賀行洋 蘇 英 熊健民 孫 維 竺萬(wàn)發(fā)

（湖北工業(yè)大學(xué)土建學(xué)院, 湖北 武漢 430068）

基于濕磨處理方式的低能耗及工業(yè)廢渣通常含有水分的特點(diǎn)，作者提出用攪拌磨濕磨處理工業(yè)廢渣制備含有一定水分的漿體狀混凝土礦物摻合料（簡(jiǎn)稱(chēng)“漿狀摻合料”）[1-2]。通過(guò)一定的控制措施，濕磨能制得分散性及流變性良好的漿狀摻合料，并可直接用于配制各強(qiáng)度等級(jí)混凝土2。然而，濕磨方式制備的漿狀摻合料，因水介質(zhì)的存在，使得漿狀摻合料性能與通常干磨方式制備的粉狀礦物摻合料有所不同。水泥混凝土作為大量應(yīng)用的工程材料，耐久性是其重要的工程性質(zhì)之一，耐久性的好壞直接關(guān)系到混凝土結(jié)構(gòu)功能的實(shí)現(xiàn)和服役年限的長(zhǎng)短[3]。因此，有必要對(duì)漿狀摻合料混凝土耐久性能進(jìn)行研究。

海水對(duì)混凝土材料來(lái)說(shuō)是一種極復(fù)雜的侵蝕溶液，其中的SO42-、Mg2+會(huì)對(duì)混凝土形成硫酸鹽和鎂鹽雙重侵蝕[4]；而對(duì)摻有礦物摻合料的混凝土來(lái)說(shuō)，海水中Na+、SO42-等離子又會(huì)激發(fā)礦物摻合料的二次水化反應(yīng)，可促進(jìn)其混凝土的強(qiáng)度發(fā)展[4-5]。為研究漿狀摻合料混凝土的耐久性，本文參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GBJ82-85），運(yùn)用人工海水環(huán)境對(duì)漿狀摻合料混凝土抗化學(xué)侵蝕性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

用于制備漿狀摻合料的工業(yè)廢渣為石景山二級(jí)粉煤灰、首鋼礦渣原渣，水泥為華新水泥廠旋窯熟料與石膏配制的純硅酸鹽水泥，粉煤灰、礦渣及水泥的化學(xué)組成及物理性能如表1所示。

混凝土粗、細(xì)骨料分別采用最大粒徑為20mm的碎石及細(xì)度模數(shù)為2.7的河砂。

外加劑為密云混凝土外加劑廠的FDN粉劑，最佳摻量范圍是膠結(jié)材用量的0.5%~1.0%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBJ82-85，按一定配比成型7.07×7.07×7.07cm的混凝土試件(粗集料最大粒徑為15mm)，養(yǎng)護(hù)1天后拆模并將試件移入霧室養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)56天后取出試件并對(duì)每塊試件進(jìn)行稱(chēng)重并編號(hào)，然后將試件分別移入侵蝕介質(zhì)溶液中進(jìn)行化學(xué)侵蝕，侵蝕溶液為4倍濃度的人工海水(注：取標(biāo)準(zhǔn)海水的組成為2.75%NaCl、0.32%MgCl2、0.224MgSO4、0.11%CaSO4及0.05%CaCl2，以上濃度均為質(zhì)量百分比濃度)，并每組取3個(gè)試塊放入清水中養(yǎng)護(hù)，以便比較。

表1 粉煤灰、礦渣及水泥的化學(xué)成分與物理性能

化學(xué)侵蝕到規(guī)定齡期，取出試件自然晾干后，測(cè)試試件的抗壓強(qiáng)度。計(jì)算侵蝕前后試件的強(qiáng)度損失率。

強(qiáng)度損失率的計(jì)算公式為：

式中，ΔR ——腐蝕前后的強(qiáng)度損失率（%）；

R標(biāo)——同齡期清水養(yǎng)護(hù)混凝土試件的強(qiáng)度（MPa）；

R1——腐蝕后混凝土試件的強(qiáng)度（MPa）

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

對(duì)比組混凝土單方水泥用量定為450kg，水 膠 比 為0.4，砂 率 為40%，外 加 劑 摻 量為 膠 結(jié) 材0.7%，配 合 比 為 水 泥：水：砂：石=1：0.4：1.57：2.36。不同礦物摻合料摻量以38%等體積摻量?jī)?nèi)摻方式摻入，并保證單方膠凝材料總體積量不變，相當(dāng)于摻粉煤灰時(shí)其重量摻量為30%且膠凝材料總量為397kg，摻礦渣時(shí)其重量摻量為36%且膠凝材料總量為438kg（注：水泥、粉煤灰和礦渣的密度分別為3.10、2.10和2.89）?；炷镣饧觿┗緭搅繛槟z結(jié)材重量0.7%，為保證混凝土流動(dòng)性，外加劑摻量可適當(dāng)調(diào)整。

