822WSnN + \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;5.720{n^2}{N^2} + 2.781)\sqrt {{f_2}}, \end{array} $ | (3) |
式中ftm, C为AASCHB砌体沿齿缝截面弯曲抗拉强度，MPa.
3.2.3 砌体弯曲抗拉强度实测值、拟合值与规范值对比《砌体结构设计规范》[12]附录B的表B.0.1-2给出了砌体弯曲抗拉强度平均值计算公式：
| ${f_{{\rm{tm}}}} = {k_4}\sqrt {{f_2}}, $ | (4) |
式中：ftm为砌体弯曲抗拉强度平均值，MPa；f2为砂浆抗压强度平均值，MPa；k4为弯曲抗拉强度系数，对于混凝土砌块砌体沿通缝截面取0.056和沿齿缝截面取0.081.
将砌体弯曲抗拉强度实测值、拟合公式计算值和规范值对比分析，见表 6、7.对于AASCHB砌体，ftm, Tc/ftm, Tt平均值为1.010，标准差为0.065，变异系数为0.064；ftm, Cc/ftm, Ct平均值为1.004，标准差为0.064，变异系数为0.063.GB 50003—2011表B.0.1-2中所给公式不能准确预估AASM砌筑的砌体弯曲抗拉强度，AASM强度低于70.3 MPa时，沿通缝截面弯曲抗拉强度预估值偏高，AASM强度介于70.3~91.9 MPa时，沿通缝截面弯曲抗拉强度预估值偏低；AASM强度低于46.2 MPa时，沿齿缝截面弯曲抗拉强度预估值偏高，AASM强度介于46.2~91.9 MPa时，沿齿缝截面弯曲抗拉强度预估值偏低.
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表 6 砌块砌体沿通缝截面弯曲抗拉强度实测值、拟合公式计算值和规范计算值对比 Tab. 6 Comparison of measured values, calculated values of fitting formulae, and code formula for block masonry bending tensile strength along straight section |
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表 7 砌块砌体沿齿缝截面弯曲抗拉强度实测值、拟合公式计算值和规范计算值对比 Tab. 7 Comparison of measured values, calculated values of fitting formulae, and code formula for block masonry bending tensile strength along slot section |
1) GB 50003—2011表B.0.1-2中所给公式不能准确预估AASM砌筑的砌体弯曲抗拉强度，砂浆强度低于70.3MPa时，沿通缝截面弯曲抗拉强度预估值偏高，砂浆强度介于70.3~91.9 MPa时，沿通缝截面弯曲抗拉强度预估值偏低；当砂浆强度低于46.2MPa时，沿齿缝截面弯曲抗拉强度预估值偏高，砂浆强度介于46.2~91.9 MPa时，沿齿缝截面弯曲抗拉强度预估值偏低.AASCHB砌体沿齿缝截面的弯曲抗拉强度高于沿通缝截面的弯曲抗拉强度.
2) 用AASM砌筑的AASCHB砌体的弯曲抗拉强度不但与AASM的抗压强度有关，而且受水灰比、砂灰比、Na2O含量和水玻璃模数的影响.基于试验结果，分别建立了AASCHB砌体沿通缝截面和沿齿缝截面的弯曲抗拉强度的计算公式.
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