工業固廢粉末對自密實高性能混凝土性能的影響

何 翔,喬險濤,喻 鵬,周佳樂,牛建東

(1.中鐵建(東莞)建設投資有限公司,東莞 523867;2.東莞理工學院生態環境與建筑工程學院,東莞 523808;3.中南大學土木工程學院,長沙 410083)

0 引 言

自密實混凝土自1980年問世以來在工程中應用廣泛,尤其是鋼筋間距密集或澆注空間受限的施工場所[1]。減水劑的推廣應用進一步推動了自密實混凝土的發展和應用[2-4]。自密實混凝土材料組成成分與常規振搗混凝土類似,兩者最大區別在于是否通過調節材料配合比來實現混凝土的自密實性能。不同于常規振搗混凝土,自密實混凝土粉末用量較大[5],水泥用量介于450～600 kg/m3。這種混凝土具有良好的流動性和抗泌水、抗離析性能。為了確保不發生泌水和離析現象,通常會添加黏性外加劑來增加混凝土的黏滯性[6]。為滿足流動性要求,可以通過添加粉煤灰、礦渣、石灰等工業固廢粉末來提高或維持自密實混凝土的施工性能,同時減少水泥用量和水化熱[7-9]。

粉煤灰和工業礦渣一直以來都是自密實混凝土的重要膠凝材料。粉煤灰是火力發電廠生產的工業廢料,也是重要的膠凝材料之一[10-12]。全球每年由煤燃燒產生的廢料約為70億噸,其中約70%(質量分數)是粉煤灰。中國年平均產生8.27億噸粉煤灰,綜合利用量約5.07億噸,綜合利用率約為78%,這些粉煤灰可用于生產混凝土。工業礦渣是由高爐礦渣熔化后在水中浸泡快速冷卻形成的工業固廢[13]。傳統自密實混凝土因需添加較多的化學外加劑和水泥,生產成本較高。而研究表明,使用粉煤灰和工業礦渣生產的自密實混凝土具有三個方面的優點:一是可減少水泥和水用量,增加混凝土的施工性能和后期強度[7],提高其結構工作性能和耐久性能[14-15];二是粉煤灰和工業礦渣可增加混凝土拌合物的坍落擴展度,減少水泥、砂和其他填料的用量,從而降低生產成本[16];三是粉煤灰和工業礦渣等工業固廢粉末代替普通水泥可減少增加混凝土黏度的化學外加劑用量,其混凝土具有較低水膠比和更完整的內部結構,且強度和耐久性得到提升[17-18]?？梢?摻入粉煤灰和工業礦渣是降低自密實混凝土成本的有效途徑。

工業固廢如何處置是目前全球面臨的重要環境問題之一[19]。工業固廢資源化再利用是解決該問題的有效方法和途徑,有利于節約能源、保護環境、促進經濟發展[20]。部分工業廢料,例如大理石工業廢料、石粉、煤矸石等經粉碎、加工后可用于生產自密實混凝土。研究表明,石灰粉末具有較高的比表面積,可增加混凝土使用年限,降低生產成本,減少環境負荷。石灰粉末還可用作填充材料,改善新拌混凝土的工作性能和穩定性。大理石粉末作為填充材料用于制備自密實混凝土是可行且十分經濟的方法,該類混凝土表現出較好的工作性能[21-22]。已有研究[23]表明,當大理石粉末用量低于200 kg/m3時,混凝土的流動性和硬化后的性能可以得到改善。煤矸石中活性二氧化硅和氧化鋁可與水泥發生反應,從而改善混凝土的微觀結構和力學性能。李燕等[24]研究表明,煤矸石和礦渣在煤矸石-礦渣-水泥的三元膠凝體系中水化程度較高;郭金敏[25]采用煤矸石代替碎石和粉煤灰,得到了復摻煤矸石混凝土的可行材料配比。但是,煤矸石的強度較低,作為粗骨料制備混凝土會降低混凝土的抗壓強度[26]。

