程素麗

（山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030013）

0 引言

礦渣是鋼鐵產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)物，是鐵礦石的硅、鋁相雜質(zhì)在煉鐵過程中高溫反應(yīng)生成的熔融物，淬冷、磨細(xì)后的顆粒即為礦渣粉[1]。2018年全國(guó)礦渣增量約3億t，大量堆存的礦渣亟待處理。礦渣的形成過程與水泥的高溫生產(chǎn)類似，并且成分相近，因此具有一定的反應(yīng)活性，可替代部分水泥制備建筑材料[2]。宋起運(yùn)等[3]研究了礦渣加氣混凝土在不同養(yǎng)護(hù)齡期的物理性能，結(jié)果表明，礦渣混凝土水化產(chǎn)物中僅含少量氫氧化鈣相，同時(shí)基體孔隙結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，增加無害孔，減少微裂紋。袁俊等[4]研究發(fā)現(xiàn)，摻加礦渣能明顯改善混凝土材料的抗鹽漬土侵蝕性能。楊文武等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在水膠比較小時(shí)，礦渣的引入可以改善混凝土的抗凍性與抗氯離子滲透性。胡延燕[6]的研究認(rèn)為，摻加礦渣可以增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土的韌性，使其應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段基本變成了直線，表明此時(shí)礦渣增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土受載時(shí)體現(xiàn)出彈性變形特征。

本文采用礦渣替代部分水泥制備礦渣混凝土，研究其力學(xué)性能與抗硫酸鹽侵蝕性能，并對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

?；郀t礦渣：山東濟(jì)南，S105級(jí)，物理性能見表1，主要化學(xué)成分見表2；水泥：P·O42.5R；細(xì)骨料：河砂，細(xì)度模數(shù)2.7，堆積密度1472 kg/m3；粗骨料：碎石，粒徑6~18 mm，堆積密度1480 kg/m3；減水劑：萘系高效減水劑，固含量20%，減水率25%；實(shí)驗(yàn)所采用淡水：自來水。

表1 ?；郀t礦渣的物理性能

表2 ?；郀t礦渣的主要化學(xué)成分 %

1.2 礦渣混凝土的制備及測(cè)試方法

混凝土的基準(zhǔn)配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（水）∶m（砂）∶m（碎石）=445∶200∶690∶1035，礦渣等質(zhì)量取代水泥，摻量（按占膠凝材料總質(zhì)量計(jì)）分別為0、20%、40%、60%、80%，減水劑摻量為膠凝材料總質(zhì)量的1%。

將精確稱量的骨料、水泥、礦渣按順序加入攪拌鍋中攪拌50 s使其充分混合，再將摻有減水劑的拌合水加入攪拌鍋中，攪拌150 s后暫停30 s，再攪拌150 s可得礦渣混凝土拌合物。將拌合物澆注至100 mm×100 mm×100 mm立方體模具中，震動(dòng)成型后養(yǎng)護(hù)3 d拆模，將試樣分別置于淡水環(huán)境中、5%濃度的Na2SO4環(huán)境中分別養(yǎng)護(hù)至7、30、60、90、180 d，同時(shí)將試樣一面作為侵蝕面，其余各面用環(huán)氧樹脂涂抹封閉，將密封后的試樣置于5%濃度的Na2SO4環(huán)境中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)30、90、180、360 d，將侵蝕一定齡期后的試樣取出，用切割機(jī)沿平行于侵蝕面的方向切割（距侵蝕面5、10、20 mm），將切割下的樣品碎塊磨細(xì)后，取0.5 g加入50 ml去離子水中，攪拌靜置1 d后采用可見光光度計(jì)測(cè)試SO42-含量。各試樣分別采用微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其抗壓強(qiáng)度，并選取部分壓碎樣品加入無水乙醇中中止水化，再烘干待各項(xiàng)測(cè)試使用。采用耐蝕系數(shù)評(píng)價(jià)礦渣混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能[見式（1）]。相關(guān)測(cè)試方法參考GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》。

