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        不同降堿方式對生態(tài)混凝土性能的影響研究

        2022-10-22 05:20:42蘇新文
        西部交通科技 2022年7期
        關(guān)鍵詞:混凝土效果生態(tài)

        蘇新文

        (廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200)

        0 引言

        公路運(yùn)輸作為交通體系中不可或缺的重要部分,在近年來發(fā)展迅速?;炷敛牧媳粡V泛應(yīng)用于公路建設(shè)中,其在滿足公路建設(shè)的同時也給公路蒙上了一抹“灰色”,不僅不美觀也不利于綠色公路理念的推廣。隨著社會對環(huán)保的重視,公路建設(shè)領(lǐng)域開發(fā)出一種既滿足混凝土性能要求又滿足綠色理念的生態(tài)混凝土。生態(tài)混凝土是一種只由粗骨料、膠結(jié)材料和外加劑等組成,依靠膠結(jié)材料的膠結(jié)作用,與粗骨料共同作用而形成整體,并具有生態(tài)效果的新型環(huán)保產(chǎn)品[1]。

        由于低堿度對生態(tài)混凝土的植生環(huán)境有利,而高堿性是水泥水化和硬化過程的必然結(jié)果,所以生態(tài)混凝土的降堿處理,一直以來都是學(xué)者們的研究熱點(diǎn)[2-3]。通常情況下,生態(tài)混凝土的降堿方式有物理方式、化學(xué)方式和其他方式:物理方式是從源頭出發(fā),降低堿性物質(zhì)的析出;化學(xué)方式是以酸堿中和為原理,采用化學(xué)試劑中和孔隙中的堿性物質(zhì);其他方式包含外摻料、農(nóng)藝法和土壤整治等。由于生態(tài)混凝土制備所需原材料、配合比和控制參數(shù)等各異,行業(yè)內(nèi)尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的降堿方式,不利于生態(tài)混凝土在護(hù)坡工程中的應(yīng)用。因此,本文在充分調(diào)研生態(tài)混凝土各類降堿方式的基礎(chǔ)上,分別采用物理、化學(xué)和外摻三種降堿方式,對生態(tài)混凝土開展降堿處理及性能測試,通過綜合分析不同降堿方式下生態(tài)混凝土性能變化,為工程技術(shù)人員優(yōu)選降堿方式提供依據(jù)。

        1 降堿試驗

        1.1 降堿概述

        總體來說,生態(tài)混凝土屬于混凝土材料,而混凝土材料pH值偏高的原因主要可以歸結(jié)為水泥拌和后,礦物與水產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),其化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生氫氧化鈣,一部分氫氧化鈣在混凝土空隙中堆積,且氫氧化鈣中堿性的(OH)-2離子在綠植生存環(huán)境中致使pH值偏高,從而不利于栽培于生態(tài)混凝土中的植物生長。在降低生態(tài)混凝土堿度的同時,首要遵循的條件是保證混凝土強(qiáng)度滿足工程需求,如若降堿處理后混凝土的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于降堿前的強(qiáng)度,則失去了混凝土穩(wěn)定邊坡、保證耐久性的作用。降堿方式的選擇還應(yīng)切實考慮經(jīng)濟(jì)效益和可操作性,在滿足需要的同時盡量選取現(xiàn)場操作容易的方式。本試驗分別采用物理方式、化學(xué)方式和摻料方式開展混凝土降堿處理。

        項目背景為廣西融水至河池高速公路邊坡防護(hù)工程,該工程擬應(yīng)用低堿度生態(tài)混凝土作為邊坡防護(hù)材料。為了對邊坡防護(hù)工程所用生態(tài)混凝土降堿方式提供優(yōu)選參考,本試驗采用3種不同方式對生態(tài)混凝土進(jìn)行降堿處理,處理時以不同劑量對比降堿效果,選取各自最佳的降堿方案,隨后測試在最佳降堿方案下各對應(yīng)塊的抗壓強(qiáng)度,以研究不同降堿方式的效果。

        1.2 試驗原材料

        生態(tài)混凝土試驗所需水泥為P·O 52.5硅酸鹽水泥,各項組成參數(shù)滿足規(guī)范要求,如表1所示。由于生態(tài)混凝土基體屬大孔隙混凝土,所以粗骨料粒徑范圍在10~20 mm,具體性能指標(biāo)如表2所示,其各項參數(shù)符合規(guī)范要求。為達(dá)到更好的試驗效果,減水劑參考前人研究[4],采用聚羧酸減水劑,減水率為25%。由于降堿工作控制參數(shù)精密,故經(jīng)過篩選和材料測試,生態(tài)混凝土降堿試驗原材料分為液體硅烷透明試劑、白色固體檸檬酸粉末和粉煤灰。

