葉 青,王燕芳,敖清文,石帥鋒
(貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測咨詢有限公司,貴州 貴陽 550014)
超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)具有優(yōu)異的性能(抗壓強(qiáng)度超過120 MPa)和耐久性能,有望廣泛應(yīng)用于大跨境人行天橋、跨海大橋和隧道工程[1]。其優(yōu)異性能主要來源于其超低的水膠比(<0.30),高膠凝材料用量(1 100~1 300 kg/m3)和高效減水劑的使用[2-4]。然而,高膠凝材料的使用導(dǎo)致產(chǎn)生更多的CO2排放量,從而加劇溫室效應(yīng)[5];另一方面,高膠凝材料用量可能會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生更大的收縮[6-7]。
為解決上述問題,近年來國內(nèi)外學(xué)者試圖引入礦物摻合料替代部分水泥,從而減少水泥用量,同時(shí)降低混凝土長期收縮[8]。引入粉煤灰和礦渣粉等礦物摻合料,利用其火山灰和微集料填充效應(yīng)可改善混凝土微觀結(jié)構(gòu),從而提升其性能。然而隨著礦物摻合料的大量使用,價(jià)格隨之出現(xiàn)大幅增長,且上述礦物摻合料的儲(chǔ)量逐漸匱乏,從而限制了傳統(tǒng)礦物摻合料在UHPC中的廣泛應(yīng)用。據(jù)報(bào)道,我國每年鐵尾礦產(chǎn)生量超過6億t,且累計(jì)堆放量超過100億t,而利用率僅為7%,不但占用土地資源且嚴(yán)重污染環(huán)境[9-11]。鐵尾礦主要化學(xué)成分為 Fe2O3,SiO2和Al2O3,具有作為水泥替代物的潛力,而且鐵尾礦磨細(xì)成鐵尾礦粉(Iron tailing powder,ITP)可進(jìn)一步提升其活性。另外,鐵尾礦尺寸小于水泥顆粒,引入鐵尾礦可和其他微粒形成良好的級配,改善混凝土微觀結(jié)構(gòu),成為開發(fā)UHPC的候選材料之一。例如,DO CARMO E SILVA DEFVERI[12]等通過引入適量ITP,開發(fā)了一種優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度(≥100 MPa)和抗彎強(qiáng)度(≥20 MPa)的混凝土。HAN等[13]發(fā)現(xiàn)ITP的引入可促進(jìn)水泥顆粒水化,從而提升混凝土強(qiáng)度。同時(shí),CAI等[14]研究了ITP細(xì)度對混凝土性能影響,發(fā)現(xiàn)更細(xì)的ITP對強(qiáng)度增長更有效。因此,采用ITP取代部分水泥,是制備高性能和綠色混凝土的理想材料。而當(dāng)前關(guān)于養(yǎng)護(hù)方法對含ITP的UHPC性能影響十分有限,而ITP摻量和養(yǎng)護(hù)方法又是保證UHPC強(qiáng)度的關(guān)鍵。
基于此本文用ITP取代部分水泥(0%~30%),制備出含鐵尾礦粉的UHPC。研究了養(yǎng)護(hù)方法(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),45 ℃溫水養(yǎng)護(hù)與90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù))對UHPC力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度)、收縮性能和微觀結(jié)構(gòu)(水化產(chǎn)物組成和微觀形貌)的影響。本研究對于鐵尾礦的廣泛利用,以及混凝土高性能化和綠色化設(shè)計(jì)和制備具有重要意義。
試驗(yàn)用普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)購自陜西秦嶺水泥廠[見圖1(a)],其基本物理性能見表1,符合規(guī)范GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》的要求。硅灰作為UHPC制備的必須材料,主要利用其微填充作用提升混凝土性能,本研究用硅灰[見圖1(b)]含水率為0.58%,密度為2.21 g/cm3,燒失量為2.86%。ITP為河南某鐵尾礦經(jīng)研磨45 min后獲得[見圖1(c)],比表面積為580 m2/kg,小于10 μm的顆粒占58.32%。(硅灰和磨細(xì)鐵尾礦粉的性能指標(biāo)要表格化)表2為試驗(yàn)用水泥、硅灰和ITP化學(xué)成分。
(a)水泥
表1 水泥主要性能Table 1 The main properties of cement抗折強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa3 d28 d3 d28 d比表面積/(m2·kg-1)密度/(g·cm-3)4.28.323.746.73503.020
表2 試驗(yàn)用原材料組成分析 Table 2 Composition analysis of raw materials%組分CaOSi02Al2O3Fe2O3SO3水泥57.5820.356.124.232.19硅灰0.4194.020.270.110.11鐵尾礦粉12.1251.8511.249.340.41注: 組成為質(zhì)量百分比。
