林錦眉，張 波

(廣東工業(yè)大學 華立學院，廣東 廣州 511325)

0 前 言

高強混凝土為抗壓強度超過60 MPa的混凝土，具有抗壓強度高、抗變形能力強、密度大、孔隙率低的特點[1]。但隨著社會生態(tài)環(huán)境惡化、建筑要求逐漸嚴格、建筑難度不斷增大等外在因素影響，現有的高強混凝土耐久性難以滿足建筑需求，因此將錳渣摻入到高強混凝土制備物料中，通過研究錳渣摻量對高強混凝土性能的影響規(guī)律，設置錳渣摻量最優(yōu)配比。錳作為國家重要的戰(zhàn)略資源之一，現階段使用廣泛，但隨之而來產生了大量的錳渣，這些呈酸性或弱酸性的錳渣作為廢棄物，對自然環(huán)境有惡劣影響。因此相關學者根據錳渣研究其化學成分，發(fā)現通常情況下的錳渣含有Ca、Mn、Si以及S等元素，還有少量的Cr、Cu以及Zn等元素，因此提出將錳渣摻入到高強混凝土制備物料中，減少污染廢棄物的同時，增強高強混凝土的性能[2-3]。

1 錳渣摻量對高強混凝土性能的影響

1.1 材料準備

選擇原材料包括水泥、砂子、石子、水、減水劑、粉煤灰以及錳渣，以強度、易性、耐久性和安全性作為制備試件的基本要求，按照表1設置的比例，制備高強混凝土試件。

表1 高強混凝土試件配比方案

按照上表1對混合物料進行稱重，然后混合制備高強混凝土混合物料，將其倒入混凝土制備模具中，通過震動充分混合物料，并保證物料填充均勻，再抹平表層，對試件進行整體養(yǎng)護，養(yǎng)護結束后拆模，進行二次養(yǎng)護，完成對高強混凝土試件的制備[4]。高強混凝土試件制備過程如圖1所示。

圖1 高強混凝土試件制備過程

測試共制備10個高強混凝土試件，每兩個試件為一組，一個用來進行實驗，一個作為備用。實驗準備完畢后，開始對高強混凝土耐久性進行測試。

1.2 高強混凝土耐久性第1階段測試

將制備完畢的試件，放在(20±1)℃的水中浸泡4 d，參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，當試件齡期為28 d時，采用快凍法進行凍融循環(huán)試驗，試驗將快速凍融試驗機的最高溫度設置在5℃，最低溫度設置在-20℃，共凍融循環(huán)300次，測試開始之前，每凍融循環(huán)50次，測定一次質量和橫向基頻，并根據下列公式，計算凍融后，試件的質量損失和相對動彈性模量[5]。

(1)

式(1)中：Ln表示n次凍融循環(huán)后，混凝土試件的平均質量損失率，%；ΔLni表示第i個混凝土試件的質量損失率，%；L0i表示凍融循環(huán)試驗開始之前，試件的質量，g；Lni表示凍融循環(huán)結束后，試件的質量，g。

式(2)中：E表示n次凍融循環(huán)后，高強混凝土試件的相對動彈性模量，%；Ei表示第i個混凝土試件的相對動彈性模量，%；pni表示混凝土試件的橫向基頻，Hz；p0i表示凍融循環(huán)試驗開始之前，混凝土試件橫向基頻初始值，Hz。根據上述內容進行高強混凝土試件的快速凍融試驗。

以上一階段試驗條件為參考，將試件真空保水后，進行電通量試驗，向與電源正極相連接的試驗槽內，注入摩爾濃度為0.3 mol/L的NaOH溶液；再向與電源負極相連接的試驗槽內，注入濃度為3%的NaCL溶液，注意要保證溶液充滿試驗槽后再接通電源。測試記錄電流初始數值，然后每間隔10 min記錄一次，直至試驗滿6 h。該期間內的電通量值，可利用下列公式進行計算[6]。

D=900(A0+2A30+2A60+…+2A330+A360)

(3)

