劉文亮 張延年 顧曉薇 于 洋 韓 東 姜大偉

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110168;2.東北大學(xué)智慧水利與資源環(huán)境科技創(chuàng)新中心,遼寧 沈陽(yáng) 110819;3.遼寧省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院,遼寧 沈陽(yáng) 110032)

強(qiáng)度及耐久性是混凝土試件重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。混凝土試件暴露在酸性環(huán)境時(shí),地下水和化學(xué)廢水中溶解的酸性物質(zhì)會(huì)侵蝕混凝土基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)件,影響其強(qiáng)度及耐久性,導(dǎo)致維護(hù)成本升高[1-4]。與此同時(shí),鐵礦山尾礦及廢石的大量堆積占用土地資源,對(duì)礦山及其周邊環(huán)境造成極大的危害[5-6]。研究表明[7-10],鐵尾礦SiO2含量較高,可以作為輔助膠凝材料以增強(qiáng)C—S—H的形成,進(jìn)而可以提升混凝土的工作性能。因此,本研究以鐵尾礦復(fù)摻鋼渣[11-12]、脫硫灰[13-15]作為摻合料,鐵尾礦砂及鐵尾礦廢石作為混凝土骨料制備混凝土試塊,研究在醋酸溶液的侵蝕下混凝土試塊的耐酸侵蝕性能。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 試驗(yàn)原料

(1)水泥。取自沈陽(yáng)山水工源水泥有限公司,P·O 42.5級(jí)水泥。

(2)礦物摻合料。試驗(yàn)所用3種礦物摻合料為鐵尾礦(比表面積為1 290 m2/kg)、鋼渣(比表面積為1 022 m2/kg)和脫硫灰(比表面積為 1 869 m2/kg),分別取自遼寧鞍山地區(qū)鐵礦、廣西省天源新能源材料有限公司、河北省石家莊市靈壽縣奧達(dá)耐火材料加工廠,其中鐵尾礦經(jīng)烘干后用球磨機(jī)研磨1.5 h進(jìn)行活性激發(fā)。3種固廢摻合料原料主要化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1,粒度分布曲線見(jiàn)圖1。

表1 原料主要化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of the main chemical composition of the raw materials %

圖1 原料粒度分布曲線Fig.1 Particle size distribution curves of the raw materials

(3)細(xì)骨料。遼寧壹立方砂業(yè)有限公司制備的鐵尾礦砂,顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖2。

圖2 細(xì)骨料顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Gradation curves of fine aggregate particles

(4)粗骨料。遼寧壹立方砂業(yè)有限公司制備的鐵尾礦碎石。所用鐵尾礦碎石分為2種:①粒徑為5～20mm的鐵尾礦碎石1;②粒徑為5～10 mm的鐵尾礦碎石2。在鐵尾礦碎石1篩余試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)小粒徑的石子較少,整體級(jí)配不夠連續(xù),因此用鐵尾礦碎石2對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)足,按照鐵尾礦碎石1和鐵尾礦碎石2的質(zhì)量比為6.5∶3.5進(jìn)行調(diào)整,顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖3。

圖3 粗骨料的級(jí)配曲線Fig.3 Gradation curves of coarse aggregate particles

(5)其他。減水劑選用沈陽(yáng)盛鑫源建材有限公司生產(chǎn)的P-Ⅱ型引氣減水劑;酸采用99.5%濃度的濃醋酸;水為普通自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)及混凝土試塊的制備

混凝土試塊配合比設(shè)計(jì)如表2所示。試驗(yàn)所用的骨料均為鐵尾礦廢石骨料;膠凝材料主要由水泥和摻合料組成,總質(zhì)量為420 kg/m3;G-0為純水泥組;G-1～G-4為鐵尾礦、鋼渣、脫硫灰組成的三元體系,復(fù)摻質(zhì)量比為1∶2∶2,水膠比固定為0.42,水泥替代率分別為10%、20%、30%、40%;G-2、G-5～G-7為鐵尾礦、鋼渣、脫硫灰組成的三元體系,復(fù)摻質(zhì)量比為1∶2∶2,水泥替代率固定為20%,水膠比分別為0.42、0.44、0.46、0.48。