圖2(a)為ITP在光學(xué)顯微鏡下形貌,可見鐵尾礦粉為不規(guī)則的多棱角結(jié)構(gòu),有助于水化產(chǎn)物在其表面形成和堆積。圖2(b)為ITP的XRD圖譜,顯示含有豐富的硅相。圖2(c)試驗(yàn)用原材料激光粒度分析結(jié)果,表明ITP具有最小的細(xì)度(D50),且和水泥、硅灰顆粒有明顯的粒徑差異,這有助于混凝土具有密實(shí)結(jié)構(gòu),從而有利于混凝土力學(xué)強(qiáng)度提高。
(a)形貌
試驗(yàn)用細(xì)集料為石英砂,最大粒徑0.80 mm,表觀密度為2.542 g/cm3。本研究用高效減水劑為蘇博特生產(chǎn)的聚羧酸減水劑,主要用來調(diào)節(jié)拌合物流行性,其減水率高達(dá)35%,固含量為30%。
為研究ITP摻量和硅灰的組合方式和養(yǎng)護(hù)方法對UHPC力學(xué)性能、耐久性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響,制備了6種混凝土。由于本文重點(diǎn)研究鐵尾礦粉和養(yǎng)護(hù)方法對UHPC力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)影響,因此,參考MO等[2]的試驗(yàn)方法,采用UHPC砂漿模擬混凝土,并省略了纖維。ITP以等質(zhì)量方式取代水泥,其中,C100ITP0代表水泥比例為100%,ITP取代量為0%?;鶞?zhǔn)試件(C100ITP0)配合比如下:水泥672 kg/m3,硅灰168 kg/m3,鐵尾礦粉kg/m3,細(xì)砂1 330 kg/m3,水210 kg/m3,減水劑21 kg/m3。表3為UHPC砂漿配合比。
本研究采用了3種養(yǎng)護(hù)方式以研究養(yǎng)護(hù)方法對含ITP和SF的UHPC性能的影響,包括:標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)[(20±2)℃,RH≥95%]、溫水養(yǎng)護(hù)(45 ℃)和蒸汽養(yǎng)護(hù)(90 ℃)。
標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)具體操作過程參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17671-1999要求。對于溫水養(yǎng)護(hù),首先拌合物澆鑄24 h后脫模,然后室溫環(huán)境下放在水中預(yù)處理1 d,最后將樣品移至45 ℃的恒溫水中直至測試齡期;對于蒸汽養(yǎng)護(hù),首先拌合物澆鑄24 h后脫模,然后用塑料袋密封;最后對試樣進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)溫度為90 ℃,養(yǎng)護(hù)時(shí)間為24 h。其中包括6 h的預(yù)養(yǎng)護(hù)處理(20 ℃和95% RH),然后以10 ℃/h的加熱速度加熱4 h直至溫度達(dá)到設(shè)定溫度,并恒溫保持12 h,隨后是2 h的冷卻時(shí)間。最后將混凝土試樣脫模并放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中[(20±2)℃,RH≥95%]養(yǎng)護(hù)至待測齡期。
表 3 UHPC砂漿配合比設(shè)計(jì)Table 3 Mix design of UHPC mortar試樣編號w/bITP取代量質(zhì)量百分比/%水泥鐵尾礦粉C100ITP01000C95ITP5955C90ITP109010C85ITP150.258515C80ITP208020C75ITP257525C70ITP307030
1.4.1力學(xué)性能
參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17671-1999測試UHPC力學(xué)性能,力學(xué)性能測試抗折強(qiáng)度(40 mm×40 mm×160 mm)和抗壓強(qiáng)度(40 mm×40 mm×40 mm)兩個(gè)指標(biāo)值。
1.4.2耐久性能
參考《普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082-2009),采用接觸法測試UHPC收縮值。試樣(100 mm×100 mm×515 mm)養(yǎng)護(hù) 3 d后取出并置于恒溫、恒濕室測初始長度,此后分別按1、3、7、14、28、60、90和120 d齡期測試收縮值。
1.4.3水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)分析
采用X射線衍射(XRD,D8,ADVANCE)對UHPC粉末試樣(<80 μm)成分分析,測試條件為(CuKα,k=1.54?),40 kV和35 mA,衍射儀通過在10°~70°間以步長0.02°獲得衍射圖。
掃描電子顯微鏡(SEM,Zeiss,Merlin Compact)分析含ITP的混凝土在不同養(yǎng)護(hù)條件下的形態(tài)和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu),選擇小塊樣品(約2 mm)并浸入乙醇中以終止水化。在測試之前,對試樣進(jìn)行噴金處理,測試電壓為15 kV。
