席君毅, 李勛, 姚賢華,3, 管俊峰, 上官林建, 柳利君, 徐昭文

(1.華北水利水電大學 土木與交通學院, 河南 鄭州 450045; 2.中國中建設(shè)計研究院有限公司, 北京 100037; 3.西安理工大學 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室, 陜西 西安 710048; 4.華北水利水電大學 科技處,河南 鄭州 450046; 5.鄭州三和水工機械有限公司, 河南 鄭州 450000)

隨著混凝土需求量的逐漸增大以及綠色環(huán)保節(jié)能減排理念的不斷深入,混凝土廢棄料的回收利用逐漸成為國內(nèi)外關(guān)注的焦點,眾多學者[1-2]進行了再生骨料混凝土相關(guān)方面的研究。在混凝土的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生許多廢棄物,這些廢棄物因具有較高的pH值和重金屬含量,被視為腐蝕性污染物質(zhì),隨意排放會對周圍的環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成不利影響[3]。因此,為解決廢棄物的排放問題,許多預拌混凝土工廠建立了廢水廢漿循環(huán)利用系統(tǒng),將混凝土洗滌水和沸石副產(chǎn)物重復利用,投入到混凝土的生產(chǎn)中[4]。陳軍亮等[5]和曲睿祚[6]在保證水膠比不變的情況下,將廢水中的固體顆粒等質(zhì)量替代粉煤灰。較多學者[7-9]直接將廢水等質(zhì)量替代混凝土拌合用水使用。用廢水替代適量的拌合用水,不僅可以降低混凝土攪拌站的生產(chǎn)成本,還能節(jié)約水資源,提高環(huán)保效益。

水中的總?cè)芙夤腆w是影響混凝土最終性能的主要因素之一[10]。當拌合用水中的固體含量不大于5%時,制備的混凝土與飲用水制備的混凝土相比,其流動性和抗壓強度變化均較小,其抗壓強度與對照組混凝土抗壓強度的比值為88%～110%[11]。研究[12]表明,預拌混凝土廠廢水中的固體含量一般為5%～15%。因此,進行關(guān)于高濃度廢水用作混凝土拌合用水的研究至關(guān)重要?；炷恋哪途眯允呛饬炕炷列阅艿闹匾獌?nèi)容。文獻[6,12-16]研究發(fā)現(xiàn),廢水的摻入提高了中低強度等級混凝土的抗氯離子滲透能力、抗碳化能力和抗凍性。當前對廢水混凝土抗凍性能變化的研究主要集中于中低強度等級的混凝土,對高強混凝土抗凍性能的研究較少。因此,對摻入廢水的高強混凝土進行凍融循環(huán)影響下的性能變化研究非常重要。

綜上所述,本文使用混凝土攪拌站廢水以不同的取代率替代飲用水,研究廢水對C60混凝土抗凍性能的影響。根據(jù)混凝土相對動彈性模量的變化規(guī)律,建立了廢水混凝土凍融損傷模型,并將該模型用于表征寒冷地區(qū)廢水拌制的混凝土凍融破壞程度,為寒冷地區(qū)混凝土攪拌站廢水用于制備混凝土提供參考。

1 材料及其性能

水泥:三門峽騰躍同力水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥,7 d抗壓強度為35.2 MPa,28 d抗壓強度為49.4 MPa。水泥的主要成分見表1。

表1 水泥的化學成分 %

粗骨料:粒徑為(5,10] mm的碎石,級配滿足《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL/T 352—2020)[17]的要求。

砂子:細度模數(shù)為2.6的河砂。

粉煤灰:河南龍泉金亨電力有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰,需水量為95%,摻量為20%,采用等質(zhì)量替代水泥 。

減水劑:減水率為26%的高效減水劑。其他指標滿足《混凝土外加劑應用技術(shù)規(guī)范》(GB 50119—2013)[18]的要求。

拌合用水:飲用水和廢水的混合水,廢水來自鄭州市河南六建預拌混凝土廠,具體混合方法見表2。經(jīng)測試,廢水中Cl-和SO42-的含量分別為78 mg/L和34 mg/L,滿足《混凝土用水標準》(JGJ 63—2006)[19]的要求。廢水的pH值為12,固體含量為12%,不含重金屬元素。

表2 C60混凝土配合比 kg/m3

2 試驗方法及配合比

根據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL/T 352—2020)[17]進行混凝土凍融循環(huán)試驗。凍融循環(huán)過程中,降溫終了溫度為-15 ℃±2 ℃,升溫終了溫度為8 ℃±2 ℃,每凍融循環(huán)25次時,測其質(zhì)量和抗壓強度,參考宿曉萍和王清[20]的試驗方法,以40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件,采用超聲波探測儀(超聲波探測可根據(jù)不同的波速預估混凝土內(nèi)部損傷程度[21])測其傳播時間,根據(jù)式(1)計算混凝土的相對動彈性模量:

(1)

