石粉-鋼渣混凝土耐久性能的試驗(yàn)研究

嚴(yán)孝彩，鄒長勇，田爾布，任衛(wèi)崗，曾武華

(1.福建金鼎建筑發(fā)展有限公司, 福建三明350101； 2.三明學(xué)院，福建三明365004)

0 引言

中國經(jīng)濟(jì)在快速發(fā)展過程中進(jìn)行了大規(guī)模的基礎(chǔ)建設(shè)，消耗了大量的天然河砂，導(dǎo)致這一資源日益減少。為了避免進(jìn)一步破壞河床結(jié)構(gòu)，影響生態(tài)環(huán)境，工程建設(shè)中不斷利用機(jī)制砂來取代天然河砂。然而，機(jī)制砂在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生粒徑小于75 μm的石粉，未經(jīng)處理其含量可高達(dá)20%[1]，這些石粉缺乏肥性，容易污染當(dāng)?shù)赝寥篮涂諝猓o自然環(huán)境造成負(fù)擔(dān)。大量研究認(rèn)為石粉會(huì)降低混凝土的和易性能，加大混凝土的干縮率，嚴(yán)重時(shí)易使混凝土產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞[2-8]。

鋼渣是一種工業(yè)副產(chǎn)品，會(huì)污染環(huán)境，因其具備與水泥相似的化學(xué)成分常被用于混凝土方面的研究。但是，其中的f-CaO和f-MgO容易引起混凝土膨脹破壞[9-11]，嚴(yán)重阻礙了其在混凝土中的應(yīng)用。鋼渣摻入混凝土?xí)l(fā)生體積膨脹現(xiàn)象，而石粉摻入混凝土?xí)鸶煽s，利用膨脹補(bǔ)償收縮原理，在混凝土中同時(shí)摻入鋼渣和石粉相關(guān)的研究甚少。因此，本文研究了石粉、鋼渣對(duì)混凝土耐久性能的影響，以期了解石粉、鋼渣相互作用下在混凝土中的適應(yīng)情況，為今后的研究提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

鋼渣產(chǎn)自福建三鋼集團(tuán)鋼鐵廠，表面積為430～480 m2/kg，化學(xué)成分(氧化物形式)見表1，其中CaO包含游離氧化鈣(f-CaO)；試驗(yàn)所用的水泥為紅獅牌P·O 42.5R，由福建省大田縣紅獅水泥廠生產(chǎn)，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求；石粉為三明磐石混凝土有限公司提供的石灰石石屑研磨而成的細(xì)粉，用45 μm方孔篩進(jìn)行篩分，篩余值為12.5%，石灰石中碳酸鈣含量為86.4%；河砂顆粒均小于4.75 mm，細(xì)度模數(shù)為2.87，表觀密度為5.62 g/cm3，級(jí)配曲線如圖1所示；碎石5～30 mm連續(xù)級(jí)配，堆積密度為1.67 g/cm3，孔隙率為34%，壓碎值及含泥量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求；減水劑均為聚羧酸減水劑，由福建省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)，其基本技術(shù)指標(biāo)如表2所示；水為可以飲用的自來水。

表1 鋼渣化學(xué)成分(氧化物形式) %

圖1 砂的級(jí)配曲線

檢驗(yàn)項(xiàng)目技術(shù)要求檢驗(yàn)方法減水率≥20%按GB 8076—2008檢驗(yàn)含氣量<3.0%按GB 8076—2008檢驗(yàn)常壓泌水率比<20%按GB 8076—2008檢驗(yàn)壓力泌水率比<90%按GB 8076—2008檢驗(yàn)硫酸鈉含量(按折固含量計(jì))<10.0%按GB/T 8077—2012檢驗(yàn)Cl-含量(按折固含量計(jì))<0.6%按GB/T 8077—2012檢驗(yàn)堿含量(按折固含量計(jì))<10%按GB/T 8077—2012檢驗(yàn)收縮率比<125%按GB 8076—2018檢驗(yàn)

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)主要研究混凝土抗?jié)B性能、抗碳化性能，試驗(yàn)過程參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)進(jìn)行。其中抗?jié)B性能試驗(yàn)包括透水性試驗(yàn)、電通量試驗(yàn)。

1)透水性試驗(yàn)

混凝土透水性試驗(yàn)是混凝土抗?jié)B性能測(cè)試最為直接的一種方式，試件通常為圓臺(tái)形，抗?jié)B尺寸為上口直徑175 mm，下口直徑185 mm，高150 mm。成型24 h后拆模，先在試件兩端刷水泥漿膜，然后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，試驗(yàn)前一天取出試塊將表面晾干，用玻璃膠均勻涂滿試件側(cè)面，用壓力機(jī)將試塊壓入鐵模中，試驗(yàn)水壓從0.1 Mpa開始，以后每隔8 h增加水壓0.1 Mpa，并隨時(shí)注意觀察試件端面的滲水情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有一半試件(一般為3個(gè))出現(xiàn)正常滲水時(shí)(非側(cè)面滲水)，記錄水壓，試驗(yàn)結(jié)束。

2)電通量試驗(yàn)

試驗(yàn)參照ASTM C1202-97進(jìn)行電通量試驗(yàn)。成型試件制成Φ100 mm×50 mm的圓柱體，對(duì)試件進(jìn)行真空飽水，然后放入有機(jī)玻璃擴(kuò)散盒里，使其中一端接觸3%NaCl溶液陽極電解質(zhì)，另外一端接觸0.3 mol/L NaOH溶液陰極電解質(zhì)，并將盛這2種溶液電解質(zhì)室中的陰極和陽極分別連接直流電源的負(fù)極、正極，試驗(yàn)時(shí)在試件軸向施加60 V直流電壓,記錄持續(xù)通電6 h內(nèi)通過試件的總電量Q值即為試件的電通量。

