我国每年矿渣产量约10亿t。碱激发矿渣胶凝材料是以磨细的高炉矿渣为主要原料，采用适当的碱性激发剂(如水玻璃)激发，经搅拌而成的胶凝材料^[1-3]。碱激发矿渣胶凝材料收缩大^[4-5]，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^[2]，而陶粒、陶砂是经过高温烧制而成^[6]，具有保温、隔热、耐火性等优点。因此，预想用陶砂、陶粒制备出的碱激发矿渣陶砂砂浆和碱激发矿渣陶粒混凝土，也可用于高温环境工作中。

韦展艺等^[7]进行了M7.5、M10和M15不同强度等级的水泥砂浆砌筑的蒸压粉煤灰砖砌体轴心抗拉强度试验。结果表明，随着砌筑砂浆强度的提高，砌体的轴心抗拉强度增幅减慢。《砌体结构设计规范》(GB 50003-2011)给出了轴心抗拉强度随砌筑砂浆抗压强度1/2次幂线性增大的计算公式^[8]。不论是已有文献，还是现行规范都认为砌体的轴心抗拉强度仅与砌体种类和砌筑砂浆的抗压强度有关。

碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑的砌体与水泥砂浆和混合砂浆砌筑的砌体存在明显不同，主要表现在：1)水泥砂浆和混合砂浆的强度等级介于Mb7.5~Mb20，而碱激发矿渣陶砂砂浆的强度等级介于Mb20~Mb65；2)碱激发矿渣陶砂砂浆的细骨料是陶砂，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，陶砂光滑的表面弱化了相邻砌块之间的剪摩作用；3)水泥砂浆和混合砂浆分别用水泥浆体、水泥“+”石灰的浆体为胶凝材料，而碱激发矿渣陶砂砂浆是以碱激发矿渣浆体为胶凝材料的，当含砂率相同时，碱激发矿渣陶砂砂浆收缩要大一些。对于碱激发矿渣陶砂砂浆自身而言，当碱激发矿渣陶砂砂浆抗压强度相同时，水灰比越大，收缩越大；砂灰比越大，收缩越小，但工作性越差。碱性激发剂用量和水玻璃模数的不同会影响碱激发矿渣陶砂砂浆的工作性能和力学性能。综上，开展碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑的砌体轴心受拉性能试验研究具有现实意义。

本文考察了水灰比、砂灰比、Na₂O含量、水玻璃模数和碱激发矿渣陶砂砂浆抗压强度对空心砌块砌体轴心抗拉强度的影响。

1 砌体轴心受拉试验 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，其比表面积分别为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如表 1所示。

陶粒：河南省巩义市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。水玻璃模数为SiO₂与Na₂O的摩尔数比值。

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含量不小于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%。

水：试验用水为哈尔滨自来水(H₂O)。

1.2 碱激发矿渣陶砂砂浆的配制

砌体轴心抗拉试件砌筑浆体为碱激发矿渣陶砂砂浆，由矿渣、粉煤灰、陶砂、碱性激发剂配制而成。通过改变水灰比(W)、砂灰比(S)、氧化钠含量(N)和水玻璃模数(n)来确定6种强度等级的砌筑砂浆，其配合比见表 2。配合比计算水灰比时的水包括液态水玻璃中的水、氢氧化钠按照2NaOH→Na₂O+H₂O计算的水和自来水。

1.3 材性试验 1.3.1 碱激发矿渣砌筑砂浆抗压强度

根据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70-2009)^[9]，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。经大量试验由砖底模改为钢底模后，砂浆抗压强度降低幅度在50%~70%，考虑到结构安全性，将算术平均值乘以1.35作为该组试件的浆体立方体试件抗压强度平均值是最保守情况，结果如表 3所示。碱激发矿渣砂浆分为Mb20、Mb30、Mb35、Mb40、Mb45、Mb65 6种强度等级。