式中:Er為混凝土試件的相對動彈性模量;En、Vn和tn分別為經(jīng)過n次凍融循環(huán)后混凝土試件的動彈性模量、超聲波波速和傳播時間;E0、V0和t0分別為初始時刻混凝土試件的動彈性模量、超聲波波速和傳播時間。

根據(jù)式(2)計算混凝土的抗壓強度損失率Ln:

(2)

式中:Sn為試件經(jīng)過n次凍融循環(huán)后的抗壓強度;S0為混凝土凍融前抗壓強度。

根據(jù)式(3)和式(4)分別計算混凝土的質(zhì)量損失率Wn和吸水率An:

(3)

(4)

式中:mn為混凝土試件經(jīng)過n次凍融循環(huán)后的質(zhì)量;m0為混凝土試件凍融前的質(zhì)量;mx為試件經(jīng)過n次凍融循環(huán)后干燥時的質(zhì)量。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試件外觀

凍融循環(huán)前后,試件的外觀形貌見表3:凍融循環(huán)50次后,基準組(C60-0)和C60-50混凝土試件的表面未發(fā)生明顯變化,C60-75和C60-100混凝土試件的表面出現(xiàn)了麻面情況,試件表面的漿體從試件邊角處開始逐漸脫落;凍融循環(huán)100次后,試件表面麻面情況較為嚴重,表面漿體脫落逐漸延伸至整個側(cè)面,其中C60-75混凝土出現(xiàn)了粗骨料脫落,結(jié)構(gòu)變疏松的情況。

表3 試件外觀形貌

3.2 抗壓強度損失率

圖1為不同廢水替代率下C60混凝土的抗壓強度損失率。在相同廢水替代率下,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土抗壓強度損失率逐漸增加。在相同凍融循環(huán)次數(shù)下,混凝土的抗壓強度損失率大小順序為:C60-0

圖1 不同廢水替代率C60混凝土的抗壓強度損失率

廢水摻入后,C60混凝土抗壓強度損失率增加,這可能是由于廢水的強堿性破壞了混凝土的界面過渡區(qū),導致混凝土中滲水通道增多。當混凝土受到凍融循環(huán)作用時,毛細孔內(nèi)靜水壓力增加,內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷程度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸積累。所以,廢水混凝土的抗壓強度損失率逐漸增加。

3.3 質(zhì)量損失率

圖2為不同廢水替代率下C60混凝土的質(zhì)量損失率。由圖2可知,在相同廢水替代率下,混凝土試樣的質(zhì)量損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。與C60-0混凝土相比,凍融循環(huán)75次后,C60-25、C60-50、C60-75、C60-100混凝土的質(zhì)量損失率分別增加了266.7%、166.7%、400.0%、333.3%;凍融循環(huán)100次后,C60-25、C60-50、C60-75、C60-100混凝土的質(zhì)量損失率分別增加了275.0%、225.0%、400.0%、375.0%。因此,廢水的摻入對混凝土的質(zhì)量損失率影響較大。

圖2 不同廢水替代率C60混凝土的質(zhì)量損失率

與C60-0混凝土相比,凍融循環(huán)25次后,混凝土的質(zhì)量損失率變化相對較小,這可能是在凍融循環(huán)前期,混凝土吸收的水分抵消了試件表面脫落部分的混凝土質(zhì)量導致的。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的進一步增加,混凝土的質(zhì)量損失率增長速率加快。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加,損傷程度加劇,混凝土的表面開裂,表皮脫落,砂漿包裹骨料不嚴密,導致混凝土的質(zhì)量損失率不斷增加[22]。

3.4 相對動彈性模量

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土經(jīng)歷反復凍脹,內(nèi)部孔隙逐漸增大,并逐漸連通,損傷程度逐漸加大,導致相對動彈性模量逐漸降低[23]。圖3為不同廢水替代率下C60混凝土的相對動彈性模量。

圖3 不同廢水替代率C60混凝土的相對動彈性模量

由圖3可知:相同凍融循環(huán)次數(shù)下,與C60-0混凝土相比,C60-50混凝土的相對動彈性模量變化較小,C60-75混凝土的相對動彈性模量降低幅度較大;與C60-0混凝土相比,凍融循環(huán)25、50、75、100次后,C60-75混凝土相對動彈性模量分別降低了5.81%、6.76%、3.03%、1.64%。表明,廢水的摻入對混凝土相對動彈性模量的影響較小。

3.5 吸水率

混凝土毛細孔內(nèi)的水分在凍融結(jié)冰時發(fā)生膨脹,當凍脹應力超過混凝土的抗拉強度時,將會發(fā)生混凝土破壞。因此,混凝土中的水分含量直接影響了試件發(fā)生凍融破壞的速度和程度[24]。圖4為不同廢水替代率下C60混凝土的吸水率。在相同廢水替代率下,混凝土試樣的吸水率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。與C60-0混凝土相比,在相同凍融循環(huán)次數(shù)下,隨著廢水替代率的增加,混凝土試樣的吸水率呈現(xiàn)先增加后降低、再增加、再降低的變化趨勢。C60-50混凝土的吸水率在凍融循環(huán)0、25、50、75、100次后,吸水率分別較C60-0混凝土的增加36.4%、23.1%、37.5%、13.0%、20.8%。C60-75混凝土的吸水在凍融循環(huán)0、25、50、75、100次后,吸水率較C60-0混凝土的分別增加145.5%、115.4%、81.3%、26.1%、37.5%。因此,廢水的摻入增大了混凝土在凍融循環(huán)環(huán)境下的吸水率,吸水率隨廢水替代率的增加而逐漸增大,但在相同凍融循環(huán)次數(shù)作用下,混凝土吸水率增加幅度呈減緩趨勢,這與抗壓強度損失率變化趨勢一致。