自密實混凝土具備兩個相互矛盾的特性:抗離析性能和流動性。常通過高效減水劑的分散作用和外加的填充材料中微細顆粒的凝聚力來實現兩種特性之間的平衡。而這種平衡機制與工業廢渣細粉的物理特性和化學反應程度有關[27],且很大程度上取決于外加劑表面活性以及細微材料較高的比表面積。工業固廢經粉碎加工成粉末后具有較高的比表面積和較好的表面活性,可與水泥等材料發生水化反應,提高自密實混凝土性能。因此,制備自密實高性能混凝土中摻入工業固廢粉末或許是一種有效的方法。這樣一來,既可利用不同工業固廢粉末改善混凝土的微觀結構和力學性能,又可以保證自密實混凝土的施工性能,同時降低生產成本。但因不同工業固廢粉末制備及其對自密實混凝土性能作用研究有限,其改善效果和內在機理仍有待進一步研究。

本研究通過摻入不同質量的粉煤灰、礦渣粉末、石灰粉末、煤矸石粉末,以及大理石粉末取代水泥,配制出了不同配比的自密實高性能混凝土。在此基礎上,對不同配比自密實高性能混凝土的各項性能進行綜合測試,包括坍落擴展度、T50流動時間、L型和V型儀流動時間。并對不同配比混凝土的力學性能和耐久性進行了測試和評估,旨在配制出綜合性能優良的自密實高性能混凝土(文中簡稱混凝土),探明不同工業固廢粉末改進混凝土性能的內在機理。

1 實 驗

1.1 試驗材料

參考《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)[28]配制混凝土。選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,其28 d抗壓強度為48.3 MPa,比表面積為399.6 m2/kg。細骨料和粗骨料分別選用天然河砂和平均直徑為10.3 mm的碎石,河砂的質量分數和吸水率分別為2.59%和1.44%,碎石的質量分數和吸水率分別為2.73%和0.22%。減水劑選用上海某品牌530P型聚羧酸高效減水劑,外觀為白色粉末狀,減水效率為30%。此外,不同配比拌合料分別添加了粉煤灰、礦渣、石灰粉末、煤矸石粉末以及大理石粉末等工業固廢粉末。粉煤灰為F類II級粉煤灰,需水量為90%(質量分數),28 d活性指數為75%;礦渣由東莞市某水泥廠提供;石灰粉末為采石場破碎機廢料,從采石場破碎機過濾系統收集得到;煤矸石由韶關市某煤矸石粉加工廠提供;大理石粉末由東莞市某大理石廠提供,未經其余加工程序直接摻入混凝土拌合料中。各主要原材料化學成分和物理性能如表1和表2所示。

表1 主要原材料的主要化學成分Table 1 Main chemical composition of main raw materials

表2 主要原材料物理特性Table 2 Physical properties of main raw materials

1.2 配合比

共配制了16組不同配比的混凝土拌合料,其中一組為對照組,其余15組拌合料分別摻入了不同質量的工業固廢粉末,詳細參數如表3所示。其中,粉煤灰取代水泥的質量分數分別為15%、25%和35%;礦渣取代水泥的質量分數分別為20%、40%和60%;石灰粉末、煤矸石粉末和大理石粉末取代水泥的質量分數分別為10%、20%和30%。所有拌合料水膠比取定值0.33,每立方米混凝土的水泥和固廢粉末的總質量為580 kg。

表3 混凝土的配合比Table 3 Mix proportion of concrete

1.3 制作、養護及力學性能試驗

參考《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)[29]澆筑100 mm×100 mm×100 mm立方體試件,用于測試混凝土的抗壓強度、彈性模量、密度和超聲波波速。同時,對新拌混凝土的坍落擴展度和T50流動時間進行測量,并借助L型儀和V型儀進行混凝土的抗離析試驗,以評估混凝土的流動性和抗離析性能。澆筑成型后,將試件放到自然環境下養護24 h,拆模后放入標準養護室(20 ℃和相對濕度60%),養護7 d后測試混凝土的抗壓強度和超聲波波速,養護28 d后測試混凝土的抗壓強度、超聲波波速、密度和彈性模量。

參考《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)[30]制作175 mm(上口直徑)×185 mm(下口直徑)×150 mm(高度)的圓臺體試件,試件的澆筑和養護條件與立方體試件相同。待試件終凝后,采用逐級加壓法測試混凝土的抗水滲透性能。具體過程為將試件分別放置在0.1 MPa水壓下48 h,0.3 MPa水壓下24 h和0.7 MPa水壓下24 h,然后將試件劈開觀測其滲透深度。

