蔗渣灰摻量對水泥混凝土耐久性能的影響研究

姚宏霖 杜洪良

摘要：文章以蔗渣灰摻量為控制變量，開展C30、C40和C50蔗渣灰混凝土的滲透高度、抗凍性、耐磨性、抗炭化性能和抗硫酸鹽侵蝕性能試驗，研究蔗渣灰摻量對水泥混凝土耐久性能的影響。結(jié)果表明：適量的蔗渣灰摻入可提升混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、耐磨性、抗炭化性能和抗硫酸鹽侵蝕等耐久性能，摻量過高則反之，建議摻量控制在10%；相同蔗渣灰摻量下，混凝土的強度等級越高，混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、耐磨性、抗炭化性能和抗硫酸鹽侵蝕等耐久性能越好。

關(guān)鍵詞：蔗渣灰；混凝土；耐久性；抗凍性；耐磨性

中圖分類號：U416.03? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0067-08

0 引言

甘蔗盛產(chǎn)于我國南方地區(qū)，同時也是我國制糖工業(yè)中的主要原材料之一，在甘蔗制糖過程中會產(chǎn)生大量蔗渣，為了充分利用蔗渣的能量，大部分制糖廠會燃燒蔗渣提供制糖過程中的熱能，若直接排放燃燒產(chǎn)生的蔗渣灰，必然會引起空氣、土體和水源的污染，因此蔗渣灰的回收利用對環(huán)境保護(hù)而言非常重要。

當(dāng)前，混凝土的主要摻合料有粉煤灰、礦渣、硅灰等，蔗渣灰作為摻合料在混凝土中的應(yīng)用仍然處于起步階段。韋京利等［1］研究了不同蔗渣灰摻量、不同水膠比雙因素作用下的混凝土強度變化規(guī)律，表明蔗渣灰具備一定的火山灰活性，混凝土強度隨蔗渣灰摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后較低的規(guī)律，蔗渣灰的最佳摻量宜控制為5%～25%。熊偉等［2］的研究表明：當(dāng)蔗渣灰摻量＜30%時，蔗渣灰摻量對混凝土流動性影響不大，而混凝土強度隨蔗渣灰摻量增加呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，最佳摻量為10%。連錦康［3］的研究表明：隨著蔗渣灰摻量增加，超高性能混凝土的電阻率呈現(xiàn)出先增大后降低的規(guī)律，其抗折、抗拉強度同樣呈現(xiàn)相似的規(guī)律。

綜上所述，目前已有部分關(guān)于蔗渣灰混凝土流動性和強度的研究，然而鮮有關(guān)于蔗渣灰摻量對混凝土耐久性能的研究，混凝土的耐久性能對混凝土的服役壽命、服役期間的安全性能和全周期成本控制十分重要，因此有必要開展蔗渣灰摻量對水泥混凝土耐久性能的影響研究。

1 原材料及試驗

1.1 原材料

水泥：P·Ⅰ52.5硅酸鹽水泥，不溶物含量為0.50%，燒失量為1.2%，SO3含量為2.3%，MgO含量為3.2%，比表面積為341 m2/kg，表觀密度為3 189 kg/m3，水泥的礦料組成如表1所示。

蔗渣灰：將取自制糖廠的蔗渣灰充分煅燒、篩分后得到，主要成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3，比表面積為574 m2/kg。

減水劑：高性能減水劑，含固量為18.84%，堿含量為0.41%，硫酸鈉含量為1.08%，氯離子含量為0.026%，減水率為27%，飽和摻量為1.0%。

粗骨料：石灰?guī)r碎石，按兩檔料進(jìn)行篩分，粒徑分別為5～10 mm和10～20 mm。

細(xì)骨料：精品機制砂，細(xì)度模數(shù)為2.93，石粉含量為3.0%，含泥量為0.21%，亞甲藍(lán)值為0.5。

1.2 混凝土配合比設(shè)計

現(xiàn)根據(jù)質(zhì)量法對蔗渣灰混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計，共設(shè)計強度等級分別為C30、C40和C50的3組混凝土，每組混凝土中蔗渣灰的摻量分別為0、5%、10%、15%、20%、25%和30%，5～10 mm和10～20 mm的粗骨料質(zhì)量比為3∶7，減水劑摻量控制為水泥和蔗渣灰質(zhì)量和的1%，混凝土的配合比參數(shù)如下頁表2所示。

1.3 試驗方法

依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG 3420-2020）（以下簡稱《試驗規(guī)程》）中T0551-2020規(guī)定的方法進(jìn)行稱料、拌和、裝模、密實成型和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生，耐久性指標(biāo)按照如下所示的方法進(jìn)行測試。