2.1.1ITP替代率對UHPC抗壓強(qiáng)度的影響
UHPC抗壓強(qiáng)度隨ITP替代率增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,并在ITP替代率為15%時(shí)達(dá)到最大值(見圖3)。例如含15%的UHPC試件28 d抗壓強(qiáng)度分別高達(dá)140(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù))、150(45 ℃溫水養(yǎng)護(hù))和130 MPa(90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù))。這主要?dú)w因于ITP的引入促進(jìn)了水泥顆粒水化作用,生成大量有助于強(qiáng)度提高的C-S-H凝膠[13]。另一方面,微小粒徑的ITP顆粒[見圖2(c)]可有效填充水泥基體孔隙,細(xì)化孔徑,有利于混凝土強(qiáng)度提高[14]。
當(dāng)ITP替代率為30%時(shí),UHPC試件抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)試件分別降低了約2.0%(7 d)和3.0%(28 d)。這主要?dú)w因于ITP超大的比表面積(如第2.1節(jié)所述),迅速吸收大量自由水,阻礙后期水泥顆粒水化。此外,ITP反應(yīng)活性較低,當(dāng)替代率為30%時(shí),顯然降低水化產(chǎn)物數(shù)量。因此只有ITP的適量引入才能提升UHPC強(qiáng)度,最佳替代率為15%。
2.1.2標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下UHPC抗壓強(qiáng)度
標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下,UHPC試樣28 d抗壓強(qiáng)度均超過120 MPa[見圖3(a)]。結(jié)果表明,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下,30%以內(nèi)的ITP替代率均可獲得優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度。
另一方面,與UHPC試樣7 d抗壓強(qiáng)度相比,試樣28 d抗壓強(qiáng)度大幅增加,例如基準(zhǔn)試樣抗壓強(qiáng)度增加了約25%,含15%ITP的UHPC試樣28 d抗壓強(qiáng)度增加了約50%,而含30%ITP的UHPC試樣28 d抗壓強(qiáng)度增加了約40%。這是因?yàn)殡S著養(yǎng)護(hù)齡期延長,水泥顆粒更充分水化,生成更多數(shù)量的水化產(chǎn)物。這進(jìn)一步驗(yàn)證了ITP的最佳替代率為15%。
2.1.345 ℃溫水養(yǎng)護(hù)下UHPC抗壓強(qiáng)度
與基準(zhǔn)混凝土試樣相比,45 ℃溫水養(yǎng)護(hù)可大幅提高UHPC試樣7 d和28 d抗壓強(qiáng)度[見圖3(b)]。例如,含15%ITP的UHPC試樣抗壓強(qiáng)度分別增加了約30%(7 d)和25%%(28 d)。且45 ℃溫水養(yǎng)護(hù)條件下試樣抗壓強(qiáng)度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。
UHPC試樣在45 ℃溫水條件下養(yǎng)護(hù),由于試樣浸沒在水中,有充足的水分供水泥顆粒水化,因此,試樣易獲得優(yōu)異的強(qiáng)度;同時(shí),45 ℃高溫也會(huì)促進(jìn)水泥顆粒水化,促使其生成更為致密的微觀結(jié)構(gòu)。因此,45 ℃溫水養(yǎng)護(hù)對試樣7 d和28 d強(qiáng)度均有實(shí)際意義。
2.1.490 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下UHPC抗壓強(qiáng)度
90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)可大幅提高UHPC試樣7 d抗壓強(qiáng)度,而對試樣28 d強(qiáng)度提升效果非常有限[見圖3(c)]。例如含15%ITP的UHPC試樣7 d強(qiáng)度可高達(dá)127.8 MPa,而28 d抗壓強(qiáng)度僅為129.6 MPa。這是因?yàn)镮TP顆粒的活性在90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下被激活,增加了ITP和水泥顆粒水化反應(yīng)速率,迅速生成大量水化產(chǎn)物,提供優(yōu)異的早期強(qiáng)度[14]。同時(shí),快速形成的大量水化產(chǎn)物部分會(huì)覆蓋在未水化水泥顆粒和ITP顆粒表面,阻礙了水泥顆粒后期水化反應(yīng)。
(a)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)
