席君毅, 李勛, 姚賢華,3, 管俊峰, 上官林建, 柳利君, 徐昭文

(1.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 河南 鄭州 450045; 2.中國(guó)中建設(shè)計(jì)研究院有限公司, 北京 100037; 3.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710048; 4.華北水利水電大學(xué) 科技處,河南 鄭州 450046; 5.鄭州三和水工機(jī)械有限公司, 河南 鄭州 450000)

隨著混凝土需求量的逐漸增大以及綠色環(huán)保節(jié)能減排理念的不斷深入,混凝土廢棄料的回收利用逐漸成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn),眾多學(xué)者[1-2]進(jìn)行了再生骨料混凝土相關(guān)方面的研究。在混凝土的生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生許多廢棄物,這些廢棄物因具有較高的pH值和重金屬含量,被視為腐蝕性污染物質(zhì),隨意排放會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成不利影響[3]。因此,為解決廢棄物的排放問題,許多預(yù)拌混凝土工廠建立了廢水廢漿循環(huán)利用系統(tǒng),將混凝土洗滌水和沸石副產(chǎn)物重復(fù)利用,投入到混凝土的生產(chǎn)中[4]。陳軍亮等[5]和曲睿祚[6]在保證水膠比不變的情況下,將廢水中的固體顆粒等質(zhì)量替代粉煤灰。較多學(xué)者[7-9]直接將廢水等質(zhì)量替代混凝土拌合用水使用。用廢水替代適量的拌合用水,不僅可以降低混凝土攪拌站的生產(chǎn)成本,還能節(jié)約水資源,提高環(huán)保效益。

水中的總?cè)芙夤腆w是影響混凝土最終性能的主要因素之一[10]。當(dāng)拌合用水中的固體含量不大于5%時(shí),制備的混凝土與飲用水制備的混凝土相比,其流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度變化均較小,其抗壓強(qiáng)度與對(duì)照組混凝土抗壓強(qiáng)度的比值為88%～110%[11]。研究[12]表明,預(yù)拌混凝土廠廢水中的固體含量一般為5%～15%。因此,進(jìn)行關(guān)于高濃度廢水用作混凝土拌合用水的研究至關(guān)重要?；炷恋哪途眯允呛饬炕炷列阅艿闹匾獌?nèi)容。文獻(xiàn)[6,12-16]研究發(fā)現(xiàn),廢水的摻入提高了中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土的抗氯離子滲透能力、抗碳化能力和抗凍性。當(dāng)前對(duì)廢水混凝土抗凍性能變化的研究主要集中于中低強(qiáng)度等級(jí)的混凝土,對(duì)高強(qiáng)混凝土抗凍性能的研究較少。因此,對(duì)摻入廢水的高強(qiáng)混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)影響下的性能變化研究非常重要。

綜上所述,本文使用混凝土攪拌站廢水以不同的取代率替代飲用水,研究廢水對(duì)C60混凝土抗凍性能的影響。根據(jù)混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化規(guī)律,建立了廢水混凝土凍融損傷模型,并將該模型用于表征寒冷地區(qū)廢水拌制的混凝土凍融破壞程度,為寒冷地區(qū)混凝土攪拌站廢水用于制備混凝土提供參考。

1 材料及其性能

水泥:三門峽騰躍同力水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥,7 d抗壓強(qiáng)度為35.2 MPa,28 d抗壓強(qiáng)度為49.4 MPa。水泥的主要成分見表1。

表1 水泥的化學(xué)成分 %

粗骨料:粒徑為(5,10] mm的碎石,級(jí)配滿足《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 352—2020)[17]的要求。

砂子:細(xì)度模數(shù)為2.6的河砂。

粉煤灰:河南龍泉金亨電力有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰,需水量為95%,摻量為20%,采用等質(zhì)量替代水泥 。

減水劑:減水率為26%的高效減水劑。其他指標(biāo)滿足《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB 50119—2013)[18]的要求。

拌合用水:飲用水和廢水的混合水,廢水來(lái)自鄭州市河南六建預(yù)拌混凝土廠,具體混合方法見表2。經(jīng)測(cè)試,廢水中Cl-和SO42-的含量分別為78 mg/L和34 mg/L,滿足《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 63—2006)[19]的要求。廢水的pH值為12,固體含量為12%,不含重金屬元素。

表2 C60混凝土配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)方法及配合比

根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 352—2020)[17]進(jìn)行混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)。凍融循環(huán)過(guò)程中,降溫終了溫度為-15 ℃±2 ℃,升溫終了溫度為8 ℃±2 ℃,每?jī)鋈谘h(huán)25次時(shí),測(cè)其質(zhì)量和抗壓強(qiáng)度,參考宿曉萍和王清[20]的試驗(yàn)方法,以40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件,采用超聲波探測(cè)儀(超聲波探測(cè)可根據(jù)不同的波速預(yù)估混凝土內(nèi)部損傷程度[21])測(cè)其傳播時(shí)間,根據(jù)式(1)計(jì)算混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量:

(1)