式(3)中：D表示通過試件的總電通量；A0表示初始電流。下圖2為兩組測試使用的試驗裝置實物圖。

圖2 試驗裝置

利用上述設備開始實驗，下圖3為5組高強混凝土試件，進行凍融循環(huán)后的表層形態(tài)變化過程。

圖3 凍融循環(huán)測試結果

根據圖3測試結果可知：試件1、2、3的凍融次數為50次時，混凝土表層開始出現細紋與孔隙；當凍融次數達到150次時，則開始掉渣，混凝土表層出現塊狀脫落現象；當凍融循環(huán)次數達到300次時，試件1、2、3均橫向裂縫。而試件4、5在初始凍融階段的變現與前3組試件并無明顯差異，當凍融次數達到100次時，試件4的細紋與孔隙擴大，試件5則出現了掉渣的情況；當凍融次數達到200次時，試件4、5出現橫向裂縫。

根據表1中的數據可知：5組試件的錳渣配比不一致，試件4的錳渣配比最?。辉嚰?的錳渣配比最大；前3組試件的錳渣配比一致。再測試試件的相對動彈性模量。結果如下圖4所示。

圖4 高強混凝土凍融相對動彈性模量變化

根據圖中曲線變化趨勢可知：300次凍融循環(huán)測試下，試件1、2、3的相對動彈性模量最小值在50%～60%之間，而試件4在第300次凍融循環(huán)測試后，其相對動彈性模量僅為37.25%，試件5其相對動彈性模量僅為32.67%。相比之下，前3個高強混凝土的性能更佳。因此根據此次測試結果初步判斷，錳渣配比影響高強混凝土性能。

1.3 錳渣摻量對高強混凝土性能的影響規(guī)律分析

根據上一節(jié)測試結果，分析錳渣摻量對高強混凝土性能的影響規(guī)律。首先，分析錳渣對高強混凝土干燥收縮性能的影響。當混凝土在不飽和的空氣中，失去孔隙和凝膠孔中的吸附水時，會造成高強混凝土干燥收縮[7]。下圖5為根據試驗測試得到的混凝土干燥收縮性能分析結果。

圖5 混凝土干燥收縮性能

已知錳渣在早期過程中，其活性相對較低，水化速度偏慢，因此初始階段的混凝土水分含量較大，在干燥的測試環(huán)境中，其收縮相對較大。但錳渣充分發(fā)揮其活性后，填充了混凝土中的孔隙，彌補因水分過大出現的部分收縮現象，因此控制了混凝土的干燥收縮值。根據圖5曲線可知：由于試件4的錳渣摻量配比較小，導致混凝土干縮值極低，造成混凝土試件的牢固性下降；試件5由于錳渣摻量配比較大，導致混凝土過度干縮，造成了試件快速斷裂。而前3組試件的錳渣摻量配比最為適中，因此其干燥收縮性能相對最佳，延長了試件的使用時間。

混凝土中抗氯離子的滲透性混凝土中抗氯離子的滲透性直接體現了混凝土的空隙度情況，當抗氯離子滲透性較高時，說明混凝土的孔隙度較小，混凝土的密實度較好[8]。下圖6為混凝土抗氯離子滲透性能分析結果。

圖6 混凝土抗氯離子滲透性能

根據圖中統(tǒng)計結果可知：試件1、2、3在6 h內的平均通過電量約為4 226 C，比試件4降低了近1 500 C，比試件5降低了近1 700 C。而因為混凝土的水灰比較大，因此錳渣混凝土在6 h之間的通過電量，依舊超過4 000 C，屬于氯離子滲透性高的級別?？梢婂i渣摻入混凝土物料中后，錳渣帶來的集料效應和火山灰效應，減少了混凝土的孔隙率，并縮小了空隙直徑，使抗氯離子滲透性能得到提高。

最后分析錳渣摻量對高強混凝土抗碳化性能的影響。當空氣中的二氧化碳與混凝土內部的物質接觸后，發(fā)生的反應就被稱為碳化反應，該反應降低了混凝土的pH值，嚴重影響高強混凝土的耐久性[9]。圖7為5個試件的抗碳化性能分析結果。

圖7 混凝土抗碳化性能

已知混凝土碳化深度隨齡期的增長而增加。根據圖7結果可知：試件1、2、3的碳化深度，與試件4之間相差約3 mm，與試件5之間相差約2.5 mm?？梢婂i渣會使混凝土抗碳化性能有所降低，而不同的錳渣配比，會直接影響高強混凝土的耐久性。