此外與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d的C85ITP15試樣相比,其抗壓強(qiáng)度大幅提高了約30%(45 ℃溫水養(yǎng)護(hù))和35%(90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)),而28 d抗壓強(qiáng)度小幅增加了7.5%(45 ℃溫水養(yǎng)護(hù))和8.7%(90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù))。這歸因于90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下,試樣在28 d生成致密性和粗糙性較低的結(jié)構(gòu)(將在3.5節(jié)中討論),這與BENAMMAR等[14]的結(jié)論一致。結(jié)果表明,45 ℃溫水養(yǎng)護(hù)和90 ℃蒸汽方式在改善UHPC早期強(qiáng)度方面比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)更有效,45 ℃溫水養(yǎng)護(hù)在改善其后期強(qiáng)度方面比其他兩種養(yǎng)護(hù)方式更有效。
ITP替代率和養(yǎng)護(hù)方式均顯著影響UHPC試件抗折強(qiáng)度(見圖4)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下,替代率15%ITP的試驗(yàn)抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值,7 d和28 d抗折強(qiáng)度分別約為15.0 MPa和20.0 MPa。這進(jìn)一步印證了ITP的最佳替代率為15%。
(a)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)
類似的,溫水和蒸汽養(yǎng)護(hù)均可大幅提升UHPC試樣7 d抗折強(qiáng)度,例如C85ITP15抗折強(qiáng)度分別增加了約55%(溫水養(yǎng)護(hù))和70%(蒸汽養(yǎng)護(hù))。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和溫水養(yǎng)護(hù)可進(jìn)一步提升試樣28 d抗折強(qiáng)度至17 MPa,而蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下的試樣表現(xiàn)出相對較低的抗折強(qiáng)度。
圖5(a)為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下,ITP替代率對UHPC試樣收縮影響。30%ITP獲得最大的收縮值,而10%ITP替代率的UHPC試樣獲得最低收縮值。這主要是因?yàn)镮TP的微填充作用優(yōu)化了混凝土孔隙結(jié)構(gòu),提高密實(shí)度,有效抵消毛細(xì)孔內(nèi)因失水而產(chǎn)生的應(yīng)力。另一方面,對比3種養(yǎng)護(hù)方法對C85ITP15試樣收縮值影響可知:90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)<45 ℃溫水養(yǎng)護(hù)<標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)[見圖5(b)]。由此可知,90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)對減小UHPC試樣收縮最有效。
(a)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下ITP替代率影響
含15%ITP的試樣中AFt的衍射峰明顯強(qiáng)于基準(zhǔn)試樣(見圖6)。即含15%ITP的UHPC試樣生成了更多的水化產(chǎn)物,這主要是引入15%ITP促進(jìn)了水泥水化,從而有助于強(qiáng)度形成。另外,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下,C85ITP15中CH衍射峰低于基準(zhǔn)試樣,且在C85ITP15中可觀察到較弱的C3S和C2S衍射峰,這進(jìn)一步驗(yàn)證了15%ITP的引入促進(jìn)了水泥顆粒水化。
試樣C85ITP15在45 ℃溫水養(yǎng)護(hù)和90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)下,試樣7 d的AFt衍射峰明顯強(qiáng)于對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)條件下試樣的AFt衍射峰[見圖6(a)]。在90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)下,C85ITP15試樣中發(fā)現(xiàn)了方解石(CaCO3)的衍射峰,這是因?yàn)檎羝B(yǎng)護(hù)條件下硬化水泥漿的碳化所致。該現(xiàn)象證實(shí)了45 ℃溫水養(yǎng)護(hù)和90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)加速水泥顆粒水化,可大幅提升UHPC試樣早期強(qiáng)度,這與UHPC強(qiáng)度測試結(jié)果一致。而28 d的C85ITP15試樣在溫水養(yǎng)護(hù)下的AFt和CH衍射峰強(qiáng)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)[見圖6(b)]。這主要是因?yàn)檎羝B(yǎng)護(hù)在早期加速水泥顆粒水化,導(dǎo)致部分水泥顆粒被覆蓋,影響其后期參與水化。
