鐵尾砂泡沫混凝土抗凍融性能及可靠性分析

朱利平,杜曉麗,鄒天民

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,淮南 232001)

0 引 言

泡沫混凝土具有保溫隔熱性好、抗震性好、輕質(zhì)高強、易加工、施工方便等優(yōu)點[1-2],廣泛應(yīng)用于路堤填筑、隧道空隙填充、寒冷地區(qū)道路隔熱層、擋土墻、建筑外墻、基坑回填等工程[3-5]。

目前,工業(yè)副產(chǎn)品被認(rèn)為是開發(fā)生態(tài)友好和可持續(xù)的混凝土可行材料。許多國內(nèi)外學(xué)者通過摻入工業(yè)廢棄物(例如廢棄貝殼[6]、高爐礦渣[7]、棕櫚油灰[8]、甘蔗渣灰[9]等)提高泡沫混凝土的性能,取得了較好的效果。

鐵尾砂作為工業(yè)副產(chǎn)品,長期堆放不僅會占用土地,還會造成環(huán)境污染[10-12],提高尾礦綜合利用率特別是解決細(xì)粒鐵礦尾礦處理和天然砂短缺的問題迫在眉睫。Hou等[13]和Zhao 等[14]研究表明天然砂和鐵尾砂配制的混合砂可用于混凝土制備,在一定程度上能提升混凝土的性能。張玉琢等[15]研究表明,混凝土摻入鐵尾砂后的抗?jié)B性增強,抗彎強度雖然略低于普通混凝土,但仍達(dá)到了抗彎設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值。趙蘇等[16]研究表明,隨著鐵尾砂摻量的增加,泡沫混凝土收縮率呈先增加后減小的趨勢。王建輝等[17]研究表明,混凝土摻鐵尾砂后,在硫酸鹽干濕循環(huán)下的質(zhì)量損失顯著減少,抗壓耐腐蝕系數(shù)明顯增大。Zhu等[18]研究表明,以鐵尾砂為細(xì)骨料,不同再生集料置換率配制的混凝土均表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。因此,鐵尾砂泡沫混凝土有巨大的發(fā)展前景。

在我國西北地區(qū),冬季持續(xù)時間長,氣溫低,晝夜溫差大,泡沫混凝土要反復(fù)經(jīng)歷凍融循環(huán)作用。此外,鹽漬土在西北地區(qū)分布廣泛,其土壤含鹽量較高,泡沫混凝土極易受到鹽腐蝕、凍融循環(huán)雙因素耦合影響,發(fā)生性能衰退和破壞[19-20]。

為此,本文制備了5組目標(biāo)密度為900 kg/m3的不同鐵尾砂摻量泡沫混凝土,對各組泡沫混凝土在硫酸鹽環(huán)境下進行凍融循環(huán)試驗,測試不同鐵尾砂摻量的泡沫混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量損失、強度損失及孔隙面積率變化,分析凍融循環(huán)結(jié)束后泡沫混凝土試件內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)損傷。此外,以試件在一定試驗周期內(nèi)的質(zhì)量損失和強度損失作為衡量指標(biāo),評選最優(yōu)配合比,建立基于Wiener隨機過程的可靠度函數(shù),以此反映鐵尾砂泡沫混凝土的可靠度與硫酸鹽凍融循環(huán)損傷的關(guān)系,并預(yù)測試件剩余壽命。

1 實 驗

1.1 材 料

水泥采用淮南八公山牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥,其成分及物理性質(zhì)見表1。粉煤灰(fly ash, FA)采用淮南某發(fā)電廠Ⅰ級粉煤灰,其成分及物理性質(zhì)見表1。天然砂采用淮河中砂,其物理性質(zhì)見表2。鐵尾砂采用淮南某鐵礦生產(chǎn)的鐵尾砂,其成分見表1,物理性質(zhì)見表2,X射線衍射(XRD)譜見圖1。

圖1 鐵尾砂的XRD譜Fig.1 XRD pattern of iron tailings sand

表1 水泥、粉煤灰和鐵尾砂的成分和物理性質(zhì)Table 1 Composition and physical properties of cement, fly ash and iron tailing sand

表2 細(xì)骨料的物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of fine aggregates

本文采用蛋白質(zhì)基發(fā)泡劑,發(fā)泡劑的密度為1.03 g/cm3,發(fā)泡倍數(shù)為20倍,稀釋倍數(shù)為25倍,泡沫密度為50 kg/m3。