3)碳化試驗(yàn)

混凝土成型采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)26 d后取出，放入恒溫60 ℃的烘箱，持續(xù)2 d時(shí)間，待干燥后將試塊取出。每個(gè)試塊留出一面不予密封處理，其余5面用石蠟密封，待處理完畢后置于碳化箱內(nèi)持續(xù)進(jìn)行碳化28 d試驗(yàn)。等碳化到期后，將試件取出，用壓力機(jī)將試件從中間劈裂開，然后用配置好的1% 酚酞酒精溶液噴灑在開裂面進(jìn)行顯色反應(yīng)(會(huì)顯色為紅色)，用尺子等間距量取10個(gè)未顯色部分作為碳化深度，取平均值作為該試塊的碳化深度，然后再取3個(gè)試塊的平均值作為該組試件的最終碳化深度。碳化試驗(yàn)采用滄州泰達(dá)公路建筑儀器廠生產(chǎn)的混凝土碳化試驗(yàn)箱。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 透水性能

透水法常常用抗?jié)B等級(jí)值來衡量抗?jié)B性大小，分為P4、P6、P8、P10、P12、大于P12等6個(gè)等級(jí)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從表3滲透水壓力測(cè)定值可以看出，混凝土透水等級(jí)受石粉、鋼渣影響很大，相較于沒有摻加石粉和鋼渣的混凝土，石粉摻量較多兩組(石粉與鋼渣摻量比為10.0∶7.5、12.5∶12.5)的透水壓力均降低了，主要原因應(yīng)該是石粉摻量增加，造成收縮過大，易留下孔隙，即留下透水通道的機(jī)率也增大。而其他3組的滲透水壓力值均有所增大，其中石粉與鋼渣摻量比為5.0∶10.0的這組滲透水壓力值最高為1.5 MPa。從鋼渣、石粉摻量與滲透水壓力值的關(guān)系，大致可以說明石粉與滲透壓力負(fù)相關(guān)，而鋼渣與滲透壓力正相關(guān)。滲透壓力的大小反映了孔隙是否連通及在水壓力作用下孔隙滲水阻抗能力的大小，從試驗(yàn)結(jié)果上看，這些混凝土內(nèi)部是存在孔隙的，且存在一定連通孔隙。

表3 鋼渣-石粉混凝土透水試驗(yàn)結(jié)果

2.2 抗氯離子滲透性能

對(duì)混凝土進(jìn)行抗氯離子滲透試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，石粉與鋼渣摻量比為12.5∶12.5的混凝土平均電荷值最大，不摻石粉、鋼渣的混凝土次之，其余的均比上述2組小很多，其中石粉與鋼渣摻量比為5.0∶10.0的平均電荷值最低，相應(yīng)的混凝土氯離子滲透等級(jí)為最低，其余5組均為中等。通過6組試驗(yàn)結(jié)果大致可以得到，混凝土的平均電荷量隨著石粉摻量增加而增加，隨著鋼渣摻量增加而減少。其主要原因可能是石粉摻量增加，混凝土收縮增大，混凝土孔隙幾率增大，而鋼渣參與二次水化反應(yīng)產(chǎn)生C-S-H凝膠，可以堵塞孔隙通道，改變混凝土孔隙特征(如孔徑的大小、孔徑大小分布規(guī)律、孔徑形狀等)。因此，石粉與鋼渣作為摻合料，需要有合適的比例，才能提高混凝土的抗氯離子滲透性能。

表4 電通量試驗(yàn)結(jié)果

2.3 抗碳化性能

碳化試驗(yàn)結(jié)果見表5。從表5可以看出，石粉與鋼渣摻量比為5.0∶10.0的混凝土碳化深度值最小，僅為2 mm，而不摻石粉、鋼渣的混凝土碳化深度值最大，為14.3 mm；其他4組的碳化深度值也都大于8.0 mm。

表5 抗碳化性能試驗(yàn)結(jié)果

混凝土加入石粉，增加了混凝土的孔隙，給碳化帶來通道，同時(shí)摻入鋼渣引起二次水化反應(yīng)，減少氫氧化鈣含量，也減少碳化反應(yīng)所需的氫氧化鈣，這可能是引起碳化深度變化的主要原因。根據(jù)抗?jié)B等結(jié)果可知，不摻石粉、鋼渣的混凝土孔隙率較高，且水化反應(yīng)后有較多氫氧化鈣，因此碳化深度最大；隨著石粉摻量增大，碳化深度逐漸增大，隨著鋼渣摻量增大，碳化深度減小，二者相互耦合作用下，碳化深度變化呈現(xiàn)不規(guī)則變化。

3 結(jié)論

1)石粉與混凝土滲透水壓力值負(fù)相關(guān)，而鋼渣與混凝土滲透水壓力值正相關(guān)。

2)石粉與鋼渣作為摻合料，需要有合適的比例，才有利于提高混凝土的抗氯離子滲透性能，降低混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

3)隨著石粉摻量增加，碳化深度值加大，鋼渣有利于減少碳化深度，二次水化的原理說明，鋼渣二次水化消耗了部分氫氧化鈣，有利于降低碳化深度。