（1）抗?jié)B性：按《試驗規(guī)程》中0569-2005規(guī)定的方法對混凝土試塊進(jìn)行滲透試驗，測試混凝土的滲透高度。

（2）抗凍性：按《試驗規(guī)程》中0565-2005規(guī)定的方法對試件進(jìn)行250次凍融循環(huán)，計算相對動彈模量、質(zhì)量變化率。

（3）耐磨性：按《試驗規(guī)程》中0567-2005規(guī)定的方法進(jìn)行打磨，分別記錄混凝土的初始質(zhì)量和磨損后的質(zhì)量，計算單位面積磨損量。

（4）抗炭化：按《試驗規(guī)程》中0581-2020規(guī)定的方法進(jìn)行炭化試驗，計算混凝土28 d炭化深度平均值。

（5）抗硫酸鹽侵蝕：按《試驗規(guī)程》中0582-2020規(guī)定的方法進(jìn)行試驗，進(jìn)行90次干濕循環(huán)，分別測試混凝土經(jīng)硫酸鹽侵蝕和同齡期未經(jīng)硫酸鹽侵蝕的混凝土強度，計算混凝土的抗壓強度耐蝕系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗?jié)B性

如圖1所示為不同蔗渣灰摻量下的混凝土滲透高度變化情況曲線，混凝土的滲透高度隨蔗渣灰摻量增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，當(dāng)蔗渣灰摻量為15%時，C30、C40和C50混凝土的滲透高度均達(dá)到最小值，分別為17.1 mm、10.9 mm和7.9 mm；當(dāng)蔗渣灰摻量為30%時，C30、C40和C50混凝土的滲透高度最大，分別為53.2 mm、36.4 mm和31.3 mm。

混凝土的抗?jié)B性能和混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)，蔗渣灰在混凝土中起到火山灰效應(yīng)和晶核效應(yīng)的作用［4］。（1）蔗渣灰中富含SiO2和Al2O3，SiO2和Al2O3均可以和水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)，其中SiO2和Ca（OH）2反應(yīng)生成C-S-H凝膠，Al2O3和Ca（OH）2反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣，提高混凝土的密實性，火山灰反應(yīng)會降低混合料中Ca（OH）2含量，從而促進(jìn)水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，提高水泥的水化程度，減少了混凝土內(nèi)部連通孔隙和封閉孔隙的尺寸和數(shù)量；（2）蔗渣灰尺寸較小，為固體結(jié)構(gòu)，水泥水化產(chǎn)生的C-S-H凝膠和水化硫鋁酸鈣會被吸附到蔗渣灰顆粒表面，即晶核效應(yīng)，隨著水泥水化程度的增大，以蔗渣灰顆粒為中心晶核體積不斷增大，最終占據(jù)或切斷連通孔隙，提升混凝土的密實程度。另外，蔗渣灰比表面積為574 m2/kg，而水泥為341 m2/kg，蔗渣灰比表面高于水泥，摻入適量的蔗渣灰可以填充水泥顆粒之間的空隙，可以減少用于填充水泥顆粒之間空隙的用水量，使固體顆粒之間的水膜厚度增加，改善新拌混凝土的流動性，增強了混凝土拌和物的易密性，從而降低硬化混凝土的孔隙數(shù)量?；谝陨显颍?dāng)蔗渣灰摻量＜15%時，混凝土的滲透高度隨蔗渣灰摻量增加而減小。

當(dāng)蔗渣灰摻量較高時，膠凝材料體系的C3S、C2S、C3A和C4AF含量較低，最終水化生成的C-S-H凝膠、水化硅酸三鈣等較少，最終水泥混凝土的密實程度降低；另外，蔗渣灰比表面積較小，拌和時需要吸收較多水分，因此當(dāng)蔗渣灰摻量較高時，混凝土的流動性較差，從而影響混凝土成型后密實程度，形成較多的孔隙結(jié)構(gòu)?；谝陨显?，當(dāng)蔗渣灰摻量＞15%時，混凝土的抗?jié)B性能隨著蔗渣灰摻量增加而不斷減弱。

強度等級較高的混凝土水膠比較高，水泥水化產(chǎn)生的C-S-H凝膠、水化硅酸三鈣等水化物較多，最終硬化混凝土的開口孔隙和閉口孔隙的數(shù)量均較少，因此在相同蔗渣灰摻量下，混凝土的強度等級越高則抗?jié)B性能越好。