式中:Er為混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量;En、Vn和tn分別為經(jīng)過(guò)n次凍融循環(huán)后混凝土試件的動(dòng)彈性模量、超聲波波速和傳播時(shí)間;E0、V0和t0分別為初始時(shí)刻混凝土試件的動(dòng)彈性模量、超聲波波速和傳播時(shí)間。

根據(jù)式(2)計(jì)算混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率Ln:

(2)

式中:Sn為試件經(jīng)過(guò)n次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度;S0為混凝土凍融前抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)式(3)和式(4)分別計(jì)算混凝土的質(zhì)量損失率Wn和吸水率An:

(3)

(4)

式中:mn為混凝土試件經(jīng)過(guò)n次凍融循環(huán)后的質(zhì)量;m0為混凝土試件凍融前的質(zhì)量;mx為試件經(jīng)過(guò)n次凍融循環(huán)后干燥時(shí)的質(zhì)量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試件外觀

凍融循環(huán)前后,試件的外觀形貌見表3:凍融循環(huán)50次后,基準(zhǔn)組(C60-0)和C60-50混凝土試件的表面未發(fā)生明顯變化,C60-75和C60-100混凝土試件的表面出現(xiàn)了麻面情況,試件表面的漿體從試件邊角處開始逐漸脫落;凍融循環(huán)100次后,試件表面麻面情況較為嚴(yán)重,表面漿體脫落逐漸延伸至整個(gè)側(cè)面,其中C60-75混凝土出現(xiàn)了粗骨料脫落,結(jié)構(gòu)變疏松的情況。

表3 試件外觀形貌

3.2 抗壓強(qiáng)度損失率

圖1為不同廢水替代率下C60混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率。在相同廢水替代率下,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土抗壓強(qiáng)度損失率逐漸增加。在相同凍融循環(huán)次數(shù)下,混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率大小順序?yàn)?C60-0

圖1 不同廢水替代率C60混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率

廢水摻入后,C60混凝土抗壓強(qiáng)度損失率增加,這可能是由于廢水的強(qiáng)堿性破壞了混凝土的界面過(guò)渡區(qū),導(dǎo)致混凝土中滲水通道增多。當(dāng)混凝土受到凍融循環(huán)作用時(shí),毛細(xì)孔內(nèi)靜水壓力增加,內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷程度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸積累。所以,廢水混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率逐漸增加。

3.3 質(zhì)量損失率

圖2為不同廢水替代率下C60混凝土的質(zhì)量損失率。由圖2可知,在相同廢水替代率下,混凝土試樣的質(zhì)量損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。與C60-0混凝土相比,凍融循環(huán)75次后,C60-25、C60-50、C60-75、C60-100混凝土的質(zhì)量損失率分別增加了266.7%、166.7%、400.0%、333.3%;凍融循環(huán)100次后,C60-25、C60-50、C60-75、C60-100混凝土的質(zhì)量損失率分別增加了275.0%、225.0%、400.0%、375.0%。因此,廢水的摻入對(duì)混凝土的質(zhì)量損失率影響較大。

圖2 不同廢水替代率C60混凝土的質(zhì)量損失率

與C60-0混凝土相比,凍融循環(huán)25次后,混凝土的質(zhì)量損失率變化相對(duì)較小,這可能是在凍融循環(huán)前期,混凝土吸收的水分抵消了試件表面脫落部分的混凝土質(zhì)量導(dǎo)致的。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的進(jìn)一步增加,混凝土的質(zhì)量損失率增長(zhǎng)速率加快。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加,損傷程度加劇,混凝土的表面開裂,表皮脫落,砂漿包裹骨料不嚴(yán)密,導(dǎo)致混凝土的質(zhì)量損失率不斷增加[22]。

3.4 相對(duì)動(dòng)彈性模量

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土經(jīng)歷反復(fù)凍脹,內(nèi)部孔隙逐漸增大,并逐漸連通,損傷程度逐漸加大,導(dǎo)致相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸降低[23]。圖3為不同廢水替代率下C60混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量。

圖3 不同廢水替代率C60混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量

由圖3可知:相同凍融循環(huán)次數(shù)下,與C60-0混凝土相比,C60-50混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化較小,C60-75混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量降低幅度較大;與C60-0混凝土相比,凍融循環(huán)25、50、75、100次后,C60-75混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量分別降低了5.81%、6.76%、3.03%、1.64%。表明,廢水的摻入對(duì)混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響較小。

3.5 吸水率

混凝土毛細(xì)孔內(nèi)的水分在凍融結(jié)冰時(shí)發(fā)生膨脹,當(dāng)凍脹應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),將會(huì)發(fā)生混凝土破壞。因此,混凝土中的水分含量直接影響了試件發(fā)生凍融破壞的速度和程度[24]。圖4為不同廢水替代率下C60混凝土的吸水率。在相同廢水替代率下,混凝土試樣的吸水率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。與C60-0混凝土相比,在相同凍融循環(huán)次數(shù)下,隨著廢水替代率的增加,混凝土試樣的吸水率呈現(xiàn)先增加后降低、再增加、再降低的變化趨勢(shì)。C60-50混凝土的吸水率在凍融循環(huán)0、25、50、75、100次后,吸水率分別較C60-0混凝土的增加36.4%、23.1%、37.5%、13.0%、20.8%。C60-75混凝土的吸水在凍融循環(huán)0、25、50、75、100次后,吸水率較C60-0混凝土的分別增加145.5%、115.4%、81.3%、26.1%、37.5%。因此,廢水的摻入增大了混凝土在凍融循環(huán)環(huán)境下的吸水率,吸水率隨廢水替代率的增加而逐漸增大,但在相同凍融循環(huán)次數(shù)作用下,混凝土吸水率增加幅度呈減緩趨勢(shì),這與抗壓強(qiáng)度損失率變化趨勢(shì)一致。