表2 混凝土實(shí)驗(yàn)方案及混凝土工作性

另外，因礦物摻合料復(fù)合超疊加效應(yīng)的發(fā)揮，不僅與各組分水化活性有關(guān)，還受其細(xì)度匹配影響，在設(shè)計(jì)復(fù)合漿狀摻合料混凝土實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，對(duì)不同礦物摻合料進(jìn)行了粒徑匹配設(shè)計(jì)。在復(fù)合漿狀摻合料中，粉煤灰和礦渣的體積摻量是相等的，通過(guò)分別改變粉煤灰、礦渣的細(xì)度，探討復(fù)合漿狀摻合料對(duì)其混凝土抗化學(xué)侵蝕性能的影響。

按上述實(shí)驗(yàn)思路，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及測(cè)得的新拌混凝土工作性如表2所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰漿狀摻合料混凝土抗化學(xué)侵蝕性能

圖1顯示了經(jīng)過(guò)4倍濃度海水180天浸泡后，摻有不同方式處理粉煤灰混凝土的強(qiáng)度及相對(duì)清水中養(yǎng)護(hù)混凝土的強(qiáng)度損失率。

圖1 粉煤灰混凝土抗化學(xué)侵蝕性能

由圖1可看出，經(jīng)過(guò)4倍濃度海水180天的浸泡，摻粉煤灰混凝土的強(qiáng)度大部分較其在自來(lái)水中養(yǎng)護(hù)的試塊強(qiáng)度高，強(qiáng)度損失率為負(fù)值。這說(shuō)明不同方式處理的粉煤灰及原狀粉煤灰的摻入，一般在一定程度上改善了混凝土抗化學(xué)侵蝕性能；但比表面積為1000m2/kg濕磨處理的粉煤灰漿狀摻合料是一個(gè)例外，其化學(xué)侵蝕強(qiáng)度損失率4.11%，甚至大于空白組混凝土的強(qiáng)度損失率，惡化了混凝土的抗化學(xué)侵蝕性能。由圖1還可看出，粉煤灰漿狀摻合料混凝土的抗化學(xué)侵蝕性能與其細(xì)度成反比，隨粉煤灰細(xì)度增加，其抗化學(xué)侵蝕性能有一定下降。

對(duì)礦物摻合料混凝土來(lái)說(shuō)，海水一方面存在侵蝕，另一方面海水中Na+、SO42-等離子對(duì)摻合料的二次水化反應(yīng)具有激發(fā)作用，能夠促進(jìn)摻合料混凝土的強(qiáng)度發(fā)展。經(jīng)過(guò)4倍濃度海水180天侵蝕，摻粉煤灰漿狀摻合料混凝土強(qiáng)度損失率絕大部分為負(fù)值說(shuō)明，粉煤灰摻入除可改善混凝土微結(jié)構(gòu)外，海水中Na+、SO42-等離子對(duì)粉煤灰的激發(fā)作用也對(duì)混凝土強(qiáng)度發(fā)展起到了一定的促進(jìn)作用，因而使得摻粉煤灰的混凝土抗化學(xué)侵蝕性能有較大改善。對(duì)于比表面積為1000m2/kg的粉煤灰漿狀摻合料混凝土抗化學(xué)侵蝕性能不佳，主要與其在濕磨處理及放置過(guò)程中受到水介質(zhì)及金屬陽(yáng)離子強(qiáng)烈作用有關(guān)[6]，其與水泥拌和后，其后續(xù)的二次水化反應(yīng)較快，因而在56天齡期進(jìn)行化學(xué)侵蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，其二次水化反應(yīng)對(duì)混凝土強(qiáng)度貢獻(xiàn)已得到較好的發(fā)揮，此時(shí)在化學(xué)侵蝕過(guò)程中，海水中Na+、SO42-等離子對(duì)粉煤灰的激發(fā)作用提高其混凝土強(qiáng)度的效果不明顯，甚至可能有負(fù)面影響，因而在海水中SO42-、Mg2+等離子侵蝕作用下，摻比表面積為1000m2/kg濕磨粉煤灰的混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)一定的下降，抗化學(xué)侵蝕性能甚至劣于對(duì)比組混凝土。