1.2 試驗設(shè)計

以鐵尾砂摻量和硫酸鹽環(huán)境下凍融循環(huán)次數(shù)為研究參數(shù),共制備了5組目標(biāo)密度為900 kg/m3的泡沫混凝土,鐵尾砂代替砂子的比例分別為0%、10%、20%、30%和40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),相應(yīng)的樣品編號為A0、A1、A2、A3和A4,具體配合比見表3。由于鐵尾砂具有較細(xì)的粒徑和較大的比表面積,為了保證泡沫混凝土可工作性,微調(diào)水膠比(W/B)實現(xiàn)漿體均勻可鋪展,具體配合比見表3。

將水泥、粉煤灰、砂和鐵尾砂混合干拌2 min,隨后加入水?dāng)嚢杈鶆?用發(fā)泡機制備的泡沫(50 kg/m3)混合攪拌,直至漿體表面不再出現(xiàn)白色泡沫,然后放入涂油的模具中。

1.3 試驗方案

制備180個尺寸為100 mm×100 mm ×100 mm立方體試塊,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件(相對濕度RH≥95%,溫度為(20±2) ℃)下養(yǎng)護28 d。

采用高低溫交變濕熱試驗箱進行凍融循環(huán)試驗,首先在(-18±3) ℃的環(huán)境下冷凍8 h,結(jié)束后在(18±3) ℃的5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硫酸鈉溶液中浸泡4 h,以此為一個循環(huán)。A0、A1、A2、A3和A4每組的循環(huán)次數(shù)均為0、20、40、60、80、100、120次,試驗要求溶液液面高出試件表面20～30 mm,每個月更換一次溶液以保證硫酸鈉溶液的濃度。每20次凍融循環(huán)后,測定試件的質(zhì)量、強度和孔隙面積率,凍融循環(huán)結(jié)束后進行掃描電子顯微鏡(SEM)和XRD測試分析。此外,根據(jù)試驗結(jié)果,以質(zhì)量損失、抗壓強度損失為衡量指標(biāo),選取最優(yōu)配比,以Weiner函數(shù)研究其可靠性,對該配比下試件抗凍融的壽命進行預(yù)測。

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)量損失

質(zhì)量損失率一定程度上可以反映泡沫混凝土的損傷程度,其計算公式如式(1)所示。

(1)

式中:W表示質(zhì)量損失率,%;M0、Mn分別表示未凍融循環(huán)和第n次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量,kg。

各組鐵尾砂泡沫混凝土的質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖2所示。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,5組試件的質(zhì)量均呈先增大后減小的趨勢。大約在凍融循環(huán)20次時,泡沫混凝土質(zhì)量最大,隨著循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加,質(zhì)量逐漸減小。質(zhì)量改變的主要原因是硫酸鹽侵蝕和表面水泥砂漿剝落。凍融循環(huán)初期,硫酸鹽與泡沫混凝土反應(yīng),生成了鈣礬石(3CaO·Al2O3·CaSO4·31H2O)、石膏(CaSO4·2H2O)等膨脹礦物[21],反應(yīng)產(chǎn)物在孔隙內(nèi)逐漸沉積,導(dǎo)致質(zhì)量增加。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,泡沫混凝土孔壁持續(xù)受到凍脹壓力作用,內(nèi)部微細(xì)裂紋逐漸累積并發(fā)展成互相連通的裂縫,從而造成孔貫通及表面水泥砂漿剝落。同時,在硫酸鹽的侵蝕作用下,孔壁受到的膨脹壓力加劇,脫落的質(zhì)量大于增加的質(zhì)量,導(dǎo)致試件整體質(zhì)量逐漸降低。

圖2 試塊質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationship between mass loss rate and freeze-thaw cycles of test block

普通泡沫混凝土的質(zhì)量損失率明顯高于摻有鐵尾砂的泡沫混凝土,這是由于鐵尾砂顆粒較細(xì),泡沫混凝土內(nèi)部氣孔數(shù)量和直徑減小、固體基質(zhì)增加,泡沫混凝土更密實,阻礙了硫酸鹽的侵入。然而,鐵尾砂與砂漿的附著力較差,鐵尾砂的含量過度會降低結(jié)構(gòu)的完整性,增加有害孔隙的數(shù)量,從而導(dǎo)致質(zhì)量損失率增高。20%鐵尾砂摻量泡沫混凝土的質(zhì)量損失率最小,A4各組試件的質(zhì)量損失率均高于A2,由大到小依次為A0、A4、A1、A3、A2。

2.2 抗壓強度損失

相對抗壓強度可以反映泡沫混凝土經(jīng)過凍融循環(huán)后的強度損失,計算公式如式(2)所示。

K=(ft/f0)×100%

(2)