參考《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)制作100 mm(直徑)×50 mm(厚度)的圓柱體試件,測試混凝土的抗氯離子滲透性能。將試件放在電壓為60 V的儀器設備下6 h,由測得的通電量來評定混凝土抗氯離子滲透性能。

2 結果與討論

2.1 施工性能

2.1.1 流動性

與常規混凝土相比,自密實混凝土更關注拌合物的流動性、抗離析性能和填充性。為了評估不同配比混凝土拌合物的施工性能,通過試驗測試了各拌合料的坍落擴展度和T50流動時間,并開展了V型儀和L型箱流動儀的抗離析試驗。其中,T50時間指坍落擴展度桶提起后混凝土流動至50 cm的所需時間,可反映混凝土的流動能力和塑性屈服能力。圖1為各混凝土拌合料的坍落擴展度,表征了混凝土拌合物在沒有外部約束存在的情況下,僅依靠其自重作用克服表面摩擦力的流動性能。為了揭示不同工業固廢粉末對混凝土流動性的影響機理,圖2給出了不同工業固廢粉末的SEM照片。

圖1 不同工業固廢粉末在不同取代率下的混凝土坍落擴展度Fig.1 Slump flow of concrete with various industrial solid waste powders at different replacement rates

圖2 不同工業固廢粉末的SEM照片Fig.2 SEM images of various industrial solid waste powders

綜合圖1和圖2可知:1)不同配比混凝土拌合料的坍落擴展度介于680～760 mm,說明所配制的不同配比混凝土拌合料均表現出良好的施工性能。2)FMH35坍落擴展度達到了750 mm,流動性最好。表明與其他固廢粉末相比,粉煤灰更有利于提高混凝土的流動性。這是因為混凝土的流動性主要取決于組成顆粒的形狀、顆粒堆積效應、顆粒大小分布,以及表面紋理的粗糙程度。與其他粉末相比,粉煤灰顆粒為球形,在接觸點具有“滾軸效應”,可有效減少骨料-漿料之間的摩擦[31]。此外,粉煤灰密度相對較小,替代水泥后導致水泥漿體體積增大,進一步減小了細集料與水泥漿體之間的摩擦,提高了拌合物的塑性和凝聚力,從而提高了混凝土的流動性。3)與粉煤灰相比,摻入其他固廢粉末的混凝土流動性相對較差。因為石灰粉末、煤矸石粉末以及大理石粉末為塊狀或三角形,不利于提高混凝土的流動性。

2.1.2 抗離析性能

為了評估混凝土的抗泌水抗離析性能,圖3給出了混凝土拌合料的V型儀流動時間與T50流動時間之間的關系。V型儀流動時間在坍落擴展度一定的情況下可用于評價混凝土的黏性,流動時間越長表示混凝土黏性越高,抗離析性能越好。而且,T50流動時間與V型儀的流動時間的預測結果具有良好的相關性。

圖3 混凝土拌合料的V型儀流動時間與T50之間的關系Fig.3 Relationship between V-shaped flow time and T50 of concrete mixer material

由圖3可知,與其他拌合料相比,摻入礦渣的混凝土拌合料KZ60的黏性和V型儀流動時間最少。對于自密實混凝土,其V型儀流動時間的下限和上限分別為11和15 s,而本文混凝土拌合物的V型儀流動時間測試值介于9.34～16.97 s?？梢?所配制的混凝土拌合料均具有良好的黏度和抗離析性能。T50流動時間測試值介于2～5 s,因此,自密實混凝土T50流動時間下限和上限建議值為2和5 s。

2.1.3 填充性

L型儀測試結果用L(即h2/h1,h1為混凝土拌合物在L型儀中停止流動后,豎向箱體內混凝土拌合物的高度,h2則為L型儀水平向箱體內混凝土拌合物的高度。)值表示,L值可以表征自密實混凝土填充性。圖4給出了添加了不同工業固廢粉末混凝土拌合料的L值。L值低于0.8的自密實混凝土澆筑時容易出現堵塞現象,填充性較差。試驗結果表明,增加固廢粉末摻量會使混凝土的黏性增加,填充性下降。而本研究所配制的混凝土的L值均為0.8～1.0,說明工業固廢粉末摻量在允許范圍之內,混凝土的填充性滿足施工要求。因而,所配制的混凝土均具有良好的填充性。