圖4 不同廢水替代率C60混凝土的吸水率

綜上所述,廢水的摻入降低了C60混凝土的抗凍性能,但當廢水替代率小于50%時,廢水的摻入對C60混凝土抗凍性影響較小。當廢水摻入(摻量為10%、20%、30%)C20、C30、C40和C50混凝土時,其質(zhì)量損失率和強度損失率降低,抗凍性呈提高的趨勢[6]。廢水摻入(摻量為20%、40%、60%、80%和100%)C30和C50混凝土后,質(zhì)量損失率降低,并且廢水摻量越大,質(zhì)量損失率越低,表明廢水的摻入可以有效增強混凝土的抗凍性[15]。與基準混凝土相比,廢水的摻入對C60混凝土抗凍性能降低作用更明顯,原因可能有兩個方面:一方面,由于廢水顆粒與混凝土基體黏結(jié)不緊密,破壞了C60混凝土原本的內(nèi)部結(jié)構(gòu);另一方面,廢水的摻入降低了C60混凝土的水膠比,造成水泥水化不充分,C60混凝土的密實度降低,加速了混凝土凍融破壞。

4 微觀分析

為了從微細觀角度分析廢水對混凝土抗凍性能的影響,試驗采用掃描電鏡對凍融前后的混凝土試件進行取樣檢測。圖5為C60-0、C60-50和C60-100混凝土凍融前和凍融循環(huán)100次后的掃描電鏡(SEM)圖。

凍融前,C60-50和C60-100混凝土孔隙較C60-0的增大,結(jié)構(gòu)密實度降低(圖5 (a)(b)(c))。凍融循環(huán)100次后,C60-0、C60-50和C60-100混凝土中游離水結(jié)冰,體積膨脹,混凝土內(nèi)毛細孔及裂紋不斷擴展,進一步導致孔隙增大,內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加松散,結(jié)構(gòu)呈蜂窩狀(圖5 (d)(e)(f))。

5 凍融損傷模型分析

凍融循環(huán)作用下,混凝土動彈性模量變化可衡量混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷狀況。為比較不同廢水替代率下C60混凝土的損傷程度,根據(jù)相對動彈性模量的變化規(guī)律,建立了C60混凝土凍融損傷二次函數(shù)衰減模型。分析了C60混凝土在凍融循環(huán)作用下的損傷演化規(guī)律,為凍融循環(huán)環(huán)境下混凝土的壽命預測提供參考。

混凝土的損傷度D[25]可以用式(5)表示:

(5)

混凝土試件經(jīng)過不同凍融循環(huán)次數(shù)后,D隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線和擬合關(guān)系式如圖6所示。二次函數(shù)衰減模型方程可以用式(6)表示:

圖6 混凝土損傷度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

D=aN2+bN+c。

(6)

式中:D為試件經(jīng)受凍融循環(huán)后的損傷度;N為試件經(jīng)受凍融循環(huán)的次數(shù);a、b、c為系數(shù)。

圖6為損傷度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。由圖6可知,不同廢水替代率下,混凝土的損傷度和凍融循環(huán)次數(shù)的二次函數(shù)模型擬合方程的擬合優(yōu)度R2大于0.93。因此,二次函數(shù)衰減模型具有較高的精度,可以較好地反映凍融循環(huán)作用下不同廢水摻入量的混凝土損傷度變化規(guī)律。

6 結(jié)語

通過分析凍融循環(huán)作用下混凝土的外觀變化、抗壓強度損失率、質(zhì)量損失率、相對動彈性模量變化、吸水率變化和微觀結(jié)構(gòu)變化,評估了不同廢水替代率下C60混凝土的抗凍性能。建立了混凝土凍融損傷度的二次函數(shù)衰減模型,為摻有廢水的混凝土凍融損傷程度的預測提供依據(jù)。

1)當廢水替代率低于50%時,C60混凝土的抗壓強度損失率、質(zhì)量損失率、相對動彈性模量和吸水率變化較小,廢水的摻入對C60混凝土的抗凍性影響較小。

2)凍融循環(huán)作用下,廢水的摻入加速了C60混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的破壞,使其密實度降低,對混凝土的抗凍性造成不利影響。

3)建立的C60混凝土損傷度與凍融循環(huán)次數(shù)的二次函數(shù)模型能較好地反映摻入廢水的混凝土在凍融循環(huán)作用下的損傷劣化規(guī)律。