堿激發(fā)礦渣/粉煤灰復(fù)合混凝土性能研究

郭志堅(jiān)， 李文凱

(1.中國河南國際合作集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450004；2.河南交院工程技術(shù)集團(tuán)有限公司 綠色高性能材料應(yīng)用技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心， 河南 鄭州 450046)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷興起，水泥的用量也逐年增長，2019年中國水泥產(chǎn)量高居世界首位，達(dá)到23.3億t[1-2]。水泥的生產(chǎn)過程會(huì)消耗大量資源，同時(shí)也會(huì)排放大量CO2及其他溫室氣體，造成環(huán)境污染。現(xiàn)階段緩解水泥生產(chǎn)過程中溫室氣體排放的方法主要是選用其他低碳環(huán)保的膠凝材料進(jìn)行替換水泥，這類材料往往具備火山灰活性或水硬活性，且能夠與堿性溶液作用形成具有膠凝特性的材料，而這類通過堿性溶液形成的膠凝材料稱為堿激發(fā)膠凝材料[3-6]。該文堿激發(fā)膠凝材料所有的灰體為礦渣和粉煤灰，堿激發(fā)劑選用NaOH+Na2SiO3，由Na2O、SiO3通過一定的摻配比例及工藝制成。通過對不同礦渣、粉煤灰摻量、水灰比、Na2O用量及砂率的堿激發(fā)混凝土進(jìn)行坍落度、吸水率及抗壓強(qiáng)度等早期性能研究，評價(jià)不同因素對堿激發(fā)混凝土性能的影響；選用自然浸泡法分析不同因素對堿激發(fā)混凝土抗氯離子滲透性能的影響，評價(jià)堿激發(fā)混凝土的耐久性，為堿激發(fā)膠凝材料在混凝土中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

該文使用的粉煤灰為河南某公司生產(chǎn)，礦渣為鞍山某公司生產(chǎn)，其主要礦物成分含量見表1。

表1 粉煤灰和礦渣礦物成分占比

1.2 配合比設(shè)計(jì)及混凝土早期性能

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)

細(xì)集料為中粗砂(河砂)，粗集料為石灰?guī)r碎石，(5～10 mm)∶(10～20 mm)集料為2∶3(質(zhì)量比)；堿激發(fā)劑由NaOH分析純與水玻璃(Na2O、SiO2質(zhì)量濃度分別為11.38%、26.47%)組成；減水劑為HWR-R

緩凝型高效減水劑，摻量為膠凝材料質(zhì)量的1.5%。不同礦渣摻量、Na2O含量、水灰比及砂率配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見表2。

1.2.2 坍落度試驗(yàn)

對不同礦渣摻量、Na2O含量、水灰比及砂率配合比的混凝土進(jìn)行坍落度試驗(yàn)，結(jié)果亦示于表2。

表2 堿激發(fā)粉煤灰/礦渣混凝土配合比設(shè)計(jì)及坍落度試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以得出：隨著礦渣摻量的增加，混凝土坍落度逐漸降低，這主要因?yàn)榈V渣摻量的增加，導(dǎo)致漿體中鈣含量增加，混凝土體系凝結(jié)硬化速度加快，流動(dòng)性降低，而緩凝型高效減水劑的摻入會(huì)抑制膠凝材料凝結(jié)硬化的速度，導(dǎo)致礦渣摻量為25%～75%時(shí)坍落度差別不大；隨著Na2O含量的增加，坍落度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，這主要因?yàn)镹a2O含量的增大會(huì)使膠凝材料中pH值升高，促進(jìn)混凝土中膠凝材料的凝結(jié)硬化，流動(dòng)能力減小，而Na2O含量過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致Na+在粉煤灰表層出現(xiàn)鈍化作用，降低膠凝材料的硬化速度，混凝土流動(dòng)能力增大；隨著水灰比的升高，混凝土坍落度逐漸增大，且增幅較為顯著，表明水灰比對坍落度影響較大；隨著砂率的增加，混凝土坍落度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當(dāng)砂率為41%時(shí)坍落度達(dá)到峰值180 mm，這主要因?yàn)樵谒冶纫欢ǖ那疤嵯拢奥蔬^小會(huì)造成礦料之間的內(nèi)摩阻力過大，影響混凝土的流動(dòng)能力，砂率過大會(huì)造成浸潤礦料需要更高的用水量才能保證混凝土具有足夠的流動(dòng)能力。

