0 引言

　　通常情況下，建筑結(jié)構(gòu)因火災(zāi)而遭到破壞，對(duì)人類生命和財(cái)產(chǎn)造成的損失是巨大的。高溫暴露后，水泥水化產(chǎn)物的分解是造成混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。與普通硅酸鹽水泥相比，堿激發(fā)水泥由于其水化產(chǎn)物中不含 Ca (OH)₂而表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫性能，AAC 的耐高溫研究已成為研究熱點(diǎn)。然而，現(xiàn)有關(guān)于前驅(qū)體類型對(duì) AAC 耐高溫性影響的研究?jī)H限于礦渣或粉煤灰等常用前驅(qū)體。

　　近年來，一種新型 AAC 前驅(qū)體，即生活垃圾焚燒爐渣底灰(MSWI-BA)，由于其產(chǎn)量巨大和成本低受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。 Huang 等評(píng)估不同養(yǎng)護(hù)方法對(duì)含有 MSWI-BA 堿礦渣水泥砂漿性能的影響，AASBm 的抗壓強(qiáng)度在 28～53MPa。研究發(fā)現(xiàn)，NaOH 摻量過大時(shí) AASBm 抗壓強(qiáng)度會(huì)降低，而 MSWI-BA 的顆粒大小對(duì)其抗壓強(qiáng)度有顯著的影響。Chen 等發(fā)現(xiàn)，高溫后纖維的融化可以促進(jìn)水泥基體孔隙連通性的提高，降低高溫后產(chǎn)生的水蒸氣壓力，從而提高水泥基體的耐高溫性能。研究表明，400℃左右的高溫可以促進(jìn)未水化粉煤灰或礦渣的進(jìn)一步水化反應(yīng)，導(dǎo)致 AAC 高溫后強(qiáng)度的提高。MSWI-BA 中含有的少量單質(zhì) Al 會(huì)與反應(yīng)形成和，這能提高摻爐渣堿礦渣水泥凈漿基體孔隙率和內(nèi)部孔隙連通性，使得 AASBp 在高溫下產(chǎn)生的蒸汽可以從孔隙中釋放出來，從而減少內(nèi)部應(yīng)力造成的破壞。這意味著 MSWI-BA 的加入很可能抑制了堿礦渣水泥經(jīng)高溫處理后的孔隙結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物的劣化。然而，目前有關(guān)高溫對(duì) AASBp 性能影響的研究鮮有報(bào)道。

　　因此以普通硅酸鹽水泥作為對(duì)照組研究在不同溫度下的性能包括質(zhì)量損失率 、干燥收縮率 、抗折強(qiáng)度 和抗壓強(qiáng)度 并結(jié)合射線衍射儀熱重分析 、傅里葉紅外光譜儀、掃描電鏡和壓汞法微觀手段闡明其影響機(jī)制。

　　1 實(shí)驗(yàn)方案

　　1.1 原材料

　　AASBp 的前驅(qū)體為絕干狀態(tài)的粒化高爐礦渣(BFS)和 MSWI-BA。MSWI-BA 由福建紅廟嶺垃圾發(fā)電廠提供，其粒徑小于 74μm。由于 MSWI-BA 具有疏松和多孔特性采用氮吸附法測(cè)試和的比表面積。可以發(fā)現(xiàn) MSWI-BA 中存在水化硅鋁酸鈣(C-A-S-H)和類水滑石。所采用的水玻璃溶液(WG)模數(shù)為 1.5，硅酸鈉固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 38.85%。

　　1.2 配方

　　參考文獻(xiàn)的研究結(jié)果和所做的預(yù)實(shí)驗(yàn)，MSWI-BA 摻量為礦渣質(zhì)量的 6%，即 MSWI-BA 質(zhì)量與 BFS 和 MSWI-BA 質(zhì)量之和的比值。采用海螺牌 P・O42.5R 普通硅酸鹽水泥制備的凈漿(OPCpaste，OPCp)作為對(duì)照組。AASBp 和 OPCp 的水膠比(質(zhì)量比)均為 0.35。AASBp 的膠凝材料包括 MSWI-BA、BFS 和 WG 固體成分，水包括 WG 中的水和外加水。