(a)7 d
基準(zhǔn)混凝土中可發(fā)現(xiàn)充足的針棒狀(AFt)、凝膠狀(C-S-H)和片狀(CH)水化產(chǎn)物,以及少量空隙,未水化水泥和ITP顆粒[見圖7(a)];從圖7(b)的EDS測試結(jié)果顯示,該未水化顆粒為ITP顆粒;而含15%ITP的UHPC試樣表現(xiàn)出致密的微觀結(jié)構(gòu),極小的空隙中也會(huì)被針棒和簇狀A(yù)Ft填充[見圖7(c)],還可以觀察到少量ITP顆粒。15%的ITP可促進(jìn)水泥顆粒水化,填充空隙。同時(shí),ITP顆粒的表面不光滑,這有助于與水泥水合物連接。因此,添加15%ITP的UHPC獲得最高的強(qiáng)度。相比之下,含30%ITP的UHPC試樣表現(xiàn)出相對較低的密實(shí)度[見圖7(d)]。
(a)基準(zhǔn)混凝土
與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d的C85ITP15試樣相比[見圖8(a)],45 ℃溫水養(yǎng)護(hù)[見圖8(b)]和90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)[見圖8(c)]條件下,試樣的微觀結(jié)構(gòu)更致密,水化產(chǎn)物更豐富。這主要是因?yàn)楦邷丨h(huán)境下,水泥和ITP顆粒反應(yīng)更為積極,反應(yīng)速度更迅速。進(jìn)一步放大,可發(fā)現(xiàn)含15%ITP的UHPC試樣中含有大量簇狀A(yù)Ft產(chǎn)物,并且彼此搭接形成完善的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[見圖8(d)]。這是因?yàn)?ITP在研磨后具有很高的活性,在CH和石膏的刺激下可反應(yīng)生成水化產(chǎn)物。此外,未反應(yīng)的ITP顆粒可有效填充基體孔隙,更有助于生成致密的微觀結(jié)構(gòu)。而養(yǎng)護(hù)28 d后,在試樣C85ITP15中可以觀察到大量未水合的水泥顆粒[見圖8(e)],水化產(chǎn)物數(shù)量和致密性明顯低于45 ℃溫水養(yǎng)護(hù)的C85ITP15試樣[見圖8(f)]。這主要是因?yàn)檎羝B(yǎng)護(hù)使水泥和ITP顆??焖偎?,導(dǎo)致部分水化產(chǎn)物覆蓋未水化顆粒表面,從而限制了其后期水化反應(yīng),從而導(dǎo)致其28 d強(qiáng)度增長有限。
(a)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)
本文用鐵尾礦粉取代部分水泥(0%~30%),制備出含鐵尾礦粉的UHPC。研究了養(yǎng)護(hù)方法(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),45 ℃溫水養(yǎng)護(hù)與90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù))對UHPC力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度)、收縮性能和微觀結(jié)構(gòu)(水化產(chǎn)物組成和微觀形貌)影響。主要得到以下結(jié)論:
適量鐵尾礦粉的引入可提升UHPC力學(xué)性能,且鐵尾礦粉最佳替代率為15%,蒸汽養(yǎng)護(hù)和溫水養(yǎng)護(hù)對混凝土7 d強(qiáng)度提升非常有效,而蒸汽養(yǎng)護(hù)對混凝土28 d提升效果有限,低于45 ℃溫水養(yǎng)護(hù)。
過量鐵尾礦粉的引入增加了混凝土收縮值,當(dāng)鐵尾礦粉替代率為30%時(shí),試件收縮達(dá)到最大值。蒸汽養(yǎng)護(hù)和溫水養(yǎng)護(hù)可降低UHPC試樣收縮值,養(yǎng)護(hù)方法對降低收縮值排序90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)>45 ℃溫水養(yǎng)護(hù)>標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。
鐵尾礦粉的微集料填充效應(yīng),蒸汽養(yǎng)護(hù)/高溫環(huán)境下的活化效應(yīng)和加速水化作用是影響體系水化產(chǎn)物數(shù)量和致密度的關(guān)鍵,進(jìn)而影響力學(xué)性能和收縮性能。45 ℃溫水養(yǎng)護(hù)和90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)可促進(jìn)水化反應(yīng),故有利于混凝土強(qiáng)度的提高。