高鈦重礦渣混凝土抗凍試驗研究

廖 飛， 鐘 菘 ， 王 偉

(1. 西華大學建筑與土木工程學院，四川成都 610039；2. 攀枝花學院四川省高校工業固態廢棄物綜合利用重點實驗室，四川攀枝花 617000)

高鈦重礦渣混凝土抗凍試驗研究

廖 飛1,2， 鐘 菘1,2， 王 偉2

(1. 西華大學建筑與土木工程學院，四川成都 610039；2. 攀枝花學院四川省高校工業固態廢棄物綜合利用重點實驗室，四川攀枝花 617000)

本試驗對高鈦重礦渣混凝土抗凍性能進行研究,采用標準慢凍法對高鈦重礦渣混凝土試塊進行50次凍融循環。研究了不同粉煤灰取代水泥摻量,硅粉取代10 %水泥,鋼渣取代全部粉煤灰三種情況對高鈦重礦渣混凝土抗凍性能的影響，并與普通高鈦重礦渣混凝土抗凍性能進行比較。試驗研究表明:不同的配合比對高鈦重礦渣混凝土的抗凍性能、質量損失和強度損失具有一定的影響,高鈦重礦渣混凝土的抗凍性能符合GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》的要求。

抗凍性能； 高鈦重礦渣混凝土； 粉煤灰； 硅粉； 鋼渣

攀西地區具備大量的高鈦重礦渣砂、石，利用其制備特種混凝土具有以下幾點重要意義：可以較大幅度降低成本；拓寬高鈦重礦渣的應用領域；完善高鈦重礦渣混凝土的系統性研究。用高鈦重礦渣作為原材料制備抗凍性混凝土,不僅可以節約天然資源,還可以提高抗凍性混凝土結構的安全性和耐久性,具有明顯的社會效益、經濟效益和環保效益,有利于攀西地區城市建設的可持續發展[1]。高鈦重礦渣混凝土在攀西地區的研究成果逐漸趨向成熟,研究的熱點之一就是其抗凍性能問題,本文研究了高鈦重礦渣混凝土的抗凍性能,對高鈦重礦渣制備抗凍混凝土提供理論依據。

1 高鈦重礦渣混凝土抗凍性能試驗

1.1 原材料

骨料采用攀枝花環業公司生產的高鈦重礦渣作為材料制備抗凍混凝土。

1.1.1 高鈦重礦渣砂和細石

高鈦重礦渣砂和高鈦重礦渣細石性能指標見表1。

1.1.2 水泥與外加劑

水泥采用攀枝花瑞豐P.O42.5R水泥,其性能指標見表2。外加劑采用攀枝花吉源外加劑,減水率17.6 %,摻量占膠凝總量的1.64 %。

1.1.3 粉煤灰、硅粉和鋼渣

粉煤灰、硅粉和鋼渣性能指標見表3。

1.2 配合比

高鈦重礦渣抗凍混凝土的配合比見表4。

1.3 試驗設計方案

本試驗采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊,每個編號制作9個試塊,共計54個試塊,每個編號分3組，每組3個試塊,每個編號分別進行7 d抗壓強度試驗、28 d抗壓強度試驗和50次凍融循環后抗壓強度試驗。根據GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[2]中對標準慢凍法的要求,冷凍期間試驗箱的溫度在-20 ℃～-18 ℃范圍內;融化期間試驗箱內浸泡混凝土的水溫保持在18 ℃～20 ℃范圍內。進行50次凍融循環后,測其質量損失和強度損失。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

通過對高鈦重礦渣混凝土進行批量試驗研究,得出了不同配合比混凝土的坍落度、7 d抗壓強度、28 d抗壓強度、50次凍融循環后的抗壓強度及凍融循環后混凝土的質量損失和強度損失,其結果如表5、表6所示。

2.2 總粉料不變,粉煤灰摻量對高鈦重礦渣混凝土抗凍性能的影響

有研究表明,水在毛細孔中的結冰溫度和毛細孔徑有關,如水在1 μm孔隙中的結冰溫度為-2 ℃～-3℃,在0.1 μm孔隙中為-8 ℃～ -10℃,在小于0.1 μm孔隙中為-30 ℃～ -40 ℃。根據水銀測孔儀測定,混凝土中凝膠孔大小約為0.001 μm,毛細孔尺寸為1.01～10.00 μm,毛細孔越細,冰點下降越多,所以高性能粉煤灰混凝土的抗凍性能之所以能升華,也是由于混凝土孔隙率減少以及剩余的孔隙尺寸變小,毛細孔變細的緣故。這是因為粉煤灰活性摻合料顆粒很小,很容易進入到水泥顆粒的孔隙中,堵塞混凝土中的毛細孔和大孔,并將大毛細孔細分成許多微細孔，使混凝土中大毛細孔的數量減少,孔隙孔徑變小,水泥石中的毛細孔含冰而引起毛細孔擴散,產生滲透壓[3]。根據上述凍融破壞機理,孔隙孔徑越小,孔中存留的可結冰的水就會減少,為提高混凝土的抗凍性能,要求混凝土材料應具有高密實度、充水程度低、適量引氣、低水灰比等特點。據此機理,當混凝土飽水程度較低時,混凝土在凍融循環過程中的破壞程度就會降低。所以摻了粉煤灰的混凝土其抗凍性能較好。