1.2.3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對不同礦渣摻量、Na2O含量、水灰比及砂率配合比的混凝土進(jìn)行7 d、28 d、90 d、180 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，試驗(yàn)結(jié)果見圖1～4。

圖1 不同礦渣摻量、不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度

由圖1～4可以得出：隨著混凝土試件齡期的增加，不同配合比混凝土抗壓強(qiáng)度均逐漸升高；隨著礦渣摻量的增加，相同齡期混凝土強(qiáng)度均逐漸增大，且礦渣的摻入能夠提高混凝土的早期強(qiáng)度，而后期強(qiáng)度增幅降低，這主要因?yàn)榈V渣活性高，粉煤灰活性低，礦渣摻量增加時(shí)會(huì)加速膠凝材料凝結(jié)硬化速度，而粉煤灰對混凝土后期強(qiáng)度的提升效果顯著；隨著Na2O含量的增加，同一齡期混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大，Na2O含量從3%增加到4%時(shí)，混凝土強(qiáng)度增幅較大，大于4%時(shí)增幅顯著降低；隨著水灰比的增加，同一齡期混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低，這與現(xiàn)有工程實(shí)例試驗(yàn)結(jié)果吻合，主要因?yàn)橛盟康脑黾訉?dǎo)致混凝土凝結(jié)硬化后空隙率增加，混凝土試件有效受力面積減小，抗壓強(qiáng)度降低；隨著砂率的增加，同一齡期混凝土抗壓強(qiáng)度整體上呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，砂率為41%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度最大，這主要因?yàn)樯奥蔬^小時(shí)，礦料間的孔隙不能夠被完全填充，影響混凝土試件的密實(shí)性，降低混凝土抗壓強(qiáng)度，砂率過大時(shí)，細(xì)集料會(huì)吸附較多膠凝材料造成粗骨料不能被膠凝材料包裹，降低粗骨料間的黏結(jié)能力，影響混凝土強(qiáng)度。

圖2 不同Na2O含量、不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度

圖3 不同水灰比、不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度

圖4 不同砂率、不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度

1.2.4 吸水率試驗(yàn)

對不同礦渣摻量、Na2O含量、水灰比及砂率配合比的混凝土分別進(jìn)行0.5 h、1 h、3 h、6 h、12 h、24 h吸水率試驗(yàn)，混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，水溫為(20±2) ℃，試驗(yàn)結(jié)果見圖5～8。

圖5 不同礦渣摻量、不同時(shí)間混凝土吸水率

圖6 不同Na2O含量、不同時(shí)間混凝土吸水率

圖7 不同水灰比、不同時(shí)間混凝土吸水率

圖8 不同砂率、不同時(shí)間混凝土吸水率

由圖5～8可以得出：隨著混凝土試件浸水時(shí)間的增加，不同配合比混凝土吸水率均逐漸升高；隨著礦渣摻量的增加，相同浸水時(shí)間試件的吸水率逐漸降低，且礦渣摻量為100%時(shí)，吸水率顯著低于其他摻配比例，這主要因?yàn)榈V渣摻量的增加，混凝土內(nèi)部會(huì)生產(chǎn)更多的C—S—H膠凝材料，改善混凝土的密實(shí)性，降低吸水率；隨著Na2O含量的增加，相同浸水時(shí)間試件的吸水率逐漸降低，這主要因?yàn)镹a2O含量的增加，導(dǎo)致混凝土中OH-增加，膠凝材料凝結(jié)硬化速率加快，混凝土構(gòu)件更加密實(shí)，吸水率降低；隨著水灰比的增加，相同浸水時(shí)間試件的吸水率逐漸增大，這主要因?yàn)樗冶鹊脑黾訒?huì)導(dǎo)致硬化后混凝土試件內(nèi)部孔隙增大，吸水率升高；隨著砂率的增加，相同浸水時(shí)間試件的吸水率逐漸升高，這主要因?yàn)樯奥实脑黾訒?huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部礦料整體比表面積增加，吸水率升高。

2 抗氯離子滲透試驗(yàn)