圖4 不同廢水替代率C60混凝土的吸水率

綜上所述,廢水的摻入降低了C60混凝土的抗凍性能,但當(dāng)廢水替代率小于50%時(shí),廢水的摻入對(duì)C60混凝土抗凍性影響較小。當(dāng)廢水摻入(摻量為10%、20%、30%)C20、C30、C40和C50混凝土?xí)r,其質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率降低,抗凍性呈提高的趨勢(shì)[6]。廢水摻入(摻量為20%、40%、60%、80%和100%)C30和C50混凝土后,質(zhì)量損失率降低,并且廢水摻量越大,質(zhì)量損失率越低,表明廢水的摻入可以有效增強(qiáng)混凝土的抗凍性[15]。與基準(zhǔn)混凝土相比,廢水的摻入對(duì)C60混凝土抗凍性能降低作用更明顯,原因可能有兩個(gè)方面:一方面,由于廢水顆粒與混凝土基體黏結(jié)不緊密,破壞了C60混凝土原本的內(nèi)部結(jié)構(gòu);另一方面,廢水的摻入降低了C60混凝土的水膠比,造成水泥水化不充分,C60混凝土的密實(shí)度降低,加速了混凝土凍融破壞。

4 微觀分析

為了從微細(xì)觀角度分析廢水對(duì)混凝土抗凍性能的影響,試驗(yàn)采用掃描電鏡對(duì)凍融前后的混凝土試件進(jìn)行取樣檢測(cè)。圖5為C60-0、C60-50和C60-100混凝土凍融前和凍融循環(huán)100次后的掃描電鏡(SEM)圖。

凍融前,C60-50和C60-100混凝土孔隙較C60-0的增大,結(jié)構(gòu)密實(shí)度降低(圖5 (a)(b)(c))。凍融循環(huán)100次后,C60-0、C60-50和C60-100混凝土中游離水結(jié)冰,體積膨脹,混凝土內(nèi)毛細(xì)孔及裂紋不斷擴(kuò)展,進(jìn)一步導(dǎo)致孔隙增大,內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加松散,結(jié)構(gòu)呈蜂窩狀(圖5 (d)(e)(f))。

5 凍融損傷模型分析

凍融循環(huán)作用下,混凝土動(dòng)彈性模量變化可衡量混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷狀況。為比較不同廢水替代率下C60混凝土的損傷程度,根據(jù)相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化規(guī)律,建立了C60混凝土凍融損傷二次函數(shù)衰減模型。分析了C60混凝土在凍融循環(huán)作用下的損傷演化規(guī)律,為凍融循環(huán)環(huán)境下混凝土的壽命預(yù)測(cè)提供參考。

混凝土的損傷度D[25]可以用式(5)表示:

(5)

混凝土試件經(jīng)過(guò)不同凍融循環(huán)次數(shù)后,D隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線和擬合關(guān)系式如圖6所示。二次函數(shù)衰減模型方程可以用式(6)表示:

圖6 混凝土損傷度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

D=aN2+bN+c。

(6)

式中:D為試件經(jīng)受凍融循環(huán)后的損傷度;N為試件經(jīng)受凍融循環(huán)的次數(shù);a、b、c為系數(shù)。

圖6為損傷度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。由圖6可知,不同廢水替代率下,混凝土的損傷度和凍融循環(huán)次數(shù)的二次函數(shù)模型擬合方程的擬合優(yōu)度R2大于0.93。因此,二次函數(shù)衰減模型具有較高的精度,可以較好地反映凍融循環(huán)作用下不同廢水摻入量的混凝土損傷度變化規(guī)律。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析凍融循環(huán)作用下混凝土的外觀變化、抗壓強(qiáng)度損失率、質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量變化、吸水率變化和微觀結(jié)構(gòu)變化,評(píng)估了不同廢水替代率下C60混凝土的抗凍性能。建立了混凝土凍融損傷度的二次函數(shù)衰減模型,為摻有廢水的混凝土凍融損傷程度的預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1)當(dāng)廢水替代率低于50%時(shí),C60混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率、質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量和吸水率變化較小,廢水的摻入對(duì)C60混凝土的抗凍性影響較小。

2)凍融循環(huán)作用下,廢水的摻入加速了C60混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的破壞,使其密實(shí)度降低,對(duì)混凝土的抗凍性造成不利影響。

3)建立的C60混凝土損傷度與凍融循環(huán)次數(shù)的二次函數(shù)模型能較好地反映摻入廢水的混凝土在凍融循環(huán)作用下的損傷劣化規(guī)律。