式中:K為相對抗壓強度,%;ft、f0分別為第t次凍融循環(huán)后和未凍融循環(huán)試件的抗壓強度,MPa。

各組鐵尾砂泡沫混凝土的相對抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,試件的抗壓強度總體呈下降趨勢。這是因為凍脹力和膨脹礦物削弱了試件內(nèi)部顆粒的結(jié)合并惡化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)[22-23]。由圖3還可以看出,鐵尾砂泡沫混凝土的強度損失低于普通泡沫混凝土。在凍融循環(huán)前期,鐵尾砂對泡沫混凝土的抗凍融性能的改善效果并不明顯,隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,抗凍融性能得到了顯著提升。120次凍融循環(huán)后,A1、A2、A3和A4的抗壓強度損失較A0分別提高了7.3%、10.2%、4.8%和1.9%。這可能是因為:1)細(xì)粒徑鐵尾砂可以改善顆粒級配,更好地填充泡沫混凝土內(nèi)部孔隙,并優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu),有效防止泡沫混凝土內(nèi)部裂隙的擴展,使得混凝土抗凍性能顯著提升[24]。2)高濃度鐵離子的存在也對強度產(chǎn)生了積極的影響。3)鐵尾砂中的無定形活性物質(zhì)與水泥水化過程中產(chǎn)生的過量Ca(OH)2二次反應(yīng),產(chǎn)生C-S-H凝膠,使得混凝土強度增加[25]。隨著鐵尾砂摻量的繼續(xù)增加,鐵尾砂泡沫混凝土強度下降,這是由于過量的鐵尾砂使泡沫混凝土內(nèi)部黏結(jié)減弱、毛細(xì)管孔數(shù)量增加,從而加劇了硫酸鹽侵蝕。

圖3 試塊相對抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between relative compressive strength and freeze-thaw cycles of test block

泡沫混凝土的外觀也清晰地反映了泡沫混凝土的強度損失情況。圖4為各組試件120次凍融循環(huán)后的表觀形貌。由圖4可以看出,所有試樣表面均形成一層白色晶體,普通泡沫混凝土表面更粗糙,邊緣劣化程度更高,孔隙合并更多。在試驗期間,所有試塊的外表面均未出現(xiàn)明顯裂縫。

圖4 泡沫混凝土120次凍融循環(huán)后的表觀形貌Fig.4 Morphologies of foam concrete after 120 freeze-thaw cycles

值得注意的是,Na2SO4雖然與泡沫混凝土反應(yīng)生成了石膏等膨脹礦物,泡沫混凝土質(zhì)量增加,但抗壓強度并未增強,這可能與泡沫混凝土的多孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2.3 孔隙面積率

泡沫混凝土主要由氣相和固相兩部分構(gòu)成,含有大量氣孔,氣孔結(jié)構(gòu)和孔隙特征的差異直接影響泡沫混凝土的性能[26-28]。孔隙面積率可以直觀地反映泡沫混凝土中的氣孔分布情況?？紫睹娣e率用圖像法測得,即使用顯微鏡處理系統(tǒng)對圖像進行分析,將圖像進行二值化處理,并對處理后的圖像進行統(tǒng)計計算[29]。泡沫混凝土的SEM照片和二值化照片見圖5。

圖5 泡沫混凝土的SEM照片和二值化照片F(xiàn)ig.5 SEM image and binary image of foam concrete

泡沫混凝土孔隙面積率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖6所示。孔隙面積率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加明顯增大,但增大程度不同。凍融循環(huán)初期,普通泡沫混凝土孔隙面積率增速較快,鐵尾砂泡沫混凝土增速較慢。這是因為,鐵尾砂的摻入會改善顆粒級配,使內(nèi)部的孔隙分布更加均勻,從而降低凍融早期孔隙面積率。但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,鐵尾砂泡沫混凝土與普通泡沫混凝土試件內(nèi)部均逐漸產(chǎn)生微裂縫,孔隙面積率均逐漸增加。

圖6 試塊孔隙面積率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between pore area rate and freeze-thaw cycles of test block

2.4 微觀結(jié)構(gòu)

通過SEM和XRD分析各組試件在凍融循環(huán)后的劣化程度。圖7為120次凍融循環(huán)后不同摻量的鐵尾砂泡沫混凝土的微觀形態(tài)?？梢园l(fā)現(xiàn),各組試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈疏松絮狀,各個試件孔隙中均出現(xiàn)了石膏和鈣礬石,這與泡沫混凝土質(zhì)量的增加相吻合。當(dāng)硫酸鹽與泡沫混凝土反應(yīng)的產(chǎn)物填充孔隙時,產(chǎn)生了膨脹應(yīng)力,在凍脹力和膨脹應(yīng)力共同作用下,出現(xiàn)了大量裂縫。與A0相比,A1和A2試件的裂縫較小,裂縫寬度較窄,長度較短。但與A2相比,A4表面不平整,孔隙增多,表面比較粗糙,完整性較差,這表明隨著鐵尾砂摻量繼續(xù)增加,泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)損傷程度加劇。這是因為高摻量的鐵尾砂使泡沫混凝土孔隙減小,而小孔隙相對于大孔隙受到反應(yīng)產(chǎn)物的影響更大,大孔隙有更多空間容納石膏和鈣礬石,延遲孔隙填充,減小膨脹應(yīng)力。這一結(jié)果也與抗壓強度的測試結(jié)果相一致,表明隨著鐵尾砂摻量的繼續(xù)增加,泡沫混凝土的性能劣化程度更高。