混凝土構(gòu)件在使用過程中往往受到氯鹽的侵蝕，尤其是水下混凝土構(gòu)件，因此，工程上常用抗氯離子滲透性作為混凝土耐久性指標(biāo)[7-12]。該文選用自然浸泡的方法(濃度為3.5%NaCl溶液)來研究不同礦渣摻量、Na2O含量、水灰比及砂率配合比混凝土90 d、180 d氯離子滲透能力，試驗(yàn)方法參照J(rèn)TS/T236—2019《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)檢測技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求進(jìn)行，混凝土試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。不同配合比混凝土試件90 d、180 d不同深度氯離子滲透濃度試驗(yàn)結(jié)果見圖9～12。

由圖9～12可以得出：

(1) 相同自然浸泡周期時(shí)，隨著礦渣摻量的增加，相同深度Cl-濃度逐漸降低；相同礦渣摻量、相同深度，自然浸泡180 d Cl-濃度大于90 d；礦渣摻量為0、25%、50%、75%、100%時(shí)，Cl-濃度分別在深度為18 mm、16 mm、14 mm、12 mm、10 mm左右趨于穩(wěn)定，表明礦渣的摻入能夠增強(qiáng)混凝土抗Cl-滲透能力，改善混凝土的耐久性能。

(2) 相同自然浸泡周期時(shí)，隨著Na2O含量的增加，相同深度Cl-濃度逐漸降低；相同Na2O含量、相同深度，自然浸泡180 d Cl-濃度大于90 d；Na2O含量為3%、4%、5%時(shí)，Cl-濃度均在深度為14 mm左右趨于穩(wěn)定，表明Na2O能夠增強(qiáng)混凝土抗Cl-滲透能力，改善混凝土的耐久性能。

圖9 不同礦渣摻量、不同深度氯離子濃度

圖10 不同Na2O、摻量不同深度氯離子濃度

圖11 不同水灰比、不同深度氯離子濃度

圖12 不同砂率、不同深度氯離子濃度

(3) 相同自然浸泡周期時(shí)，隨著水灰比增加，相同深度Cl-濃度逐漸升高；相同水灰比、相同深度，自然浸泡180 d Cl-濃度大于90 d；水灰比為4%、4.5%、5%時(shí)，Cl-濃度均在深度為16 mm左右趨于穩(wěn)定，表明混凝土水灰比越小，抗Cl-滲透能力越強(qiáng)。主要由于水灰比越小，混凝土試件凝結(jié)硬化后孔隙越少，內(nèi)部更加密實(shí)引起。

(4) 相同自然浸泡周期時(shí)，隨著砂率增加，相同深度Cl-濃度相差不大；相同水灰比、相同深度，自然浸泡180 d Cl-濃度大于90 d；砂率為37%、39%、41%、43%、45%時(shí)，Cl-濃度均在深度為16 mm左右趨于穩(wěn)定，表明砂率對混凝土抗氯離子滲透能力影響不大。

3 結(jié)論

通過對不同礦渣摻量、Na2O含量、水灰比及砂率配合比的堿激發(fā)混凝土進(jìn)行坍落度、吸水率、抗壓強(qiáng)度及抗氯離子滲透能力試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1) 隨著礦渣摻量的增加，混凝土坍落度逐漸降低，且礦渣摻量為25%～75%時(shí)坍落度差別不大，抗壓強(qiáng)度均逐漸增大，且礦渣的摻入能夠提高混凝土的早期強(qiáng)度，吸水率逐漸降低，抗氯離子滲透能力逐漸增強(qiáng)。

(2) 隨著Na2O含量的增加，坍落度呈先降低后升高的趨勢，抗壓強(qiáng)度逐漸增大，Na2O含量從3%增加到4%時(shí)，混凝土強(qiáng)度增幅較大，大于4%時(shí)增幅顯著降低，吸水率逐漸降低，抗氯離子滲透能力逐漸增強(qiáng)。

(3) 隨著水灰比的升高，混凝土坍落度逐漸增大，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，吸水率逐漸增大，抗氯離子滲透能力逐漸降低。

(4) 隨著砂率的增加，混凝土坍落度呈先升高后降低的趨勢，當(dāng)砂率為41%時(shí)達(dá)到峰值180 mm，抗壓強(qiáng)度整體上呈先升高后降低的趨勢，砂率為41%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，吸水率逐漸升高，抗氯離子滲透能力相差不大。

(5) 該文可為堿激發(fā)膠凝材料在混凝土中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，但堿激發(fā)礦渣/粉煤灰復(fù)合混凝土耐久性僅研究了90 d、180 d的抗氯離子滲透能力，更長周期的研究仍需進(jìn)一步開展。