　　1.3 試樣制備

　　先將 WG 與所有外加水混合得到激發(fā)劑溶液，將前驅(qū)體材料在攪拌器中攪拌 1min;將 50% 的激發(fā)劑溶液加入到混合物中攪拌 1min，然后加入剩余 50% 激發(fā)劑溶液，再攪拌 1min。將新拌的 AASBp 分兩次倒入模具中并各振動(dòng) 1min。用于測(cè)試質(zhì)量損失率和強(qiáng)度的試樣尺寸(長(zhǎng) × 寬 × 高)為 40mm×40mm×160mm;測(cè)試干燥收縮率的試樣尺寸(長(zhǎng) × 寬 × 高)為25mm×25mm×285mm。澆注完后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度為 (20±2)℃，相對(duì)濕度為 95%)養(yǎng)護(hù)至 28d。

　　在經(jīng)歷不同高溫處理后，將試樣破碎成 2～6mm 小塊，用無水乙醇浸泡 7d。然后在真空干燥箱中干燥 7d。對(duì)于 XRD、TG 和 FTIR 分析，采用粒徑小于 150μm 的試樣。對(duì)于 MIP 和 SEM 分析，采用 2～6mm 的試樣。

　　1.4 試驗(yàn)方法

　　1.4.1 高溫處理

　　為評(píng)估 AASBp 的耐高溫性能，將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28d 后的試樣放入馬弗爐中，在不同的加熱制度下進(jìn)行加熱首先將試樣以 10°C・min⁻¹ 的升溫速率從環(huán)境溫度(25℃)加熱到目標(biāo)溫度(包括 200、400、600、800、1000℃);當(dāng)達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)，保持溫度 2h，以確保整個(gè)試樣的溫度分布均勻;隨后，將加熱后的試樣在爐內(nèi)自然冷卻至環(huán)境溫度。

　　1.4.2 微觀表征

　　采用 DY5261/X′Pert3 型 XRD 分析 AASBp。采用波長(zhǎng)為 1.54nm 的 CuKα 射線在 40kV 和 40mA 的條件下采集圖譜并在的角度 θ 范圍進(jìn)行速度為 10°・min⁻¹ 的掃描采用型同步熱分析儀將凈漿試樣在氧化鋁坩堝中以 5°C・min⁻¹ 的升溫速率從升溫至采用 FTIR 對(duì)試樣的分子鍵演變和物相轉(zhuǎn)化進(jìn)行測(cè)定，采集波數(shù)從 600cm⁻¹ 到 1500cm⁻¹ 采用型 SEM 觀察 AASBp 試樣高溫處理后的裂縫發(fā)展。采用 PoreMaster60 型 MIP 對(duì) AASBp 凈漿試樣的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，低壓為 0～0.17MPa，高壓為 0.17～413.70MPa。

　　1.4.3 強(qiáng)度

　　采用型壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的抗折強(qiáng)度 (f₁)，加載速率為 0.08～0.10MPa・s⁻¹，取 3 個(gè)試樣抗折強(qiáng)度的平均值作為該組的抗折強(qiáng)度抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)束后采用斷裂的試樣繼續(xù)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度 (fc) 測(cè)試受壓面尺寸為加載速率為 1.2～1.4MPa・s⁻¹。

　　2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　2.1 XRD

　　物相包括 C-A-S-H、方解石、石英、類水滑石和礦渣中含有的少量鎂黃長(zhǎng)石等。隨著溫度的升高，在 29° 左右 C-A-S-H 和方解石的重疊峰和類水滑石的峰強(qiáng)度降低;當(dāng)溫度高于 600℃時(shí)，在 11° 左右的類水滑石峰消失;當(dāng)溫度升到 1000℃時(shí)，C-A-S-H 和方解石的重疊峰消失，此時(shí)在 31° 左右的鎂黃長(zhǎng)石和鈣鋁黃長(zhǎng)石的峰顯著增強(qiáng)。這些物相的改變與 AASBp 孔的增大有關(guān)。

　　2.2 TG-DTG

　　產(chǎn)生失水和分解的主要物相為 C-A-S-H、類水滑石和方解石，其峰強(qiáng)隨著溫度的升高而降低。此外，當(dāng)溫度高于 600℃時(shí)，類水滑石的峰消失;當(dāng)溫度達(dá)到 1000℃時(shí)，C-A-S-H 和方解石的峰幾乎消失;這些結(jié)果與 XRD 結(jié)果完全一致。