1.3.2 空心砌块轴心抗拉强度

本试验采用几何孔洞率为46.7%的混凝土空心砌块。主砌块的尺寸为390 mm×190 mm×190 mm，辅砌块的尺寸为190 mm×190 mm×190 mm，强度等级均为MU20，具体尺寸如图 1所示。由于碱激发矿渣陶砂砂浆强度高，不排除砌体在轴心受拉过程中砌块被拉断的情况，若发生砌块被拉断，应扣除被拉断砌块所承担的抗拉强度，并用剩余截面计算砌体轴心抗拉强度。随机选取6个主砌块对其进行轴心抗拉强度测试，如图 2所示，在砌块190 mm×190 mm面中心开洞，穿入受拉钢筋，受拉钢筋深入砌块空心孔洞内约6~7 cm，端部设置锚固板，并后浇混凝土。砌块轴心抗拉破坏荷载最小值为16.3 kN。

1.4 试件设计与制作

轴心抗拉试验试件设计参照《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T 50129-2011)^[10]中砌体沿齿缝截面弯曲抗拉强度试件砌筑方法，尺寸为1 390 mm×190 mm×790 mm。

为施加轴心拉力对试件端部预埋受拉钢筋并后浇混凝土。试件端部砌块孔洞四角放置4根765 mm的ϕ10 mmHPB300，试件190 mm×790 mm面中心开洞，穿入受拉钢筋。预埋受拉钢筋共采用2种方案：方案一为L形钢筋，钢筋规格为ϕ16 mmHRB600，400 mm长端部加工20 mm长外螺纹，如图 3(a)所示；方案二为锚固板，锚固板大小为60 mm×60 mm，厚度为16 mm，中心钻眼，采用栓塞焊焊接ϕ16 mmHRB600钢筋，钢筋伸出试件侧端头加工20 mm长外螺纹，如图 3(b)所示。

试验设计了6个强度等级的碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑混凝土空心砌块砌体的轴心抗拉试验，共计60个试件。轴心抗拉试件主要参数见表 4。

1.5 试验装置和加载方案

考虑试件体积大、质量大，若采用竖向施加拉力的方法，受自重影响大，且破坏时属脆性破坏，无明显征兆，具有一定的安全隐患，故试验采用如图 4所示装置：水平放置反力架，横梁中心钻孔；设置活动钢筋，两端各加工20 mm长外螺纹，穿过横梁孔洞，横梁钻孔孔径为25 mm，大于钢筋直径，防止摩擦产生阻力；一侧活动钢筋作为穿心式千斤顶的持力筋，并挂置压力传感器。

试验前在试件上四分点位置进行截面尺寸测量；试验时使用吊车平移试件至加载装置内，底部放置地坦克，以减小摩擦力对试验带来的影响；活动钢筋穿过横梁孔洞，与试件预埋的受拉钢筋使用套筒进行连接，横梁外侧使用套筒拧紧限制活动钢筋位移；使用穿心式千斤顶进行加载；通过穿心式力传感器及DH3820高速静态应变测试分析系统组成的测试系统测定破坏荷载，记录试件破坏特征。

2 砌体轴心受拉试验现象

空心砌块砌体轴心抗拉破坏形式如图 5所示，之所以有砌块被拉断的情况发生，是由于被拉断砌块强度低于MU20所对应的强度。

3 试验结果与分析 3.1 试验结果

砌体轴心抗拉强度计算公式为：

$ {f_{{\rm{t}}, i}} = \frac{{{N_{\rm{t}}}}}{{bh}} $

(1)

式中：f_{t, i}为试件的轴心抗拉强度，MPa；N_t为试件的轴心抗拉试验破坏荷载，当有砌块被拉断时扣除被拉断砌块承受的破坏荷载，N；b为试件的截面宽度，mm；h为试件的截面高度，当有砌块被拉断时扣除被拉断砌块沿墙高方向的边长，mm。

轴心抗拉强度试验结果如表 5所示。由表 5可知，不同碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑的空心砌块砌体轴心抗拉强度随着碱激发矿渣陶砂砂浆抗压强度的增大而增大。

3.2 对试验结果的分析

水灰比、砂灰比、Na₂O含量和水玻璃模数均是变量，通过前期配合比试验发现这4种因素对碱激发矿渣陶砂砂浆抗压强度的影响均较显著^[11]。因此，对碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑的砌块砌体，着力考察水灰比(W)、砂灰比(S)、Na₂O含量(N)、水玻璃模数(n)和碱激发矿渣陶砂砂浆抗压强度1/2次幂($ \sqrt{f_{2}}$)对空心砌块砌体轴心抗拉强度的影响。

