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）是煉鐵過程中形成的工業(yè)廢渣，其過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)合成高爐粒化礦渣，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]。高爐粒化礦渣已成為水泥混凝土技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，研究高爐粒化礦渣對(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-高爐粒化礦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)成分見表1，蒸餾水的性能參數(shù)見表2，試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)見表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-高爐粒化礦渣體系液相中Na+、K+濃度和pH值隨水化時(shí)間的變化見圖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-高爐粒化礦渣體系會(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)過程中水分不斷被消耗和水化過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+濃度呈類似變化規(guī)律。隨著高爐?；V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粒化礦渣中離子的溶出速率決定[12]，高爐粒化礦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)間的變化見圖3。

由圖3可見，水泥-高爐粒化礦渣體系與水接觸，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?高爐粒化礦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?；V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?；V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%。