        表1 水泥原材料主要化學(xué)成分表

        表2 粗骨料性能指標(biāo)表

        1.3 試件制備與測試

        基于現(xiàn)場試驗經(jīng)驗,水灰比取0.32,減水劑用量為0.71,考慮生態(tài)混凝土需要將膠凝材料均勻包裹于骨料中,本試驗試件的制備流程為:將水泥充分?jǐn)嚢?0 s→緩慢加入水、外加劑→攪拌90 s→加入骨料→攪拌90 s→分層入模→搗插15~20次→振動5 s→養(yǎng)護(hù)1 d→觀察未分層、未沉底→脫?!鷺?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(20 ℃±2 ℃,95%濕度)養(yǎng)護(hù)28 d。期間所有操作流程嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)。

        降堿處理時,第一組試驗將28 d試件分別噴灑標(biāo)準(zhǔn)硅烷試劑1次、2次、3次、4次和5次;第二組試驗將試件分別封閉、泡制于檸檬酸粉末加水配置的濃度為1%、2%、3%、4%和5%的液體中;第三組試驗將粉煤灰以5%、10%、15%、20%、25%代替水泥制備試件。具體方案如表3所示。隨后將3組試件分別用萬能材料試驗機(jī)和pH測定儀測定抗壓強(qiáng)度和孔隙pH值,優(yōu)選處于同一種降堿方式的最佳降堿方案,將3種降堿方式的最佳方案進(jìn)行對比,分析不同降堿方式對生態(tài)混凝土的影響規(guī)律。其中,X0組為不采用任何降堿方式處理,其試件抗壓強(qiáng)度為13.65 MPa,孔隙的pH值為12.15。

        2 降堿結(jié)果分析與討論

        2.1 硅烷試劑的影響

        由于物理降堿方式處理后較長天數(shù)中,試塊pH值不會隨時間改變,所以本測試統(tǒng)一在生態(tài)混凝土試塊28 d養(yǎng)護(hù)完成后,采用硅烷試劑分別噴灑1~5次,之后將各組混凝土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試和孔隙pH值測定,結(jié)果如圖1所示。從孔隙pH值測定結(jié)果可以看出:噴灑1~5次后,生態(tài)混凝土孔隙pH值顯著降低,這可以說明硅烷試劑對生態(tài)混凝土的降堿有效;隨著噴灑次數(shù)的增加,孔隙pH值有降低趨勢;與未噴灑時的pH值12.15相比,噴灑次數(shù)為1~5次時,pH值分別為8.1、7.6、7.2、7.4和7.3,pH值穩(wěn)定在7~8,且在3次噴灑后逐漸趨于穩(wěn)定,這說明噴灑3次后,孔隙已經(jīng)被硅烷試劑所產(chǎn)生的薄膜封閉,增加噴灑次數(shù)對孔隙pH值沒有實質(zhì)影響。從抗壓強(qiáng)度測定結(jié)果可以看出:硅烷試劑的噴灑對生態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度有所增強(qiáng),隨著噴灑次數(shù)的增加,抗壓強(qiáng)度整體呈現(xiàn)先升高后趨于平穩(wěn)的趨勢:噴灑次數(shù)為1次時抗壓強(qiáng)度為14.3 MPa,噴灑次數(shù)為2次時抗壓強(qiáng)度為15.5 MPa,噴灑次數(shù)為3次時抗壓強(qiáng)度為15.4 MPa,噴灑次數(shù)為4次時抗壓強(qiáng)度為15.7 MPa,噴灑次數(shù)為5次時抗壓強(qiáng)度為15.4 MPa;最大強(qiáng)度出現(xiàn)在噴灑次數(shù)為4次時,這說明噴灑4次是最佳的。綜合對比pH值和抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù),可以看出噴灑次數(shù)在4次時,抗壓強(qiáng)度和pH值最佳。

        表3 三種降堿方式的試驗方案表

        圖1 硅烷試劑不同噴灑次數(shù)下的試驗結(jié)果曲線圖

        2.2 檸檬酸的影響

        檸檬酸溶液降堿方式屬于化學(xué)降堿方式,其可以中和生態(tài)混凝土孔隙中的(OH)-2基團(tuán),起到降堿作用。分別以1%、2%、3%、4%和5%濃度的檸檬酸處理生態(tài)混凝土試件,其孔隙pH值和抗壓強(qiáng)度測定結(jié)果如圖2所示。從孔隙pH值測定結(jié)果可以看出:檸檬酸溶液可以有效降堿,但隨著檸檬酸溶液濃度的增加,pH值從1%時的9.4逐漸升高至5%時的10.9,說明濃度的增加對降堿效果起副作用,1%時的pH值是最佳的。而通過抗壓強(qiáng)度測定結(jié)果的曲線可以看出:檸檬酸溶液對抗壓強(qiáng)度有降低的作用,隨著檸檬酸濃度的增加,抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢,但抗壓強(qiáng)度始終低于0%濃度的抗壓強(qiáng)度13.65 MPa,其抗壓強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在5%濃度的12.1 MPa和1%濃度的11.4 MPa。這是由于檸檬酸浸泡后,水化物的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性被破壞,導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。綜合比較孔隙pH值和抗壓強(qiáng)度結(jié)果,說明1%濃度的檸檬酸降堿效果和抗壓強(qiáng)度最佳。