表2 混凝土試塊配合比設(shè)計(jì)Table 2 Mix ratio design of concrete test block

根據(jù)上述混凝土配合比制備立方體混凝土試塊,為保證所有粗、細(xì)骨料具有相同的含水率以減少試驗(yàn)誤差,先將粗、細(xì)骨料置于溫度為105℃的烘箱中烘干24h;然后將烘好的粗、細(xì)骨料投入到攪拌機(jī)中干拌1min,之后加入相應(yīng)質(zhì)量的水泥、摻合料繼續(xù)攪拌1min,再將水與減水劑混合均勻后全部倒入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌2min;接著將攪拌均勻的混凝土拌合物移至100 mm×100 mm×100 mm的模具中,在振實(shí)臺(tái)上振動(dòng)30 s后將其表面刮平;靜置24 h后將試塊脫模并送至養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d,養(yǎng)護(hù)溫度為20±2℃,相對(duì)濕度95%以上。

1.2.2 測(cè)試方法

混凝土立方體試塊的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)進(jìn)行,最終試驗(yàn)結(jié)果乘以0.95,取3次試驗(yàn)的平均值為試塊立方體抗壓強(qiáng)度值。

采用99.5%的濃醋酸配制pH=3的酸性溶液進(jìn)行酸侵蝕試驗(yàn),在侵蝕過(guò)程中,為保持溶液濃度的穩(wěn)定性,每隔7d調(diào)整1次浸泡溶液濃度,調(diào)整之前測(cè)量浸泡溶液的pH值,每隔30 d更換1次浸泡溶液,浸泡周期為60 d,記錄醋酸侵蝕60d后混凝土試塊的表觀劣化情況。將醋酸溶液侵蝕60 d后的試塊取出,擦去表面水分,置于光照中3～5 h,待試件表面干燥、含水量影響較小后,開(kāi)始稱重,計(jì)算并分析試塊的質(zhì)量損失率。將在醋酸溶液中浸泡60 d后并且做完抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試塊剝?nèi)ネ鈱?把1%濃度的酚酞溶液噴涂于表面,觀察其中性化深度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度分析

混凝土試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d及酸侵蝕60 d后的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 混凝土試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d及酸侵蝕60 d后的抗壓強(qiáng)度Fig.4 Compressive strength of concrete specimens after standard curing for 28 days and acid erosion for 60 days