　　2.3 FTIR

　　Si—O 鍵和 Al—O 鍵的振動(dòng)帶分別位于和 634～648cm⁻¹。隨著溫度從 25℃增加到 200℃，Si-O 鍵波數(shù)從 970cm⁻¹ 增加到 978cm⁻¹ 這表明高溫促進(jìn)未水化顆粒的進(jìn)一步水化 C-A-S-H 的聚合度提高，鈣硅比(C/S)降低;當(dāng)溫度從 200℃增加到 800℃時(shí)，Si—O 鍵波數(shù)降低到 964cm⁻¹ 當(dāng)溫度增大到時(shí)鍵消失隨著溫度從 25℃增加到 400℃，Al—O 鍵波峰逐漸向高波數(shù)偏移即從 636cm⁻¹ 增加到 640cm⁻¹;當(dāng)溫度大于 600℃時(shí)，AI-0 鍵消失，出現(xiàn)波數(shù)大于 677cm⁻¹ 的新鍵。這說明 Al—O 鍵隨著溫度的增加而變長(zhǎng)，600℃時(shí)斷裂消失。

　　2.4 SEM

　　隨著溫度從 25℃增加到 400℃，未水化顆粒減少，高溫促進(jìn)未水化的 MSWI-BA 和 BFS 充分水化，基體逐漸密實(shí)，微裂紋減少。隨著溫度從 400℃增加到 600℃，C-A-S-H 和類水滑石的逐漸分解，基體抗拉強(qiáng)度降低，微裂紋增多。當(dāng)溫度增加到 800℃以后，由于 C-A-S-H 和其他結(jié)晶水合物的脫水和高溫梯度，AASBp 中的點(diǎn)狀紋理逐漸明顯。在 1000℃時(shí)，鎂黃長(zhǎng)石和鈣鋁黃長(zhǎng)石等晶相的增多，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)由凝膠孔向毛細(xì)孔甚至大孔轉(zhuǎn)變。

　　2.5 MIP

　　在不同溫度下的孔徑分布 V 和 d 分別表示累計(jì)孔體積和孔直徑文獻(xiàn)將孔隙按孔徑大小分為類包括凝膠孔 (d<10nm) 毛細(xì)孔 d 為和大孔 (d>50nm)。隨著溫度從 25℃增加到 600℃，由于 C-A-S-H 和類水滑石的失水，凝膠孔減少，毛細(xì)孔增多;由于高溫促進(jìn)未水化顆粒的進(jìn)一步水化，大孔減少，總孔隙率降低。當(dāng)溫度增加到 800℃時(shí)，C-A-S-H 繼續(xù)失水和分解，凝膠孔繼續(xù)減少，毛細(xì)孔不變，大孔顯著增多，總孔隙率增大;當(dāng)溫度增加到 1000℃時(shí)，主要水化產(chǎn)物 C-A-S-H、類水滑石和方解石完全分解，凝膠孔和毛細(xì)孔基本消失，僅存在部分大孔，總孔隙率降低。

　　據(jù)報(bào)道，隨著溫度從 25℃升高到 600℃，由于高溫后基體的熱開裂，不含 MSWI-BA 的堿礦渣水泥凈漿的孔隙率一直增大，AASBp 孔隙率降低。這說明 MSWI-BA 的加入對(duì)高溫下 AASp 孔結(jié)構(gòu)的劣化有抑制作用。MSWI-BA 中存在少量單質(zhì) Al，可與堿反應(yīng)生成氫氣，此外 MSWI-BA 具有多孔性，這些孔隙可提高 AASp 的孔隙連通性。AASBp 的孔隙率 (18.93%) 高于未添加 MSWI-BA 的 AASp (16.21%)，這有利于高溫后水蒸氣壓力的釋放，避免基體的開裂和孔隙的增大，提高 AASBp 基體的耐高溫性能。這與 Chen 等的研究結(jié)果類似，即高溫后纖維的融化導(dǎo)致基體孔隙連通性的增大，水泥基體的耐高溫性能會(huì)因此得到提高。