2.2 抗凍性

如圖2所示為混凝土經(jīng)250次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率，當(dāng)蔗渣灰摻量＜15%時，混凝土凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率隨蔗渣灰摻量增加呈現(xiàn)出遞減的規(guī)律，說明混凝土的抗凍性能增強。當(dāng)蔗渣灰摻量＞15%時，混凝土的質(zhì)量損失率隨蔗渣灰摻量的增加呈現(xiàn)出遞增的規(guī)律。當(dāng)蔗渣灰摻量為15%時，C30、C40和C50混凝土凍融后的質(zhì)量損失率分別為0.70%、0.44%和0.28%，此時混凝土的質(zhì)量損失率最??；當(dāng)蔗渣灰摻量達(dá)30%，C30、C40和C50混凝土凍融后的質(zhì)量損失率分別為2.14%、1.77%和1.28%，蔗渣灰摻量為30%的C30、C40和C50混凝土凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率相較于不摻蔗渣灰的混凝土分別高出46%、60%和67%。相同蔗渣灰摻量的蔗渣灰混凝土，混凝土的強度等級越高，混凝土經(jīng)凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率越低。

圖3所示為混凝土經(jīng)250次凍融循環(huán)后的相對動彈模量，C30、C40和C50混凝土的相對動彈模量隨蔗渣灰摻量的增加均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；當(dāng)蔗渣灰摻量為10%時，C40和C50混凝土的相對動彈模量最大，分別為97.4%和98.2%；當(dāng)蔗渣灰摻量為20%，C30混凝土的相對動彈模量最大，為98.25%。相同蔗渣灰摻量下混凝土的強度等級越高，混凝土的相對動彈模量越大。

混凝土內(nèi)部存在部分孔隙，在滲透壓的作用下水分會沿著混凝土侵入混凝土內(nèi)部，侵入的水分在低溫的作用下凝固膨脹，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷和強度衰減，凝固的水融化后造成混凝土溶蝕破壞，造成混凝土質(zhì)量損失和動彈模量衰減。混凝土的抗凍性能和混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，混凝土內(nèi)部的連通孔隙數(shù)量越少或大孔隙數(shù)量越少，混凝土的抗凍性能越好。由前文可知，適量的蔗渣灰在混凝土中起到火山灰效應(yīng)、晶核效應(yīng)和填充作用，因此適量的蔗渣灰可改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，降低混凝土的孔隙尺寸和數(shù)量，此時混凝土在凍融循環(huán)時侵入混凝土內(nèi)部的水分較少，混凝土經(jīng)凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率較小且相對動彈模量較高。當(dāng)蔗渣灰摻量較高時，蔗渣灰不具備改善硬化混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的作用，因此隨著蔗渣灰摻量增加，混凝土經(jīng)凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率增加，相對動彈模量減小。

2.3 耐磨性

如圖4所示為不同蔗渣灰摻量下的混凝土磨損量，當(dāng)蔗渣灰摻量＜20%時蔗渣灰摻量對混凝土磨損量的影響并不明顯，當(dāng)蔗渣灰摻量＞20%時混凝土磨損量隨蔗渣灰摻量的增加呈現(xiàn)出遞增的規(guī)律。當(dāng)蔗渣灰摻量為30%時，C30、C40和C50混凝土的磨損量分別為3.72%、3.36%和2.01%，相較于不摻蔗渣灰的混凝土，磨損量分別高出14%、15%和21%。

硬化水泥混凝土可視作由骨料、界面過渡區(qū)及硬化水泥漿組成的固體材料，當(dāng)集料相同時，混凝土的抗磨性和界面過渡區(qū)、硬化水泥漿的強度相關(guān)。（1）摻入適量的蔗渣灰可以與Ca（OH）2進(jìn)行二次反應(yīng)，提升水泥的水化程度，界面過渡區(qū)的Ca（OH）2是混凝土的薄弱環(huán)節(jié)，因此摻入蔗渣灰可改善界面過渡區(qū)的強度，對增強混凝土的抗磨性具有積極作用；（2）蔗渣灰摻入后減少了水泥的用量，導(dǎo)致水泥水化物的數(shù)量減少，會對混凝土的抗磨性產(chǎn)生不利影響。綜合以上兩點原因，當(dāng)蔗渣灰摻量較低時，蔗渣灰摻量對混凝土的抗磨性影響不大。當(dāng)蔗渣灰摻量＞20%時，水泥用量較低，水化產(chǎn)物的數(shù)量較低，硬化水泥漿和界面過渡區(qū)的強度下降，導(dǎo)致混凝土的抗磨性能減弱。