由圖4(a)可知:①隨著水泥替代率的增加,混凝土試塊28 d抗壓強(qiáng)度先上升后下降,當(dāng)水泥替代率為10%時(shí),混凝土試塊28 d抗壓強(qiáng)度值達(dá)到最大值48.1 MPa,較純水泥試塊組(G-0)28 d抗壓強(qiáng)度增加了5.5%,說(shuō)明適當(dāng)摻加礦物摻合料可以提高試塊的抗壓強(qiáng)度。這是因?yàn)?鐵尾礦經(jīng)機(jī)械研磨后比表面積高達(dá)1 290 m2/kg,活性大大提高,配合鋼渣及脫硫灰適當(dāng)摻加可以改善顆粒級(jí)配,產(chǎn)生微集料效應(yīng),試塊的抗壓強(qiáng)度增大;隨著水泥替代率的進(jìn)一步增加,水化產(chǎn)物生成量不足,復(fù)合摻合料體系的火山灰反應(yīng)較弱,試塊的抗壓強(qiáng)度逐漸下降。②隨著水泥替代率的增加,混凝土試塊酸侵蝕60 d的抗壓強(qiáng)度先上升后下降。當(dāng)水泥替代率約為15%時(shí),混凝土試塊28 d的抗壓強(qiáng)度和酸侵蝕60 d的抗壓強(qiáng)度相同;水泥替代率小于15%時(shí),混凝土試塊28 d的抗壓強(qiáng)度大于酸侵蝕60 d的抗壓強(qiáng)度,且在水泥替代率為10%時(shí),混凝土試塊酸侵蝕60 d后的抗壓強(qiáng)度損失了3.7%;水泥替代率大于15%時(shí),混凝土試塊28 d的抗壓強(qiáng)度小于酸侵蝕60 d的抗壓強(qiáng)度,表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐酸侵蝕性能,且在水泥替代率為30%時(shí),混凝土試塊酸侵蝕60 d后的抗壓強(qiáng)度提升了12.3%。這是因?yàn)?水泥替代率小于15%時(shí),水泥用量比重較大,生成的的水化產(chǎn)物形成了更強(qiáng)烈的堿性環(huán)境,促進(jìn)鐵尾礦、鋼渣和脫硫灰的火山灰反應(yīng),反應(yīng)速率太快導(dǎo)致晶體無(wú)序生長(zhǎng)、混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松膨脹,降低混凝土的密實(shí)度,醋酸溶液侵蝕導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度低。水泥替代率大于15%時(shí),隨著摻合料的不斷增加,鋼渣的早期活性較低使得水泥的水化速率降低,減少了混凝土內(nèi)部的孔隙率,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,具有一定活性的鐵尾礦、鋼渣和脫硫灰發(fā)生火山灰反應(yīng),消耗了未水化的顆粒并填充了連通孔隙,且脫硫灰良好的火山灰反應(yīng)能改良混凝土的孔隙率,改善膠凝量和膠凝過(guò)程,填充混凝土試塊中的毛細(xì)管及空隙裂縫,因此,填充作用一定程度上增加混凝土的密實(shí)度,加強(qiáng)混凝土耐酸侵蝕能力,阻礙侵蝕介質(zhì)在混凝土孔隙中的傳輸。隨著水泥替代率的繼續(xù)提高,水化產(chǎn)物的生成量低下,復(fù)合體系抗壓強(qiáng)度逐漸下降。

由圖4(b)可知:①隨著水膠比的增大,混凝土試塊28 d抗壓強(qiáng)度逐漸下降,當(dāng)水膠比為0.42時(shí),混凝土試塊28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值45.4MPa。 這是因?yàn)?混凝土試塊內(nèi)部的水化反應(yīng)需水量較少,過(guò)量的水分蒸發(fā)后將會(huì)在混凝土中留下許多毛細(xì)孔隙,致使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致密,增大了混凝土的孔隙率[16-17],這種現(xiàn)象隨水含量增大將變得更嚴(yán)重,故隨著水膠比的增大試塊的抗壓強(qiáng)度降低。②隨著水膠比的增大,混凝土試塊酸侵蝕60 d后的抗壓強(qiáng)度逐漸下降。當(dāng)水膠比約為0.45時(shí),混凝土試塊28 d的抗壓強(qiáng)度與酸侵蝕60 d后的抗壓強(qiáng)度相同;水膠比小于0.45時(shí),混凝土試塊28 d的抗壓強(qiáng)度小于侵蝕60 d后的抗壓強(qiáng)度,表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐酸侵蝕性能,且在水膠比為0.42時(shí),混凝土試塊酸侵蝕60 d后的抗壓強(qiáng)度提升了2.4%;水膠比大于0.45時(shí),混凝土試塊28 d的抗壓強(qiáng)度大于酸侵蝕60 d后的抗壓強(qiáng)度,且在水膠比為0.48時(shí),混凝土試塊酸侵蝕60 d后的抗壓強(qiáng)度損失了1.9%。這是因?yàn)?水膠比小于0.45時(shí),摻入的鐵尾礦、鋼渣和脫硫灰的粒度十分致密,提高了混凝土的致密度、抗?jié)B性,改善水泥粒子的填充性,并且鐵尾礦的微集料效應(yīng)改善了水泥水化環(huán)境,提高了混凝土均勻性,摻合料的加入彌補(bǔ)了水泥漿與骨料結(jié)合面不良的缺陷,阻礙了醋酸溶液對(duì)混凝土的侵蝕,增大了抗壓強(qiáng)度;隨著水膠比的增大,侵蝕介質(zhì)擴(kuò)散程度越大,擴(kuò)散速度越快,混凝土的抗侵蝕能力下降,導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低,當(dāng)水膠比過(guò)大時(shí),混凝土本身含水量較高,減水劑又將水泥水化生成的絮凝結(jié)構(gòu)中的水釋放出來(lái),體系中將會(huì)存在過(guò)量的水,從而大大增加混凝土結(jié)構(gòu)中的孔隙率,水膠比增大也會(huì)使內(nèi)部二次水化不完全,水化產(chǎn)物的減少導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織稀疏[18],侵蝕介質(zhì)更容易侵入,使得混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度下降。