        圖2 不同濃度檸檬酸浸泡后的試驗結(jié)果曲線圖

        2.3 粉煤灰的影響

        粉煤灰是廣泛應(yīng)用于混凝土制備中的一種礦物材料,可有效改善生態(tài)混凝土的工作性能和力學(xué)性能,當(dāng)用其替代水泥外摻于生態(tài)混凝土后,其pH值和抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出,粉煤灰的摻入可以明顯改善生態(tài)混凝土的pH值,且隨著粉煤灰摻量的增加,生態(tài)混凝土孔隙pH值也逐漸降低,達(dá)到了降堿效果;當(dāng)摻量為5%時,孔隙pH值從0%的12.15降低至11.5,持續(xù)增大粉煤灰摻量到25%時,生態(tài)混凝土孔隙pH值降低至9.9,降低了18.5%。這是由于粉煤灰摻量提高的同時,水泥用量也逐漸降低,減少了水泥水化析出的堿性物質(zhì),從而使pH值降低。而摻入粉煤灰對生態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度有明顯提升,隨著粉煤灰摻量的增長,生態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度也逐漸升高,在粉煤灰摻量達(dá)到20%以后,抗壓強(qiáng)度的升高趨于穩(wěn)定:在20%摻量時達(dá)到15.69 MPa,25%時達(dá)到15.62 MPa,變化不大。由于粉煤灰的摻量可以有效降低生態(tài)混凝土水泥用量,所以綜合考慮pH值和抗壓強(qiáng)度數(shù)值,降堿效果最佳且抗壓強(qiáng)度提升明顯的最佳粉煤灰摻量為25%。

        圖3 添加不同摻量粉煤灰的試驗結(jié)果圖

        2.4 不同降堿效果對比

        根據(jù)3種不同降堿方式的測試結(jié)果,取A4、B1和C5為最佳降堿方案,即硅烷試劑噴灑4次、檸檬酸濃度為1%和粉煤灰摻量25%的降堿方案,開展不同降堿效果的對比。以抗壓強(qiáng)度為縱軸、pH值為橫軸,將3種最佳降堿方案的測試結(jié)果以橫縱坐標(biāo)的形式標(biāo)注在同一圖形中。由于規(guī)范規(guī)定生態(tài)混凝土降堿效果以pH值<10為宜,故以橫坐標(biāo)pH值為10繪制一條“pH值達(dá)標(biāo)線”,該線左側(cè)說明pH值滿足工程需求。同時,縱坐標(biāo)以未經(jīng)降堿處理的X0組抗壓強(qiáng)度值13.65 MPa繪制一條“抗壓強(qiáng)度基準(zhǔn)線”,若方案位于“抗壓強(qiáng)度基準(zhǔn)線”下方則視為抗壓強(qiáng)度降低,位于上方則視為抗壓強(qiáng)度提升,如后頁圖4所示。由圖4可以看出,A4、B1、C5這3種方案均滿足孔隙pH值要求,其中A4和C5方案在滿足pH值要求的同時,抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于降堿處理前,所以在抗壓強(qiáng)度方面,A4和C5兩組方案比B1方案效果更好;但A4和C5方案雖均滿足pH值標(biāo)準(zhǔn),但A4方案距離pH值達(dá)標(biāo)線更遠(yuǎn),降堿效果更佳。通過綜合對比,A4方案在降堿效果和抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)上更為突出,但C5由于粉煤灰可以在一定程度上降低水泥用量,且降堿過程不增加生態(tài)混凝土的制備工序,經(jīng)濟(jì)效益方面更加突出。

        圖4 不同降堿方式的效果對比結(jié)果圖

        3 結(jié)語

        為研究物理方式、化學(xué)方式和外摻方式對生態(tài)混凝土的降堿效果,采用噴灑硅烷試劑1~5次、置于檸檬酸濃度1%~5%溶液中、摻入粉煤灰5%~25%等方案,測試其孔隙pH值和試件抗壓強(qiáng)度,提出適用于工程領(lǐng)域的最佳降堿方案,結(jié)果表明:

        (1)噴灑硅烷試劑降堿時,隨著噴灑次數(shù)的增加,孔隙 pH值有降低趨勢,抗壓強(qiáng)度整體呈現(xiàn)先升高后趨于平穩(wěn)的趨勢,噴灑次數(shù)在4次時,抗壓強(qiáng)度和pH值最佳。

        (2)采用檸檬酸溶液降堿時,隨著檸檬酸溶液濃度的增加,降堿效果逐漸變差,抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢,1%濃度的檸檬酸降堿效果和抗壓強(qiáng)度最佳。

        (3)采用外摻粉煤灰降堿時,隨著粉煤灰摻量的增加,降堿效果逐漸明顯,且抗壓強(qiáng)度有明顯提升,降堿效果最佳且抗壓強(qiáng)度明顯提升的最佳粉煤灰摻量為25%。

        (4)綜合對比3種降堿方式的最佳方案,采用硅烷試劑噴灑4次的方案在降堿效果和抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)上更為突出,而采用粉煤灰25%摻量時在經(jīng)濟(jì)效益方面表現(xiàn)突出。

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