圖4 不同工業固廢粉末摻雜的混凝土的L值Fig.4 L value of concrete with various industrial solid waste powders

2.2 耐久性

對混凝土的抗氯離子滲透性能和抗水滲透性能進行了測試。用6 h內通過混凝土的總電荷量作為評定抗氯離子滲透性能的衡量標準,試驗結果如圖5(a)所示。用滲水深度來評估混凝土的抗滲性能,試驗結果如圖5(b)所示。

圖5 不同工業固廢粉末在不同取代率下的混凝土耐久性Fig.5 Durability of concrete with versus industrial solid waste powders at different replacement rates

由圖5(a)可知,除石灰粉末外,隨著固廢粉末摻量的增加,混凝土的抗氯離子滲透率均呈上升趨勢。摻礦渣的混凝土拌合料KZ60總通電量為120 C,其氯離子滲透率最低。依據ASTM—C1202[32],該混凝土的氯離子滲透等級為“極低”?；炷恋膬炔拷Y構是影響氯離子滲透性能的關鍵,孔隙更小、更密實的內部結構降低了孔隙通道的連續性。相比于其他拌合料,摻入粉煤灰和礦渣的混凝土表現出更低的氯離子滲透率,表明該類混凝土中火山灰反應的生成物更容易形成不連續的內部結構[33]。此外,氯離子滲透率還取決于混凝土的組成材料與氯離子的結合能力。氯化物在混凝土中滲透路徑與自由水或連通的孔隙基本一致。部分氯化物可以與水泥(主要是水泥中的鋁酸三鈣(C3A))發生反應,形成穩定的氯離子復合物,而過剩的氯化物才是導致鋼筋等腐蝕的主要原因。摻入粉煤灰和礦渣將導致C3A含量增加,因為拌合物中存在過多的氧化鋁,經過火山灰反應后形成了水合硅酸鈣,增加了硅酸鈣的含量[34]。由此推斷,摻入粉煤灰和礦渣可以提高混凝土自由氯離子的結合能力,從而減少自由氯離子對鋼筋的腐蝕。再者,隨著氧化鋁含量的增加,混凝土總電荷量減少。因而,增加粉煤灰和礦渣的摻量(氧化鋁含量增加),混凝土表現出更好的抗氯離子滲透性能。

由圖5(b)可知,混凝土透水深度試驗結果介于4.42～12.58 mm。與其他拌合料相比,對照組、FMH15和KZ20的滲水深度相對較小,其中KZ20的滲水深度最小。此外,增加礦物粉末的摻量,混凝土的滲水深度也隨之增加,抗滲性能下降。這是因為滲透試驗是在試件養護28 d后進行,此時混凝土中火山灰反應還沒有完全結束,生成的二次水合產物不足以填充更多的孔隙[35]。而FMH15和KZ20可通過其他水化產物來填充孔隙,抗滲性能更好。

2.3 力學性能

本研究測試了16組不同配比混凝土硬化后的性能,包括混凝土28 d密度、7和28 d抗壓強度和超聲波波速。表4列出了混凝土密度、抗壓強度和超聲波波速測試結果,圖6給出了混凝土抗壓強度的測試結果。

圖6 不同工業固廢粉末在不同取代率下的混凝土7和28 d抗壓強度Fig.6 7 and 28 d compressive strength of concrete with various industrial solid waste powders at different replacement rates