2.2 表觀劣化分析

酸侵蝕條件下,將酸侵蝕混凝土表面的變化分為3種:開(kāi)始溶蝕、溶蝕加重、出現(xiàn)麻面蝕坑。試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后,開(kāi)始醋酸侵蝕試驗(yàn),記錄醋酸侵蝕過(guò)程中混凝土試塊表觀劣化情況,結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 混凝土試塊表觀劣化Fig.5 Apparent deterioration of concrete test block

由圖5可知,在醋酸溶液侵蝕前期,混凝土試塊表面開(kāi)始出現(xiàn)溶蝕,試塊出現(xiàn)不同程度的漿液下流;隨著時(shí)間的推移,混凝土試塊表面溶蝕逐漸加重,水化產(chǎn)物逐漸與醋酸反應(yīng)生成可溶性鹽,同時(shí)試塊的陽(yáng)角邊處不同程度受到酸的侵蝕,整體形狀變得不規(guī)則;隨著侵蝕的不斷進(jìn)行,試塊表面出現(xiàn)不同程度的麻面蝕坑,且麻面整體比較密實(shí)。隨著醋酸溶液中的醋酸根離子在混凝土試塊中的擴(kuò)散,試塊表面被醋酸侵蝕后形成的可溶性鹽流失在侵蝕溶液中,這是導(dǎo)致混凝土表觀被破壞的主要原因,但混凝土試塊整體抗侵蝕性能良好,表面未出現(xiàn)大裂縫及較深的蝕坑。

2.3 質(zhì)量損失率分析

酸溶液侵蝕混凝土試塊的表觀變化過(guò)程中,混凝土試塊表面會(huì)出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象,這種溶蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)意味著混凝土試塊的質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化,質(zhì)量的變化在一定程度上反映出試塊受侵蝕程度的大小,混凝土試塊酸侵蝕60 d后的質(zhì)量損失結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 混凝土試塊酸侵蝕60 d后的質(zhì)量損失Table 3 Mass loss of concrete specimens after acid erosion for 60 days

由表3可知,水膠比一定時(shí),水泥替代率為10%、20%、30%、40%的混凝土試塊質(zhì)量分別損失了1.07%、0.87%、0.47%、0.76%,水泥替代率為30%時(shí)達(dá)到最小的質(zhì)量損失,而純水泥組(G-0)混凝土試塊質(zhì)量損失了2.49%。對(duì)比G-0組,復(fù)合摻合料組的質(zhì)量損失率整體較小,從結(jié)果上看,復(fù)合摻合料組降低了混凝土試塊的質(zhì)量損失,具有一定的耐酸侵蝕性能。

由表3還可知,水泥替代率一定時(shí),水膠比為0.42、0.44、0.46、0.48 的混凝土試塊的質(zhì)量分別損失了0.87%、0.87%、0.92%、0.99%,質(zhì)量損失率逐漸上升,這是因?yàn)?隨著水膠比的增加,游離的水分增多,混凝土試塊結(jié)構(gòu)越不致密,侵蝕介質(zhì)較容易滲透,降低混凝土試塊的質(zhì)量。但是與純水泥組(G-0)混凝土試塊的質(zhì)量損失相比,復(fù)合摻合料組的質(zhì)量損失率整體較小,從結(jié)果上看,具有一定的耐酸侵蝕性能。

