魏東

（1.宜昌高新產(chǎn)業(yè)投資控股集團(tuán)有限公司，湖北 宜昌 443000；2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

0 引言

高爐?；V渣（Ground Granulated Blast Furnace Slag，GGBS）是煉鐵過(guò)程中形成的工業(yè)廢渣，其過(guò)程是以石灰等為溶劑，在高溫下氧化鐵被還原成金屬鐵，同時(shí)鐵礦石中的氧化硅和氧化鋁等雜質(zhì)與溶劑結(jié)合成高爐?；V渣，最終與鐵水分離而獲得[1]。因此，高爐?；V渣中主要含有CaO、SiO2、Al2O3等氧化物，其總量占比高達(dá)90%以上。作為水泥混合材，高爐?；V渣已被普遍使用，其作用除降低成本、變廢為寶和調(diào)節(jié)構(gòu)件強(qiáng)度等級(jí)外，還可改善水泥的顆粒級(jí)配和混凝土的性能[2]，在國(guó)內(nèi)外大量工程中得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。高爐?；V渣已成為水泥混凝土技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，研究高爐?；V渣對(duì)混凝土的影響已成為研究的重點(diǎn)及熱點(diǎn)[5]。

混凝土孔溶液性質(zhì)對(duì)混凝土耐久性的影響較大，目前測(cè)試方法很多，如無(wú)接觸電阻率法[6]、電通量法[7]和RCM法[8]等，這些測(cè)試方法與混凝土內(nèi)部孔溶液性質(zhì)密切相關(guān)，但測(cè)試結(jié)果僅表征混凝土的宏觀性能，其內(nèi)部孔溶液性質(zhì)的變化不可得知。已有研究[9]表明，水泥在前期（約前10 h內(nèi)）水化階段，孔溶液中離子濃度改變會(huì)較大，其后孔溶液中離子濃度變化程度較小或逐漸趨向穩(wěn)定。水泥水化演變過(guò)程比較復(fù)雜，高爐?；V渣的引入使混凝土的體系組分更加復(fù)雜，而且化學(xué)反應(yīng)也復(fù)雜化[10]。因此，針對(duì)水泥-高爐?；V渣體系早齡期孔溶液離子濃度的研究變得尤為重要。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料和配合比

水泥：鎮(zhèn)江鶴林水泥廠P·Ⅰ52.5水泥，密度3029 kg/m3，比表面積340.7 m2/kg；高爐?；V渣（GGBS）：河南鞏義二電廠，S95級(jí)，密度 2800 kg/m3，比表面積 250 m2/kg；水：南京雙鹿點(diǎn)光源有限公司生產(chǎn)的蒸餾水。水泥和高爐?；V渣的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1，蒸餾水的性能參數(shù)見(jiàn)表2，試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

表1 水泥和高爐?；V渣的主要化學(xué)成分 %

表2 蒸餾水的性能參數(shù)

表3 凈漿的質(zhì)量配合比設(shè)計(jì)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 混凝土中孔溶液提取

由于混凝土中孔溶液主要存在于漿體中，因此本文以水泥凈漿為實(shí)驗(yàn)對(duì)象?；炷量兹芤簻y(cè)試針對(duì)1 h齡期，利用離心法提取漿體凝結(jié)硬化前（1 h）的孔溶液。具體步驟如下：新拌漿體置入離心管內(nèi)，在20℃、相對(duì)濕度≥95%養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至1 h立即開(kāi)始離心，離心機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為8000 r/min，處理時(shí)間為5 min，然后收集液體并置于低溫環(huán)境下密封保存，以備測(cè)試之用。針對(duì)漿體凝結(jié)硬化后（10 h、20 h和24 h）的孔溶液，試樣尺寸為 100 mm×100 mm×150 mm，在20℃、相對(duì)濕度≥95%養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，8 h齡期時(shí)利用鉆心取樣機(jī)進(jìn)行鉆心取樣（φ80 mm×100 mm），如圖 1（a）所示。然后用保鮮膜密封繼續(xù)養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期取出，去除外層保鮮膜進(jìn)行孔溶液高壓萃取試驗(yàn)，裝置如圖1（b）所示。

圖1 鉆芯取樣和高壓萃取裝置

1.2.2 混凝土孔溶液離子測(cè)試

利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)試混凝土孔溶液的鉀、鈉、鈣、硫、硅和鋁濃度（20℃）；利用精密pH計(jì)測(cè)試液相的pH值（20℃）。

