謝瑞興，岳光亮，郭文倩，唐櫻燕，彭立剛，于彭，莫立武

（1.山東眾森新材料有限公司，山東 濟南 250000；2.山東眾森科技股份有限公司，山東 濟南 250000；3.南京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，材料化學(xué)工程重點實驗室，江蘇 南京 210000）

0 引言

在混凝土材料組成中，膠凝材料是一個最基礎(chǔ)的組成部分。近年來，在國家倡導(dǎo)的“雙碳”背景下，越來越多的企業(yè)以及研究院所研究低碳固廢基混凝土，主要采用鋼渣、粉煤灰等不同種類固廢材料制備膠凝材料，應(yīng)用于耐久性良好的混凝土中，降低行業(yè)的碳排放，提高混凝土行業(yè)的經(jīng)濟效益[1-3]。但固廢基膠凝材料在混凝土中大量的應(yīng)用，造成固廢混凝土凝結(jié)時間延長、早期強度低、極大地影響了混凝土施工性能[4-5]。針對固廢基膠凝材料混凝土存在的一系列問題，為進一步有效、合理、科學(xué)地應(yīng)用固廢基混凝土，本研究采用公司自主研發(fā)的固廢基膠凝材料增強劑ZS-10Z，對比驗證了固廢基混凝土的各項性能，可為固廢基膠凝材料混凝土的應(yīng)用起到良好的推動作用。

1 試驗

1.1 原材料

（1）增強劑制備原材料

異丁烯醇聚氧乙烯醚（HPEG）：相對分子質(zhì)量4000，含量≥99%，工業(yè)級；甲基丙烯酸（MAA）：工業(yè)級；次磷酸鈉：含量≥99.5%，工業(yè)級；過硫酸銨：含量≥98.5%，優(yōu)等品；三乙醇胺：含量≥85%，工業(yè)級；水：自來水。

（2）混凝土試驗材料

水泥：P·O42.5散裝水泥，山東創(chuàng)新水泥廠；固廢基膠凝材料：ZS-Ⅰ型，山東眾森新材料有限公司，材料組成為鋼渣、自燃煤矸石、礦渣粉、鋰渣粉，產(chǎn)品性能符合T/CECS 689—2020《固廢基膠凝材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》要求，其粒徑分布見圖1，膠凝材料的主要化學(xué)成分見表1、物理力學(xué)性能見表2；細骨料：當(dāng)?shù)厥規(guī)r破碎的碎屑砂，細度模數(shù)3.0，含粉量12.6%，亞甲藍值2.8 g/kg；粗骨料：當(dāng)?shù)?～30 mm連續(xù)級配石灰?guī)r碎石，含泥量0.5%，泥塊含量為0.2%，壓碎值指標為9.8%；減水劑：聚羧酸減水劑，固含量10.5%，減水率25.5%，山東眾森新材料有限公司；早強劑：市售，QX-1型，固含量10.0%，推薦摻量1.0%；拌合水：自來水。

圖1 固廢基膠凝材料的粒徑分布

表1 膠凝材料的主要化學(xué)成分 %

表2 膠凝材料的主要物理力學(xué)性能

1.2 增強劑的制備

室溫下將一定質(zhì)量的聚醚單體（HPEG）和水加入四口瓶中，攪拌溶解后，加入過硫酸銨攪拌分散均勻，向四口瓶中分別滴加一定量甲基丙烯酸和次磷酸鈉，2 h勻速滴加完后，加入三乙醇胺，攪拌均勻，加水稀釋，得到固含量為10.0%的固廢基膠凝材料混凝土增強劑ZS-10Z。

1.3 測試與表征

（1）固廢基膠凝材料混凝土（以下簡稱固廢基混凝土）的力學(xué)性能測試：參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》進行。

（2）固廢基混凝土的工作性能測試：參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行。

（3）固廢基混凝土的耐久性能測試：參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測試抗碳化性能、抗水滲性能以、電通量和抗硫酸鹽侵蝕性能。

（4）SEM分析：采用JSM-7610F型掃描電子顯微鏡分別對空白固廢混凝土、摻加QX-1和ZS-10Z固廢混凝土的水化產(chǎn)物進行測試。

C30固廢基混凝土的配合比參照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》和T/CECS 689—2020進行設(shè)計，試驗配合比如表3所示，其中QX-1和ZS-10Z的摻量均為膠凝材料質(zhì)量的1.0%。

表3 C30固廢基混凝土的試驗配合比kg/m3

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 ZS-10Z對固廢基混凝土工作性能的影響

為驗證增強劑ZS-10Z對固廢基混凝土施工性能的影響，進行混凝土出機、1 h坍落度/擴展度、含氣量、凝結(jié)時間及倒提排空時間試驗，并與市售早強劑QX-1進行對比，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 增強劑對固廢基混凝土工作性能的影響

從表4可見：與1#空白固廢基混凝土相比，摻入1.0%早強劑QX-1時，混凝土的坍落度和擴展度略有降低，含氣量無明顯變化，凝結(jié)時間縮短3 h，但混凝土的排空時間延長，說明市售早強劑QX-1在縮短凝結(jié)時間的同時也增大了混凝土的黏度，不利于施工泵送；摻入1.0%ZS-10Z時，混凝土的坍落度、擴展度以及1 h損失明顯改善，含氣量略有增大，凝結(jié)時間縮短5～6 h，混凝土倒提排空時間縮短，說明加入ZS-10Z后，在縮短固廢基混凝土凝結(jié)時間的前提下，混凝土的流動性能和黏聚性良好，適合固廢混凝土的泵送澆筑。ZS-10Z具有很強的分散性能，能使膠凝材料細顆粒在混凝土拌合時均勻分散，充分與水接觸參與水化反應(yīng)，縮短混凝土的凝結(jié)時間，進而提高了固廢基混凝土的施工性能。