2.4 中性化深度分析

中性化深度值是反映混凝土受酸侵蝕程度的一個(gè)重要指標(biāo),它直接決定著混凝土的耐久性。將在醋酸溶液中浸泡60 d后并且做完抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試塊剝?nèi)ネ鈱?把1%濃度的酚酞溶液噴涂于表面,混凝土試塊酸侵蝕60 d后的中性化深度結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 混凝土試塊酸侵蝕60 d后的中性化深度Fig.6 Results of neutralization depth of concrete specimens after acid erosion for 60 days

由圖6(a)可知,水膠比一定,水泥替代率為10%、20%、30%、40%時(shí),混凝土試塊的中性化深度分別為2.3 mm、1.8 mm、1.5 mm、1.9 mm,水泥替代率為30%時(shí)中性化深度值最小,而純水泥組混凝土試塊的中性化深度為2.8 mm,對(duì)比純水泥組,復(fù)合摻合料組的中性化深度整體較小,從結(jié)果上看,復(fù)合摻合料組降低了混凝土試塊的中性化深度,具有優(yōu)于純水泥混凝土試塊的耐酸侵蝕性能。

由圖6(b)可知,水泥替代率一定,水膠比為0.42、0.44、0.46、0.48 時(shí),混凝土試塊的中性化深度分別為1.8 mm、2.0 mm、2.1 mm、2.3 mm,中性化深度逐漸增加,主要由于水膠比的增大,提高了混凝土試塊的孔隙率,侵蝕介質(zhì)通過(guò)孔隙與堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),致使混凝土試塊的中性化深度增加。但是與純水泥組試塊的中性化深度相比,復(fù)合摻合料組的中性化深度整體較小,從結(jié)果上看,復(fù)合摻合料組具有優(yōu)于純水泥混凝土的耐酸侵蝕性能。

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)水膠比一定、水泥替代率為10%時(shí),混凝土試塊28 d的抗壓強(qiáng)度最高,且高于純水泥混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度;當(dāng)水泥替代率一定,水膠比為0.42時(shí),混凝土試塊28 d的抗壓強(qiáng)度最高。經(jīng)研磨后的鐵尾礦活性大大提高,配合鋼渣及脫硫灰適當(dāng)摻加可以改善顆粒級(jí)配,產(chǎn)生微集料效應(yīng),使得混凝土抗壓強(qiáng)度增大。

(2)當(dāng)水膠比一定、水泥替代率大于15%時(shí),特別是在30%時(shí),酸侵蝕60 d后的混凝土強(qiáng)度增加率最大,表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐酸侵蝕性能;當(dāng)水泥替代率一定、水膠比小于0.45時(shí),特別是在0.42時(shí),酸侵蝕60 d后的混凝土強(qiáng)度增加率最大,表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐酸侵蝕性能。

(3)當(dāng)水膠比一定、水泥替代率為30%時(shí),達(dá)到最小的質(zhì)量損失;當(dāng)水泥替代率一定、水膠比為0.42時(shí),達(dá)到最小的質(zhì)量損失;且均小于純水泥混凝土試塊的質(zhì)量損失。鐵尾礦、鋼渣、脫硫灰所組成的復(fù)合體系降低了混凝土質(zhì)量損失率,具有一定的耐酸侵蝕性能。

(4)復(fù)合摻合料體系使得混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密、孔隙細(xì)化,有效地阻礙了醋酸溶液對(duì)混凝土的侵蝕,降低了混凝土試塊的中性化深度?？傮w上看,鐵尾礦、鋼渣、脫硫灰灰復(fù)摻制備的混凝土,具有優(yōu)于純水泥混凝土的耐酸侵蝕性能。