3.2.1 水灰比、砂灰比、Na₂O含量、水玻璃模数和碱激发矿渣陶砂砂浆强度对轴心抗拉强度的影响

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_{\mathrm{t}, m} / \sqrt{f_{2}} $为纵坐标建立坐标系。将水灰比介于0.44~0.53、砂灰比介于1.76~2.50、Na₂O含量(相对于矿物粉料质量)介于4.4%~9.3%、水玻璃模数介于0~1.26和碱激发矿渣陶砂砂浆折算后抗压强度介于20.9~65.0 MPa的轴心抗拉强度实测值置于坐标系中，发现当0≤nN≤0.10时，$f_{\mathrm{t}, m} / \sqrt{f_{2}} $随着W或S的增加而减小；当0.10≤nN≤0.12时，$f_{\mathrm{t}, m} / \sqrt{f_{2}} $随着W或S的增加而增大。当-0.09≤WS-7.382nN≤0.54时，$f_{\mathrm{t}, m} / \sqrt{f_{2}} $随着n或N的增加而减小；当0.54≤WS-7.382nN≤1.33时，$f_{\mathrm{t}, m} / \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，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^[12]；增大水玻璃模数可以提高SiO₄^4-的含量，从而产生更多的水化硅(铝)酸钙提高碱激发矿渣陶砂砂浆的抗压强度^[13]，而过高的水玻璃模数会形成过多的SiO₄^4-不利于矿渣的解聚与聚合而降低砂浆的强度^[14]。结合图 6，拟合得到下列用碱激发矿渣陶砂砂浆作砌筑砂浆的混凝土空心砌块砌体轴心抗拉强度的计算公式：

$ \begin{array}{c} {f_{{\rm{t}}, m}} = ( - 5.841nN - 1.048WS + 10.81WSnN + \\ 39.9{n^2}{N^2} + 0.994)\sqrt {{f_2}} \end{array} $

(2)

式中：f_{t, m}为碱激发矿渣陶砂砂浆作为砌筑砂浆的空心砌块砌体轴心抗拉强度，MPa；f₂为碱激发矿渣陶砂砂浆折算后抗压强度，MPa；n为水玻璃模数；N为激发剂中Na₂O质量占矿物粉料质量的百分比；W为碱激发矿渣陶砂砂浆配合比中的水与矿物粉料质量比；S为碱激发矿渣陶砂砂浆配合比中陶砂与矿物粉料质量比。

本文认为在Na₂O含量介于4.4%~9.3%和水玻璃模数介于0~1.26时，随着Na₂O含量和水玻璃模数的变化，碱激发矿渣陶砂砂浆的保水性能有一定的影响。

3.2.2 砌体轴心抗拉强度实测值、拟合值与规范值对比

根据《砌体结构设计规范》(GB 50003-2011)^[8]规定，砌体轴心抗拉强度平均值计算公式为：

$ f_{\mathrm{t}, m}=k_{3} \sqrt{f_{2}} $

(3)

式中：f_{t, m}为砌体轴心抗拉强度平均值，MPa；f₂为砂浆抗压强度平均值，MPa；k₃为与块体类别有关的参数，对于混凝土砌块取0.069。

将砌体轴心抗拉强度实测值、拟合公式计算值和规范值对比分析，如表 6所示。

由表 6可知，用碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑空心砌块砌体，f_{t, m}^c/f_{t, m}^t的平均值为0.992，标准差为0.022，变异系数为0.022。碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑的空心砌块砌体轴心抗拉强度实测值均低于按式(3)的计算值，这是由于碱激发矿渣陶砂砂浆的干燥收缩大于硅酸盐水泥砂浆的收缩^[5]。

4 结论

1) 用碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑的空心砌块砌体轴心受拉试验破坏存在沿灰缝破坏和沿灰缝及砌块断裂面破坏2种形式。砌块之所以被拉断，是由于其强度低于MU20对应的强度。

2) 通过分析水灰比、砂灰比、Na₂O含量、水玻璃模数和碱激发矿渣陶砂砂浆抗压强度对空心砌块砌体轴心抗拉强度的影响，建立了考虑各关键参数影响的空心砌块砌体轴心抗拉强度的计算公式。

3) 碱激发矿渣陶砂砂浆砌筑的空心砌块砌体轴心抗拉强度低于常规砂浆或混合砂浆砌筑的砌体轴心抗拉强度。