圖8為120次凍融循環(huán)后泡沫混凝土的XRD譜。XRD譜證實了上述結(jié)果,并表明在硫酸鹽環(huán)境下凍融循環(huán)120次后,泡沫混凝土中出現(xiàn)了石膏和鈣礬石。

圖8 120次凍融循環(huán)后泡沫混凝土的XRD譜Fig.8 XRD patterns of foam concrete after 120 freeze-thaw cycles

2.5 可靠性分析

Wiener退化過程模型是基于性能退化數(shù)據(jù)進行可靠性評估的模型,可以較為準(zhǔn)確地描述硫酸鹽環(huán)境凍融循環(huán)作用下鐵尾砂泡沫混凝土性能劣化全過程[30]。

基于Wiener退化過程,以質(zhì)量損失與抗壓強度為評價指標(biāo),以鐵尾砂泡沫混凝土抗凍性能的最優(yōu)配合比,即鐵尾砂的替代率為20%時,建立試件的可靠度模型并預(yù)測剩余壽命。

由Wiener過程的性質(zhì)可知

Δx～N(μΔt,σ2Δt)

(3)

根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》(GB/T 50082—2009),當(dāng)試件質(zhì)量損失達(dá)到5%或抗壓強度損失達(dá)到25%時,混凝土試件達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)。本文計算質(zhì)量損失達(dá)到失效閾值時,Df取值0.05;計算抗壓強度損失達(dá)到失效閾值時,Df取值0.25。

某時刻概率密度似然函數(shù)為

(4)

對式(4)取對數(shù),對μ和σ2求偏導(dǎo)數(shù),可以得到μ和σ2的極大似然估計為

(5)

(6)

因此,可靠度點估計為

(7)

式中:Δx表示試件在相鄰時刻的耐久性退化量,Zij表示第i個試件在第j次的退化量,tij表示第i個試件的第j次測試的時間,μ為漂移系數(shù),σ為擴散系數(shù),mi為第i個樣本的監(jiān)測次數(shù),Df為試件的失效閾值。

圖9 試件凍融循環(huán)可靠度曲線Fig.9 Reliability curves of freeze-thaw cycle of specimen

由圖9可知,以質(zhì)量損失為衡量指標(biāo)時,凍融循環(huán)363次左右的試件完全失效;以抗壓強度為衡量指標(biāo)時,凍融循環(huán)300次左右的試件完全失效。在凍融初期,可靠度基本保持不變,隨著試驗進行,可靠度大幅度降低,以抗壓強度為衡量指標(biāo)所對應(yīng)的可靠度下降得更快,這表明對于鐵尾砂泡沫混凝土抗壓強度損失比質(zhì)量損失更為敏感。因此,最優(yōu)配比下的鐵尾砂泡沫混凝土能夠經(jīng)受硫酸鹽環(huán)境下300次凍融循環(huán)作用。

3 結(jié) 論

1)鐵尾砂能明顯提高泡沫混凝土的抗凍融能力,摻量為20%時,泡沫混凝土的抗凍融性能最好,摻量為40%時,抗凍融能力與普通泡沫混凝土最為接近。

2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,各組試件的質(zhì)量均呈先增加后減小的趨勢,在凍融次數(shù)為20次左右時,試件的質(zhì)量最大;抗壓強度和孔隙面積率呈下降趨勢。抗壓強度與孔隙面積率的回歸擬合較好,可以用抗壓強度來衡量泡沫混凝土的內(nèi)部損傷。

3)硫酸鹽和凍融循環(huán)的共同作用改變了泡沫混凝土的微觀形貌,隨著凍融次數(shù)的增加,在凍脹力和膨脹應(yīng)力的共同作用下,內(nèi)部孔隙連通形成裂縫,抗壓強度降低。

4)基于Wiener退化過程可以發(fā)現(xiàn),抗壓強度相對于質(zhì)量損失對泡沫混凝土的凍融損傷更為敏感。最優(yōu)配合比下的鐵尾砂泡沫混凝土能夠經(jīng)受約300次凍融循環(huán)。