通過試驗,由圖1可以看出,當粉煤灰的摻量在20 %左右時,高鈦重礦渣混凝土經50次凍融循環后的強度損失和質量損失較小。增加粉煤灰摻量,輕度損失不多,而節約水泥多,經濟效益好。這表明了在高鈦重礦渣混凝土中加粉煤灰，能有效提高高鈦重礦渣混凝土的抗凍性能。

2.3 硅粉對高鈦重礦渣混凝土抗凍性能的影響

硅粉是一種顆粒極細、活性很高的摻合材料,其主要成分是無定形的SiO2,由于其活性比較高,當與高效減水劑混合摻入混凝土中時,硅粉與Ca(OH)2反應生成水化硅酸鈣凝膠體，填補水泥顆粒間的空隙，改善界面結構體系及粘結力,從而提高混凝土的密實度,增強混凝土的抗凍性能[4]。

高鈦重礦渣混凝土中摻入硅粉后,從其結構上看,雖然水泥石的空隙率與不摻時大體相同,但其大孔隙及毛細孔隙大量減少,而超細孔隙增加,超細孔隙對水有極強的吸附作用,使水的冰點降低,從而延緩了凍融破壞的過程,降低了破壞應力。正是由于強度的提升及結構體系的改善,從而提高了高鈦重礦渣混凝土的抗凍性能(圖2)。

2.4 鋼渣對高鈦重礦渣混凝土抗凍性能的影響

磨細的鋼渣具有較好的火山灰質活性,其主要成分是CaO,可與水泥水化析出的Ca(OH)2發生二次反應,生成低堿的CSH水化產物,水化反應釋放的熱量降低,從而提高混凝土的后期強度及混凝土的耐久性[5]。當磨細的鋼渣與高鈦重礦渣粉混摻后,其活性變得更好。這是因為混摻后可起到相互活化的作用,發揮更好的復合效應,從而改善混凝土的力學性能。

水結冰時體積增大9 %,其破壞作用主要有:冰脹壓力作用、水壓力作用和顯微析水作用?？紫吨兴谋c隨孔隙直徑的減小而降低,水結冰時的破壞作用,主要發生在充滿了水的較大孔隙中。當孔隙中充滿水并快速結冰時,孔隙中將產生較大的冰脹壓力,使毛細孔壁受到拉應力作用,導致混凝土材料被拉裂破壞。高鈦重礦渣混凝土中摻入鋼渣粉后,能有效的填充高鈦重礦渣內部的大空隙,減小冰脹壓力的大小及破壞作用程度。如圖3所示,鋼渣能有效改善高鈦重礦渣混凝土的抗凍性能。

3 結論

(1)粉煤灰摻量在10 %～30 %之間時,增加粉煤灰摻量,輕度損失不多,而節約水泥多,經濟效益好。粉煤灰摻量在20 %左右時,高鈦重礦渣混凝土經50次凍融循環后的強度損失和質量損失比普通高鈦重礦渣混凝土小。表明了在高鈦重礦渣混凝土中加粉煤灰,能有效提高高鈦重礦渣混凝土的抗凍性能。

(2)硅粉取代10 %水泥時,高鈦重礦渣混凝土的質量損失由凍融前的0.357 %變為凍融后的0.196 %，強度損失由凍融前的4.51 %變為凍融后的3.62 %。硅粉混凝土與普通混凝土相比,不僅力學性能好,而且抗凍融50次循環后硅粉混凝土質量損失和強度損失都低于普通混凝土。因此,硅粉是一種抗凍融性能好的耐久性材料。

(3)鋼渣取代全部粉煤灰時,高鈦重礦渣混凝土的質量損失由凍融前的0.357 %變為凍融后的0.225 %,強度損失由凍融前的4.51 %變為凍融后的4.02 %。鋼渣代替粉煤灰,可以提高高鈦重礦渣混凝土的強度,同時,經50次凍融循環后,摻鋼渣的高鈦重礦渣混凝土試塊的質量損失和強度損失都低于普通高鈦重礦渣混凝土,所以鋼渣能有效改善高鈦重礦渣混凝土的抗凍性能。

(4) 硅粉取代10 %水泥時,高鈦重礦渣混凝土的質量損失為0.196 %,強度損失為3.62 %,是不同粉煤灰取代水泥摻量、硅粉取代10 %水泥、鋼渣取代全部粉煤灰和普通高鈦重礦渣混凝土四種情況中,對高鈦重礦渣混凝土的質量損失和強度損失最少的。

[1] 黃雙華,陳偉,孫金坤.高鈦高爐渣在混凝土材料中的應用[J].新型建筑材料,2006(11):71-73.

[2] GB/T 50082-2009 普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準[S].

[3] 劉愛新.粉煤灰混凝土的性能及應用[J].混凝土,2001(12):6-8.

[4] 楊坪,彭振斌.硅粉在混凝土中的應用探討[J].混凝土,2002(1):11-13.

[5] 孫家瑛.鋼渣微粉對混凝土抗壓強度和耐久性的影響[J].建筑材料學報,2005(2):63-66.

廖飛(1990～)，男，碩士研究生，研究方向為巖土工程。

TU528.59

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[定稿日期]2017-03-11