2.2 礦渣漿狀摻合料混凝土抗化學(xué)侵蝕性能

圖2顯示了礦渣漿狀摻合料混凝土經(jīng)過(guò)180天4倍濃度海水侵蝕后的強(qiáng)度及強(qiáng)度損失率。

圖2 礦渣混凝土抗化學(xué)侵蝕性能

由圖2可看出，不同方式處理的礦渣摻合料的加入，均在一定程度上惡化了混凝土的抗化學(xué)侵蝕性能。經(jīng)過(guò)4倍濃度海水的180天侵蝕，摻不同細(xì)度、不同方式處理礦渣的混凝土強(qiáng)度損失率介于2%~9%之間，而且隨細(xì)度增加，混凝土強(qiáng)度損失率增加。這說(shuō)明單摻礦渣不具備改善混凝土抗化學(xué)侵蝕性能的能力，這與已有的一些研究結(jié)論比較一致；而且在本研究中，濕磨處理的礦渣漿狀摻合料與水泥拌和后，其后續(xù)的二次水化反應(yīng)速率較高，在56天齡期時(shí)，其混凝土強(qiáng)度已得到較大的發(fā)揮，如摻36%的比表面積為750m2/kg礦渣漿狀摻合料混凝土經(jīng)過(guò)清水180天的養(yǎng)護(hù)后，其強(qiáng)度甚至比56天強(qiáng)度下降了1.4MPa。因此，與比表面積為1000m2/kg的粉煤灰機(jī)理類(lèi)似，經(jīng)過(guò)180天4倍濃度海水的侵蝕，單摻礦渣漿狀摻合料混凝土強(qiáng)度均有較大的下降，不具備較好的抗化學(xué)侵蝕性能。

2.3 復(fù)合漿狀摻合料混凝土抗化學(xué)侵蝕性能

圖3為復(fù)合漿狀摻合料混凝土經(jīng)過(guò)180天4倍濃度海水侵蝕后的強(qiáng)度及強(qiáng)度損失率。

圖3 復(fù)合摻合料混凝土抗化學(xué)侵蝕性能

比較圖3與圖2可看出，粉煤灰與礦渣的復(fù)合，明顯地改善了單摻礦渣的混凝土抗化學(xué)侵蝕能力差的弱點(diǎn)。經(jīng)過(guò)4倍濃度海水的180天侵蝕，礦渣同粉煤灰的復(fù)合使其混凝土強(qiáng)度損失率均小于空白組混凝土強(qiáng)度損失率，部分組混凝土強(qiáng)度損失率甚至為負(fù)值，其強(qiáng)度相對(duì)于清水中養(yǎng)護(hù)的混凝土還出現(xiàn)了一定增長(zhǎng)。粉煤灰同礦渣的復(fù)合，一方面除可改善膠凝材料體系堆積外，另一方面由于粉煤灰和礦渣二次水化反應(yīng)的快慢不同，粉煤灰同礦渣復(fù)合可改善混凝土的強(qiáng)度遞延率，使得混凝土強(qiáng)度在不同齡期有合適的增長(zhǎng)，因而能改善混凝土抗化學(xué)侵蝕性能。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)漿狀摻合料混凝土抗化學(xué)侵蝕性能的研究，可得出以下結(jié)論：

1) 不同方式處理的粉煤灰及原狀粉煤灰的摻入，一般均在一定程度上改善其混凝土抗化學(xué)侵蝕性能。但比表面積為1000m2/kg濕磨處理的粉煤灰漿狀摻合料是一個(gè)例外，其化學(xué)侵蝕強(qiáng)度損失率為4.11%，甚至大于空白組混凝土的強(qiáng)度損失率，惡化了 混凝土的抗化學(xué)侵蝕性能。

2) 經(jīng)過(guò)4倍濃度人工海水的180天侵蝕，摻不同細(xì)度、不同方式處理礦渣的混凝土強(qiáng)度損失率介于2%~9%之間，而且隨細(xì)度增加，混凝土強(qiáng)度損失率增加。

3) 粉煤灰同礦渣的復(fù)合能明顯改善礦渣混凝土抗化學(xué)侵蝕性能差的弱點(diǎn)。

[1]陳益民, 賀行洋, 張文生 等. 混凝土的漿狀磨細(xì)礦物摻合料及其制造方法：中國(guó), ZL 03137658.4 [P].2005-10

[2]賀行洋, 陳益民. 濕磨工業(yè)廢渣制備混凝土漿狀摻合料的研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 28(7)： 43-47.

[3]馬保國(guó), 賀行洋, 胡曙光. 混凝土耐久性破壞經(jīng)時(shí)模型——模型計(jì)算及預(yù)測(cè)[J]. 混凝土, 2002(6)： 23-25.

[4]袁潤(rùn)章. 膠凝材料學(xué). 武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社, 2005.

[5]李永鑫, 含鋼渣粉摻合料的水泥混凝土組成、結(jié)構(gòu)與性能的研究. 博士學(xué)位論文, 中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院, 2003.

[6]賀行洋, 陳益民, 蘇 英. 混凝土漿狀摻合料物理化學(xué)性能的研究[J]. 中國(guó)建材科技, 2006(2)： 4-7.