　　2.6 質(zhì)量損失率和干燥收縮率

　　隨著溫度從 25℃增加到 800℃，AASBp 的質(zhì)量損失率逐漸增大;溫度高于 800℃后，質(zhì)量損失率穩(wěn)定在 28% 左右。25～300℃的質(zhì)量損失率主要是由于毛細(xì)孔中游離水的蒸發(fā)和 C-A-S-H 的脫水所致;300～800℃的質(zhì)量損失率與 C-A-S-H、類水滑石和方解石的順序分解有關(guān)。然而，溫度從 25℃增加到 1000℃，的質(zhì)量損失率持續(xù)增大后的質(zhì)量損失率是由于中存在部分高結(jié)晶度的 CaCO₃所引起的。隨著溫度從 25℃增加到 1000℃，AASBp 的干燥收縮率增大，最大值達(dá)到 5.0%。溫度為 25～800℃時(shí)的干燥收縮率和質(zhì)量損失率變化規(guī)律一致;然而，當(dāng)溫度為 800～1000℃時(shí)，AASBp 的干燥收縮率仍在持續(xù)增大，這與 AASBp 在高溫后產(chǎn)生較大變形有關(guān)。隨著溫度從 25℃增加到 1000℃，OPCp 的干燥收縮率持續(xù)增大，這與質(zhì)量損失率的變化規(guī)律一致。

　　2.7 強(qiáng)度

　　AASBp 和 OPCp 的抗折強(qiáng)度均降低，AASBp 的抗折強(qiáng)度在 800℃時(shí)為 0MPa，而 OPCp 的抗折強(qiáng)度在 600℃時(shí)為 0MPa。AASBp 的抗折強(qiáng)度與基體微裂縫、C-A-S-H 數(shù)量有關(guān)，隨著溫度從 25℃升到 400℃，基體微裂縫減少;由于高溫的作用，C-A-S-H 失水嚴(yán)重，基體膠結(jié)性降低，抗折強(qiáng)度降低;當(dāng)溫度升到 800℃時(shí)，基體顆粒化程度加劇，C-A-S-H 基本完全分解，抗折強(qiáng)度降為中含有較多的 Ca (OH)₂其在左右會(huì)完全分解分解產(chǎn)生的水蒸氣壓力造成基體開裂嚴(yán)重，微裂縫顯著增多，因此 OPCp 的抗折強(qiáng)度在 600℃時(shí)降為 0MPa。

　　隨著溫度升高，AASBp 和 OPCp 的抗壓強(qiáng)度均先增大后減小，AASBp 的抗壓強(qiáng)度在 400℃時(shí)達(dá)到最大值，而 OPCp 的抗壓強(qiáng)度在 200℃時(shí)達(dá)到最大值。隨著溫度從 25℃升高到 400℃，未水化 MSWI-BA 和 BFS 的進(jìn)一步地質(zhì)聚合，C-A-S-H 的聚合度提高，C/S 降低，AASBp 基體的微裂縫降低，孔隙率降低，密實(shí)度提高，因此 AASBp 的抗壓強(qiáng)度得到提升。文獻(xiàn)和的研究也得到類似的結(jié)論。隨著溫度從 25℃增加到 400℃，高溫促進(jìn)未水化的粉煤灰或 BFS 的地質(zhì)聚合反應(yīng)，導(dǎo)致 AASp 的密實(shí)度提高。

　　隨著溫度從 400℃升高到 1000℃，由于 C-A-S-H 等水化產(chǎn)物分解并遭到破壞，AASBp 基體的顆粒化程度加劇，導(dǎo)致 AASBp 的微裂縫增多，孔隙率增大，密實(shí)度降低，因此 AASBp 的抗壓強(qiáng)度降低。參考文獻(xiàn)的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，OPCp 在高溫后的抗壓強(qiáng)度劣化機(jī)理與類似但在時(shí)的抗壓強(qiáng)度已出現(xiàn)降低趨勢(shì)這是因?yàn)橹械?Ca (OH)₂開始大量分解，造成 OPCp 中的孔結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，在 400℃時(shí)其抗壓強(qiáng)度因此而顯著降低。分解生成的 CaO 極易吸濕，且部分 Ca0 會(huì)與 CO₂反應(yīng)生成 CaCO₃發(fā)生膨脹對(duì)水泥孔壁產(chǎn)生巨大壓力嚴(yán)重破壞孔結(jié)構(gòu)，使得微裂縫劇增。