2 結(jié)果與分析

2.1 孔溶液中Na+、K+濃度和pH值變化

水泥-高爐?；V渣體系液相中Na+、K+濃度和pH值隨水化時(shí)間的變化見(jiàn)圖2。

圖2 液相中Na+、K+濃度和pH值隨水化時(shí)間的變化

水泥熟料與水接觸，開(kāi)始發(fā)生水泥水化反應(yīng)，水泥顆粒中堿性氧化物快速溶解，孔溶液中K+和Na+濃度快速上升，且較快達(dá)到飽和狀態(tài)。隨著水化時(shí)間的延長(zhǎng)，水泥-高爐?；V渣體系會(huì)產(chǎn)生具有吸附作用的C-S-H凝膠[11]，但吸附量低于水泥顆粒溶解釋放鉀的速率，因此孔溶液中K+濃度不斷上升。同時(shí)，水泥-高爐?；V渣體系水化反應(yīng)過(guò)程中水分不斷被消耗和水化過(guò)程中存在不斷的水分蒸發(fā)，同時(shí)C-S-H凝膠對(duì)孔溶液中堿離子的吸附作用也不斷趨于飽和。Na+濃度隨著水化時(shí)間延長(zhǎng)不斷增大，Na+濃度變化趨勢(shì)與K+類(lèi)似。已有研究表明[11]，pH值的變化主要受堿離子濃度的影響，與Na+、K+濃度呈類(lèi)似變化規(guī)律。隨著高爐粒化礦渣摻量的不斷增加，孔溶液中Na+和K+濃度及pH值均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而且降低程度是依次增加。因?yàn)樗?高爐?；V渣體系體系中水化速率主要由水泥和高爐?；V渣中離子的溶出速率決定[12]，高爐?；V渣摻入到水泥中起物理稀釋作用[13]，降低孔溶液的離子濃度。在40%高爐?；V渣摻量情況下，孔溶液中Na+和K+濃度及pH值被降低的程度范圍分別依次為35.4%～64.8%、49.0%～79.8%和2.4%～4.0%，可見(jiàn)相比K+濃度和pH值，高爐?；V渣摻量40%對(duì)Na+離子影響程度最大。

2.2 孔溶液中Ca2+和濃度變化

水泥-高爐?；V渣體系液相中Ca2+和濃度隨水化時(shí)間的變化見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)，水泥-高爐?；V渣體系與水接觸，膠凝材料中的硫酸鹽及活性含鈣礦物會(huì)快速溶解。隨著水化時(shí)間的延長(zhǎng)，孔溶液中Ca2+和濃度先上升后下降，基本在10 h左右時(shí)Ca2+和濃度達(dá)到峰值，10 h后濃度逐漸降低是因?yàn)樗?高爐?；V渣體系中生成鈣礬石消耗孔溶液中Ca2+和。與高爐?；V渣對(duì)K+和Na+濃度的影響規(guī)律類(lèi)似，隨著高爐粒化礦渣摻量的增加，Ca2+和濃度逐漸降低。摻量為40%的水泥-高爐粒化礦渣體系出現(xiàn)的峰值不夠明顯，可能原因是峰值處于開(kāi)始測(cè)試時(shí)間（1 h）前。隨后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，Ca2+和濃度逐漸降低。在高爐粒化礦渣摻量為40%的情況下，孔溶液中Ca2+和濃度降低程度范圍分別依次為70.0%～99.9%和45.6%～71.4%，可見(jiàn)相比孔溶液中濃度，40%高爐?；V渣摻量對(duì)Ca2+濃度影響程度最大。

2.3 孔溶液中和濃度的變化

3 結(jié)論

（1）隨水化時(shí)間延長(zhǎng)，孔溶液中 K+、Na+、濃度和 pH值逐漸上升；Ca2+和濃度先上升后降低，10 h左右均達(dá)到峰值濃度呈類(lèi)似變化。

（2）隨高爐?；V渣摻量增加，孔溶液中 K+、Na+、Ca2+、和濃度及pH值呈現(xiàn)降低的變化規(guī)律。

（3）高爐?；V渣摻量40%情況下，高爐粒化礦渣對(duì)孔溶液中 K+、Na+、Ca2+、和濃度及 pH值的影響程度范圍依次是：35.4%～64.8%、49.0%～79.8%、70.0%～99.9%、45.6%～71.4%、-8.0%～-60.0%、56.9%～99.3%和2.4%～4.0%。