表4 混凝土物理和力學性能Table 4 Physical and mechanical properties of concrete

結合表4和圖6可知:1)混凝土的抗壓強度隨著固廢粉末摻量增加均呈下降的趨勢,未摻固廢粉末的混凝土7 d抗壓強度高于摻有固廢粉末的混凝土。說明在混凝土硬化過程早期,粉煤灰和礦渣的火山灰反應不足以提高混凝土抗壓強度。2)在硬化過程后期,混凝土的火山灰反應逐漸完成,因而摻入礦渣的混凝土的28 d抗壓強度最高。原因是粉煤灰和礦渣粉末填補了水泥顆粒之間的空隙,并與初級水化產生的石灰發生了沸石反應,生成了更多的次級水合物進一步填充結構孔隙,從而提高混凝土的抗壓強度。而摻有石灰和煤矸石粉末的混凝土生成的次級水合物較少,其抗壓強度較低。3)摻入石灰粉末顯著降低了混凝土的抗壓強度,30%石灰摻量混凝土的7和28 d抗壓強度分別降低了15.3%和20.8%。4)摻入大理石粉末混凝土的早期性能最好。一方面,大理石粉末具有更好的物理特性,添加大理石粉末后混凝土基體的密度更高、水泥顆粒分散性更好,可有效提高混凝土前期的抗壓強度。另一方面,大理石粉末表面可作為Ca(OH)2和C-S-H(水化硅酸鈣)早期反應產物的成核點[36-38],大理石粉末是最細的外加固廢粉末,核晶效應對強度的影響程度取決于填料與水泥水化產物之間的親和力,且這種影響程度會隨填料的細度和比表面積的增加而增加。大理石粉末是一種非全完活性也非全惰性的材料,可與水泥中的Al2O3發生反應。若水泥中含有較多的C3A,則大理石粉末中的CaCO3與C3A發生水化反應產生碳鋁酸鈣(CaAl2(CO3)2(OH)4·nH2O)。這種反應加速了水化反應進程,增加了混凝土的抗壓強度。而且這種反應會隨著水泥中C3A含量、填料的細度和比表面積的增加而增加,因而摻入大理石粉末可大幅改善自密實混凝土的早期性能。

圖7為混凝土的抗壓強度與超聲波波速的關系。由圖可知,超聲波波速與抗壓強度的變化規律基本一致,所有試件的超聲波波速隨抗壓強度的增加而增加。也就是說,混凝土的抗壓強度和超聲波波速具有顯著相關性(判定系數R2=0.87)。圖8為混凝土的靜態和動態彈性模量?；炷恋膭討B彈性模量可通過靜態彈性模量換算得到,計算公式為

圖7 混凝土抗壓強度與超聲波波速的關系Fig.7 Relationship between compressive strength and ultrasonic velocity of concrete

圖8 混凝土的靜態和動態彈性模量Fig.8 Static and dynamic elastic modulus of concrete

Ed=105×V2×(Δ/g)

(1)

式中:Ed為動態彈性模量,GPa;V為超聲脈沖速度,m/s;Δ為拌合料單位質量,kg/cm3;g為重力加速度,取值9.81 m/s2。

試驗結果表明:自密實高性能混凝土的靜態和動態彈性模量隨混凝土強度增加而增加,這與常規振搗混凝土類似[39];摻入礦渣混凝土(如KZ20)的靜態和動態彈性模量最高,明顯高于同等摻量的其他混凝土。

3 結 論

1)所配制的混凝土拌合料均具備良好的流動性、填充性和抗離析性能。摻入粉煤灰有利于提高混凝土的流動性,60%粉煤灰摻量的混凝土坍落擴展度達到750 mm。而增加固廢粉末摻會導致混凝土的黏性增加,填充性下降。自密實混凝土中粉煤灰和石灰粉末的允許摻量分別為35%和60%,煤矸石、石灰和大理石粉末的允許摻量為30%。

2)除石灰粉末外,隨固廢粉末摻量增加,混凝土抗氯離子性能呈上升趨勢。增加粉煤灰和礦渣摻量,混凝土表現出更好的抗氯離子滲透性能。除摻入少量的礦渣(20%摻量)和粉煤灰(15%摻量)外,混凝土滲水深度總體上隨工業固廢粉末摻量的增加而增加,抗滲性能隨之降低。

3)混凝土早期和后期抗壓強度隨固廢粉末摻量的增加而降低,摻入石灰粉末的混凝土抗壓強度下降最明顯,摻入30%石灰粉末混凝土7和28 d抗壓強度分別降低了15.3%和20.8%。隨著硬化過程中火山灰反應逐漸完成,摻入礦渣的混凝土后期抗壓強度最高,而摻入大理石粉末的混凝土早期強度更好。此外,摻入礦渣混凝土的靜態和動態彈性模量最好。