綜合上述3組分析：發(fā)現錳渣摻量配比過大，則高強混凝土的抗碳化性能下降、干燥收縮性能提升、抗氯離子滲透性能提升；錳渣摻量配比過小，則高強混凝土的抗碳化性能提升，而干燥收縮性能與抗氯離子滲透性能下降。因此需要重新調整錳渣摻量配比，同時提升高強混凝土的3項性能。

2 錳渣摻量最優(yōu)配比試驗

2.1 調整錳渣配比

已知了錳渣對高強混凝土性能的影響規(guī)律，利用下列公式計算高強混凝土的抗壓強度，根據該計算結果，重新調整錳渣配比。

式(4)中：λ1、λ2表示回歸系數；Fce表示高強混凝土標準膠砂抗壓強度；Fq表示水灰比為0.5時的28天抗壓強度；q表示材料總量；μ表示水灰比參數；g(X)表示摻合料強度效應函數[10]。利用上述計算結果，綜合表1重新調整錳渣摻量，結果如下表2所示。

表2 調整后的錳渣摻量

以上述數據為基礎，重新制備試驗測試試件，為保證測試結果可靠，擴大第2階段測試的試件個數，因此每組試件的制備數量均為20個，5組總計100個高強混凝土試件。以此分析高強混凝土性能最佳時，錳渣摻量的配比。

2.2 高強混凝土耐久性第2階段測試

此次試驗受測試硬件的限制，設置的水壓力僅能加到4.2 MPa，當水壓力達到4.2 MPa時，同樣的測試組中，表面滲水的試件若少于2個，則證明試件的抗?jié)B等級滿足此次試驗要求。而高強混凝土的抗?jié)B等級，可利用下列公式進行區(qū)分：

B=10G-1

(5)

式(5)中：B表示抗?jié)B等級；G表示有2個及2個以上試件滲水時的水壓。下表3為5組試件中，前10個試件的抗水滲透試驗測試結果。

表3 不同錳渣配比的高強混凝土抗?jié)B透性能測試

根據表3中的測試結果可以看出：當最大水壓力設置在4.2 MPa時，試件1組和試件5組的中的試件，均有2個及2個以上的滲水情況發(fā)生。而試件2、3、4組中的10個混凝土試件，均無滲水情況發(fā)生。為了試驗的嚴謹性，又將試件2、3、4組中的混凝土試件劈開，發(fā)現所有試件均沒有滲水問題。綜合表3數據可知：當錳渣摻量配比在11.5%～13.5%之間時，高強混凝土的抗?jié)B透性最好，可見此時的錳渣摻量為最優(yōu)配比。

再對高強混凝土的碳化深度進行測試，將5組試件的后10個作為測試對象，其碳化深度測試結果，如下表4所示。

表4 不同錳渣配比的高強混凝土抗碳化性能測試

根據表4中的計算結果可知：當錳渣配比越大時，則混凝土碳化深度越深，可見錳渣配比不宜偏高。而試件1與試件2的測試結果相差極小，可見錳渣配比過小，也會加大試件的碳化程度。考量上述測試結果，發(fā)現試件2、3、4組的抗碳化性能最佳，即當錳渣摻量配比在11.5%～13.5%之間時，高強混凝土的抗碳化性能最好。綜合上述測試結果可以印證，將錳渣摻量配比控制在11.5%～13.5%之間時，高強混凝土的耐久性最佳?？梢妼τ诨炷聊途眯詠碚f，11.5%～13.5%的錳渣摻量配比最優(yōu)。

3 結 語

此次提出的試驗，以提高高強混凝土耐久性為研究基礎，但由于高強混凝土還具備抗壓性、抗折性以及抗裂等力學性能，因此得到的錳渣摻量最優(yōu)配比，面對其他性能測試時，可能會出現少許偏差，因此針對這一問題，可以在試驗硬件、試驗時間以及人員均充分的前提下，將此次得到的錳渣最優(yōu)配比應用到高強混凝土的其他性能測試中，若存在偏差，則可以進一步調整高強混凝土的錳渣摻量配比。