式中：Kf——耐蝕系數(shù)；

Ff——5%硫酸鹽環(huán)境中礦渣混凝土的抗壓強(qiáng)度，MPa；

Fs——淡水環(huán)境中礦渣混凝土的抗壓強(qiáng)度，MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 礦渣混凝土的抗壓強(qiáng)度

不同摻量礦渣混凝土在淡水和硫酸鹽環(huán)境中抗壓強(qiáng)度的變化見表3、表4，耐蝕系數(shù)見圖1。

圖1 礦渣混凝土在不同齡期的耐蝕系數(shù)

表3 礦渣混凝土在淡水中的抗壓強(qiáng)度

表4 礦渣混凝土在硫酸鹽環(huán)境中的抗壓強(qiáng)度

由表3可見，當(dāng)?shù)V渣取代20%水泥時(shí)，礦渣混凝土的7、30、60、90、180 d抗壓強(qiáng)度較未摻礦渣的基準(zhǔn)混凝土分別提高了8.0%、8.9%、8.5%、1.7%、2.3%；當(dāng)?shù)V渣取代40%水泥時(shí)，礦渣混凝土的7、30、60、90、180 d抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土分別提高了9.7%、17.1%、13.3%、6.0%、5.3%；礦渣取代水泥60%時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度基本與基準(zhǔn)混凝土一致；礦渣取代80%水泥時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)混凝土。各組混凝土在養(yǎng)護(hù)7~30 d時(shí)抗壓強(qiáng)度隨齡期的延長(zhǎng)明顯提高，養(yǎng)護(hù)30~180 d時(shí)隨齡期的延長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度提高速率明顯降低。

由表4可見，相比于在淡水中養(yǎng)護(hù)，硫酸鹽環(huán)境中養(yǎng)護(hù)時(shí)試樣的抗壓強(qiáng)度均有不同程度降低，且摻礦渣的混凝土抗壓強(qiáng)度損失明顯小于基準(zhǔn)混凝土，這可能是因?yàn)榈V渣在水化反應(yīng)過程中會(huì)與水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，不僅消耗了對(duì)強(qiáng)度有害的脆性相氫氧化鈣，還可以生成更多的水化硅鋁酸鈣凝膠，使基體更致密，限制硫酸鹽的侵蝕，因此強(qiáng)度損失較小。當(dāng)?shù)V渣摻量為40%時(shí)，硫酸鹽環(huán)境中養(yǎng)護(hù)的礦渣混凝土7、30、60、90、180 d抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土分別提高了11.7%、23.0%、22.5%、16.1%、22.2%。

由圖1可見，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，所有試樣的耐蝕系數(shù)均顯著降低，且各齡期礦渣混凝土的耐蝕系數(shù)均高于基準(zhǔn)混凝土，表明礦渣的摻入確實(shí)可以改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。

2.2 不同侵蝕深度的SO42-含量

圖2為不同摻量礦渣混凝土在各養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)不同侵蝕深度的SO42-含量。

圖2 礦渣混凝土在各養(yǎng)護(hù)各齡期不同侵蝕深度的SO42-含量

由圖2可見：

（1）水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣作為礦渣水化的激發(fā)相會(huì)影響礦渣的水化反應(yīng)。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為30 d時(shí)，水泥、礦渣的水化反應(yīng)均不夠完全，且試樣表面存在氣孔，因此各試樣在侵蝕深度為5 mm時(shí)SO42-含量較接近。水泥在水化早期相比于礦渣具有更高的反應(yīng)活性，水化反應(yīng)速率更快，因此水化產(chǎn)物更多，試樣的微觀結(jié)構(gòu)更加致密，因此在侵蝕深度為10 mm、20 mm時(shí)，基準(zhǔn)混凝土試樣中SO42-含量最低，而礦渣混凝土試樣SO42-含量略高。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期超過90 d時(shí)，礦渣水化反應(yīng)會(huì)持續(xù)消耗水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣，生成的硅鋁凝膠相填充孔隙，此時(shí)礦渣混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，在侵蝕深度分別為5、10、20 mm時(shí)SO42-含量均低于基準(zhǔn)混凝土。