2.2 ZS-10Z對固廢基混凝土力學(xué)性能的影響

測試摻增強劑ZS-10Z前后固廢基混凝土各齡期的抗壓強度，并與市售早強劑QX-1進行對比，結(jié)果如表5所示。

表5 增強劑對固廢基混凝土各齡期抗壓強度的影響

從表5可見，相對1#空白固廢基混凝土，摻入1.0%早強劑QX-1時，固廢基混凝土的3、7 d抗壓強度增長較快，但28 d抗壓強度略微降低，甚至后期56 d強度低于1#混凝土，早強劑QX-1不利于混凝土強度的長期發(fā)展，不適合在固廢混凝土中應(yīng)用；摻入1.0%ZS-10Z時，混凝土早期強度發(fā)展較快，并且固廢混凝土的28 d抗壓強度較1#空白固廢基混凝土提高了6.1 MPa，后期強度持續(xù)增長，ZS-10Z在提高固廢混凝土早期強度的同時，對后期強度仍然有促進作用。ZS-10Z的化學(xué)絡(luò)合激發(fā)作用促使膠凝材料水化加快[6-8]，拌合成型后的混凝土凝結(jié)時間明顯縮短，各齡期抗壓強度提高。

2.3 ZS-10Z對固廢基混凝土耐久性能的影響

測試摻ZS-10Z前后固廢基混凝土各齡期的碳化深度、抗?jié)B等級、電通量和抗硫酸鹽侵蝕循環(huán)性能，并與市售早強劑QX-1進行對比，試驗結(jié)果如表6所示。

表6 增強劑對固廢基混凝土耐久性能的影響

由表6可見：

（1）與1#空白固廢基混凝土相比，摻入QX-1和ZS-10Z后，固廢基混凝土各齡期的碳化深度、抗硫酸鹽侵蝕強度損失率降低。與1#和2#固廢基混凝土相比，摻1.0%ZS-10Z的3#固廢基混凝土，7、14、28 d碳化深度、抗硫酸鹽侵蝕強度損失率下降優(yōu)勢明顯，尤其是后期28 d的碳化深度更低，同時抗?jié)B等級提高。這是由于，摻ZS-10Z混凝土致密的結(jié)構(gòu)使CO2、Na2SO4難以進入混凝土內(nèi)部，因此抗碳化性能和抗硫酸侵蝕性能提高，同時，內(nèi)部的致密結(jié)構(gòu)，使其具有更高的抗水滲透性能。

（2）相對于1#空白固廢基混凝土和摻1.0%QX-1的2#固廢基混凝土，摻1.0%ZS-10Z的3#固廢基混凝土的電通量在不同齡期都明顯較低，尤其是3 d電通量降低明顯，說明固廢基混凝土中摻入ZS-10Z后，混凝土的勻質(zhì)性良好，膠凝材料的水化更快，早后期都能形成更多的水化產(chǎn)物，混凝土內(nèi)部孔隙數(shù)量減少，阻礙了氯離子電荷的移動，降低了電通量。

2.4 摻增強劑ZS-10Z對固廢基混凝土水化微觀形貌的影響

對摻增強劑ZS-10Z前后固廢基混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進行SEM分析，并與市售早強劑QX-1進行對比，結(jié)果如圖2所示。

圖2 固廢基混凝土7、28 d齡期的SEM照片

由圖2可見，相對于1#空白固廢基混凝土和摻1.0%早強劑QX-1的2#固廢基混凝土，摻1.0%增強劑ZS-10Z的3#固廢基混凝土可生成更多的C-S-H水化產(chǎn)物，且7、28 d水化產(chǎn)物更密實，晶形發(fā)育良好，孔隙率較小，表明固廢增強劑促進了固廢基膠凝材料的水化[9-10]，可提高固廢基混凝土的強度，縮短混凝土凝結(jié)時間，有利于固廢混凝土的施工應(yīng)用。

3 結(jié)論

（1）固廢基膠凝材料混凝土增強劑ZS-10Z可增大固廢基混凝土的坍落度和擴展度，并減小經(jīng)時損失，尤其是在不影響抗壓強度的前提下，縮短固廢基混凝土的凝結(jié)時間，有利于固廢混凝土的施工應(yīng)用。

（2）ZS-10Z不僅能提高固廢基混凝土的早期抗壓強度，同時后期抗壓強度持續(xù)提高，明顯優(yōu)于市售早強劑對固廢基混凝土的作用。

（3）電通量測試和SEM分析表明，固廢基混凝中摻入ZS-10Z可生成更多的C-S-H水化產(chǎn)物，使體系的電通量降低，混凝土結(jié)構(gòu)更加致密。ZS-10Z的化學(xué)激發(fā)和分散作用，提高了固廢基混凝土拌合物的密實度，能提高混凝土的抗?jié)B性能、抗碳化性能及抗硫酸鹽侵蝕性能。