　　2.8 高溫對(duì) AASBp 歸一化強(qiáng)度的影響

　　經(jīng)高溫處理后的抗壓強(qiáng)度因礦渣材料產(chǎn)地和成分的差異顯示出兩種主要變化規(guī)律：1) 隨著溫度的增加，歸一化抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)。這與 C-A-S-H 和類水滑石等產(chǎn)物的高溫失水分解，水蒸氣壓力導(dǎo)致的 AASp 基體開裂，孔隙率增大有關(guān)。2) 隨著溫度的增加，歸一化抗壓強(qiáng)度呈先增大后降低的趨勢(shì)。

　　規(guī)律相似。未摻雜 MSWI-BA 的 AASp 歸一化抗壓強(qiáng)度在 200℃達(dá)到最大值，且均小于 1.2;然而，AASBp 的歸一化抗壓強(qiáng)度在 400℃達(dá)到最大值，且大于 1.2。顯然，AASBp 具有更優(yōu)異的耐高溫性能。歸一化抗壓強(qiáng)度的提升主要?dú)w因于以下兩點(diǎn)。1)水化產(chǎn)物的變化。即高溫促進(jìn)未水化的前驅(qū)體進(jìn)一步發(fā)生地質(zhì)聚合反應(yīng)，C-A-S-H 的聚合度提高，C/S 降低。2)孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。MSWI-BA 的引入使基體孔隙的連通性增強(qiáng)，這有利于高溫后水蒸氣壓力的釋放，基體開裂程度降低，這與文獻(xiàn) [6] 的研究結(jié)果類似。未摻雜 MSWI-BA 的 AASp 在高溫處理后僅有 1)的作用，而 AASBp 有上述兩種因素的同時(shí)作用，使得高溫后 AASBp 的歸一化抗壓強(qiáng)度明顯優(yōu)于 AASp。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　本研究以 OPCp 作為對(duì)照組，對(duì)比分析了 AASBp 在不同溫度下的質(zhì)量損失率、干燥收縮率和強(qiáng)度，并結(jié)合多種微觀手段揭示 AASBp 的耐高溫機(jī)理，得到以下結(jié)論：

　　1)隨著溫度從 25℃增加到 1000℃，AASBp 中 C-A-S-H 的 C/S 先降低后升高，在 400℃時(shí)， C-A-S-H 的聚合度最高，C/S 最低。C-A-S-H 的 Al—O 鍵在 600℃斷裂，而 Si—O 鍵在 1000℃斷裂。

　　2)隨著溫度的增加，AASBp 和 OPCp 的抗壓強(qiáng)度均先增大后減小，AASBp 的抗壓強(qiáng)度在 400℃時(shí)達(dá)到最大值，而 OPCp 的抗壓強(qiáng)度在 200℃時(shí)達(dá)到最大值。AASBp 的抗壓強(qiáng)度提升是因?yàn)楦邷卮龠M(jìn)未水化 MSWI-BA 和 BFS 的進(jìn)一步聚合，C-A-S-H 的聚合度提高，孔隙率降低，密實(shí)度提高。AASBp 的抗壓強(qiáng)度降低是因?yàn)?C-A-S-H 等水化產(chǎn)物的分解，基體的顆粒化程度加劇，AASBp 微裂縫增多，孔隙率增大，密實(shí)度降低。

　　3)由于高溫促進(jìn)未水化顆粒的充分水化，未摻雜 MSWI-BA 的 AASp 在溫度高于 200℃時(shí)的歸一化抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值;而 AASBp 在溫度高于 400℃時(shí)達(dá)到最大值，這是由于 MSWI-BA 的引入提高了基體孔隙的連通性，高溫后孔隙壓力得到釋放，以及未水化顆粒的充分水化的共同作用。因此，AASBp 的耐高溫性能優(yōu)于 AASp，說明摻入 MSWI-BA 可以提高堿礦渣水泥的耐高溫性能。

張彬彬;馬宇;梁詠寧;林毅武;季韜,福州大學(xué)土木工程學(xué)院;廈門正欣茂建設(shè)工程有限公司,202403