當(dāng)蔗渣灰摻量相同時，混凝土的強度等級越高，界面過渡區(qū)和硬化水泥漿的強度越大，因此抗磨性能越好。

2.4 抗炭化性能

如圖5所示為不同蔗渣灰摻量下的混凝土炭化深度變化情況曲線，由圖可知，在28 d的炭化齡期內(nèi)，C40和C50混凝土幾乎沒有炭化，當(dāng)蔗渣灰摻量＜20%時，C50混凝土的炭化深度為0，當(dāng)蔗渣灰摻量＞20%，C50混凝土的炭化深度＜2 mm，C40混凝土的28 d的炭化深度同樣＜2 mm。C30混凝土的28 d炭化深度隨蔗渣灰摻量的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，當(dāng)蔗渣灰摻量為15%時，C30混凝土的炭化深度最小，為5.0 mm；當(dāng)蔗渣灰摻量為0時，C30混凝土的炭化深度為10.1 mm；當(dāng)蔗渣灰摻量為30%時，C30混凝土的炭化深度為14.8 mm。

當(dāng)CO2侵入硬化混凝土的孔隙內(nèi)部后，CO2溶于孔隙溶液形成碳酸，碳酸會與Ca（OH）2、C-H-S發(fā)生中和反應(yīng)，從而降低混凝土的pH值，當(dāng)pH下降到一定值后，碳酸可與混凝土內(nèi)部的鋼筋發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致鋼筋銹蝕膨脹，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全造成威脅。由前文可知，當(dāng)混凝土中摻入適量蔗渣灰時，因蔗渣灰在混合料體系中可以發(fā)揮晶核效應(yīng)、火山灰效應(yīng)和填充作用，從而減少連通孔隙的數(shù)量并減小孔隙的尺寸，限制CO2侵入混凝土，因此當(dāng)蔗渣灰摻量為15%時，C30混凝土的炭化深度隨蔗渣灰摻量的增大呈現(xiàn)出遞減的規(guī)律。當(dāng)蔗渣灰摻量較高時，因體系的水化物數(shù)量較少，導(dǎo)致混凝土的炭化程度增加。

強度等級越高的混凝土水膠比越大，水化完成后孔隙率越低，同時有害孔隙的數(shù)量也較少，因此輕度越高的混凝土抗炭化性能越強，本研究中的C40和C50混凝土在28 d的炭化齡期內(nèi)幾乎沒有炭化。

2.5 抗硫酸鹽侵蝕

如圖6～8所示分別為混凝土經(jīng)硫酸鹽侵蝕前后的抗壓強度變化曲線，由圖可知，當(dāng)混凝土未經(jīng)硫酸鹽侵蝕過時，混凝土的抗壓強度隨蔗渣灰摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢，當(dāng)蔗渣灰摻量為10%時，C30、C40和C50混凝土的強度均達(dá)到最大值，分別為43.8 MPa、58.7 MPa和68.3 MPa；混凝土經(jīng)硫酸鹽侵蝕后，抗壓強度出現(xiàn)較大幅度的衰減，混凝土強度隨蔗渣灰摻量增加仍然呈現(xiàn)出先遞增后遞減的趨勢。

如后頁圖9所示為不同蔗渣灰摻量下的混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)變化曲線，由圖可知，當(dāng)蔗渣灰摻量＜10%時，混凝土的抗壓強度耐蝕系數(shù)隨蔗渣灰摻量增加呈現(xiàn)出遞增的趨勢，當(dāng)蔗渣灰摻量≥10%時，混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)隨蔗渣灰摻量增加呈現(xiàn)出遞減的趨勢。當(dāng)蔗渣灰摻量為10%時，C30、C40和C50的耐蝕系數(shù)分別為82.3%、84.6%和87.8%。相同的蔗渣灰摻量下，混凝土的強度等級越高，混凝土的抗壓強度耐蝕系數(shù)越大。

當(dāng)硫酸鹽侵入至混凝土內(nèi)部后，與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成鈣釩石，不斷消耗C-H-S等水化產(chǎn)物，同時產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，隨著反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，當(dāng)膨脹應(yīng)力積累至一定量時，混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生裂隙并出現(xiàn)剝落問題，此時混凝土?xí)霈F(xiàn)質(zhì)量損失和強度衰減的現(xiàn)象［5］。混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能也和混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，適當(dāng)摻量的蔗渣灰可改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)、降低混凝土的孔隙率，對提升混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能具有積極的意義；高摻量的蔗渣灰會劣化混凝土的孔隙，為硫酸鹽的蝕入提供了通道，對混凝土的耐久性能造成不利影響。

3 結(jié)語

（1）適量蔗渣灰的摻入可提升混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、耐磨性、抗炭化性能和抗硫酸鹽侵蝕等耐久性能，摻量過高則反之，因此建議蔗渣灰摻量為10%。

（2）相同蔗渣灰摻量下，混凝土的強度等級越高，混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、耐磨性、抗炭化性能和抗硫酸鹽侵蝕等耐久性能越好。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：姚宏霖（1988—），工程師，主要從事道路工程研究工作。