（2）在各侵蝕深度時(shí)，SO42-含量最低的試樣不同。這是因?yàn)?，? mm侵蝕深度時(shí)，該深度的水化產(chǎn)物距離較近，SO42-相對(duì)比較容易擴(kuò)散至此深度，并與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致礦渣水化反應(yīng)的堿性激發(fā)成分（氫氧化鈣）減少，進(jìn)而減緩礦渣的水化反應(yīng)，減少水化硅鋁酸鈣等產(chǎn)物的形成，使基體結(jié)構(gòu)不夠致密，因此礦渣摻量為20%的試樣具有最低的SO42-含量。同理，當(dāng)侵蝕深度為10 mm時(shí)，礦渣摻量為20%的試樣在180 d、360 d齡期仍然具有最低的SO42-含量。但相反的是，當(dāng)侵蝕深度到達(dá)20 mm時(shí)，由于大量SO42-被消耗在10 mm內(nèi)的侵蝕深度層，20 mm處的氫氧化鈣被SO42-侵蝕反應(yīng)得很少，大量的氫氧化鈣都被礦渣作為激發(fā)相激發(fā)礦渣的反應(yīng)活性，因此該侵蝕深度的SO42-含量極低，并且比其它侵蝕深度的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定。90 d齡期以后，礦渣摻量為60%的試樣具有最低的SO42-含量。

2.3 礦渣混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)分析

選取強(qiáng)度測(cè)試后的壓碎試塊進(jìn)行孔徑分析，結(jié)果見表5。

表5 硫酸鹽環(huán)境養(yǎng)護(hù)下礦渣混凝土的孔結(jié)構(gòu)分析

由表5可見，在硫酸鹽環(huán)境中養(yǎng)護(hù)30 d時(shí)，摻40%礦渣的混凝土總進(jìn)汞量、平均孔徑與孔隙率相比于基準(zhǔn)混凝土分別降低了10.5%、3.1%、7.4%，但其總孔隙面積比基準(zhǔn)試樣增加了13.8%，這意味著礦渣的摻入細(xì)化了基體中的孔隙結(jié)構(gòu)，降低了有害孔、少害孔的尺寸，增加了無害孔的數(shù)量，因此在孔隙率、平均孔徑降低較少的情況下顯著降低了中位孔徑。在硫酸鹽環(huán)境中養(yǎng)護(hù)180 d時(shí)，基準(zhǔn)混凝土與40%礦渣混凝土相比于養(yǎng)護(hù)30 d時(shí)，試樣的孔隙率、平均孔徑略有減小，但中位孔徑與總進(jìn)汞量均有不同程度的增大，這意味著隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，雖然長(zhǎng)時(shí)間的水化反應(yīng)使更多的水化產(chǎn)物填充微孔隙，但同時(shí)基體內(nèi)部由SO42-侵蝕形成的較大尺寸孔隙增加，宏觀表現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度的降低。

3 結(jié)論

（1）淡水養(yǎng)護(hù)條件下，當(dāng)?shù)V渣取代40%水泥時(shí)，礦渣混凝土的7、30、60、90、180 d抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土分別提高了9.7%、17.1%、13.3%、6.0%、5.3%。5%濃度Na2SO4養(yǎng)護(hù)條件下，當(dāng)?shù)V渣取代40%水泥時(shí)，礦渣混凝土的7、30、60、90、180 d抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土分別提高了11.7%、23.0%、22.5%、16.1%、22.2%。

（2）當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期超過90 d時(shí)，礦渣水化反應(yīng)會(huì)持續(xù)消耗水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣，生成的硅鋁凝膠相填充孔隙，此時(shí)礦渣混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，在侵蝕深度分別為5、10、20 mm時(shí)SO42-含量均顯著低于基準(zhǔn)混凝土。

（3）礦渣的引入可以改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，降低礦渣混凝土的孔隙率和大尺寸孔徑的含量，抑制SO42-在基體中的侵蝕擴(kuò)散，提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。