牛糞灰對水工混凝土抗氯鹽侵蝕性能的影響研究

李時媛

(朝陽市凌河治理保護工程質(zhì)量監(jiān)督站，遼寧 朝陽 122000)

1 概述

生物質(zhì)能源目前仍舊是我國廣大農(nóng)村地區(qū)的重要能源形式，由于其具有良好的生態(tài)屬性，因此具有良好的發(fā)展空間。但是，大量的生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的灰渣也是重要的環(huán)境污染源，這也成為阻礙生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的重要因素。我國作為農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)能源十分豐富，特別是隨著養(yǎng)殖業(yè)和畜牧業(yè)的發(fā)展，牛糞污染問題也日漸突出。牛糞作為一種高熱量的物質(zhì)，是重要的生物質(zhì)燃料，其燃燒產(chǎn)生的牛糞灰雜質(zhì)少且不含有毒、有害物質(zhì)，是較為理想的混凝土摻加料。相關(guān)研究顯示，在混凝土中摻入一定量的牛糞灰可以有效改善其力學(xué)性能和抗凍性。另一方面，隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，特別是水利水電建設(shè)的不斷推進，混凝土等建筑材料的消耗量迅速增加，并催生了水泥需求量的增加和價格的上漲。因此，在混凝土中摻加牛糞灰等生物質(zhì)材料，不僅可以在一定程度上改善混凝土的性能，提高水利工程的質(zhì)量和耐久性，還可以減少水泥生產(chǎn)中的二氧化碳排放，有利于我國碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)?；诖?，此次研究通過室內(nèi)試驗的方式，探討牛糞灰對水工混凝土抗氯鹽侵蝕性能的影響，以便沿海和鹽漬區(qū)水利工程建設(shè)提供有益的支持和借鑒。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

水泥是水工混凝土制作過程中所使用的主要膠凝材料，其質(zhì)量和參數(shù)對混凝土的性能存在直接影響。研究中根據(jù)試驗的環(huán)境以及牛糞灰混凝土制作的實際需求，選擇方北水泥有限公司出品的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。該品種水泥的堆積密度為1.016g/cm3，比表面積為3650cm2/g表觀密度為3000kg/m3，各項技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)施工規(guī)范的要求。

此次試驗選擇的細(xì)骨料為大凌河河沙。在試驗中將樣本砂曬干，然后利用直徑5mm和0.16mm的標(biāo)準(zhǔn)篩過篩，去除粒徑在5mm以上和0.16mm以下的粗顆粒和細(xì)顆粒。經(jīng)計算，篩分后的細(xì)度模數(shù)為3.29，為中砂，其含泥量和堅固性等其余指標(biāo)均滿足JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定。

此次使用的細(xì)骨料為人工玄武巖碎石，其粒徑范圍為4.5～26.5mm，各項性能指標(biāo)均滿足試驗要求。

此次試驗使用的牛糞灰來自朝陽市凌北奶牛養(yǎng)殖基地，將曬干后的牛糞在實驗室的馬沸爐中進行充分燃燒，之后獲得牛糞灰，其表觀為絮狀，其中夾雜有部分片狀物，結(jié)構(gòu)之間存在較多的孔隙。經(jīng)樣品測定，其堆積密度為0.365g/cm3，比表面積為4390cm2/g，密度為1050kg/m3。

試驗用減水劑為聚羧酸減水劑，推薦摻量為2.5kg/m3，試驗用水為普通自來水，滿足JGJ 63—2006《混凝土拌合養(yǎng)護用水標(biāo)準(zhǔn)》的用水要求。

2.2 試件制作

此次試驗以水工混凝土中常用的C30混凝土進行配合比設(shè)計，并對牛糞灰的摻量進行調(diào)節(jié)，確定0%、5%、10%、15%和20%等5種不同牛糞灰摻量試驗方案。試驗采用的是100mm×100mm×100mm的立方體試模以及底面直徑100mm，高100mm的圓柱形試模。在試件制作之前首先將稱量好的各種原材料倒入攪拌機攪拌30s，然后均勻加水和減水劑攪拌120s。取適量攪拌好的混凝土加入立方體模具并放在振動臺上振動，在振動的同時逐漸加入混凝土拌合物，在混凝土拌合物加滿并振動密實之后將上表面抹平靜置24h拆模編號，然后將試件轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護至試驗規(guī)定齡期。

2.3 試驗方法

此次研究中混凝土試件的抗氯鹽侵蝕試驗主要針對不同7d、14d和28d齡期條件下的氯離子遷移系數(shù)、氯離子濃度以及抗壓強度進行測定。目前，混凝土的氯離子擴散系數(shù)測試方法主要在室內(nèi)進行，包括典型自然擴散法和加速擴散法。由于氯離子遷移系數(shù)加速擴散法的試驗周期段，試驗操作比較方便，因此此次研究選擇氯離子遷移系數(shù)加速擴散法進行測定。在測定過程中先將圓柱形試件在真空飽水機中飽水24h，再將其劈裂為兩個大小相同的半圓柱體，在清理殘渣后靜置15min，然后滴入0.1mol/L的硝酸銀溶液，待顯色反應(yīng)結(jié)束之后，利用電子游標(biāo)卡尺測量10個測試點的氯離子侵蝕深度，將其均值作為最終試驗結(jié)果。對不同牛糞灰摻量方案水工混凝土試件測試其氯鹽侵蝕后的抗壓強度和電阻率數(shù)值。測量方式按照相關(guān)施工規(guī)范進行，這里不再敷述。測試時每組方案測量三個試件，以其均值作為最終結(jié)果。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 抗壓強度

對不同牛糞灰摻量方案下水工混凝土的氯鹽侵蝕后的抗壓強度進行測量，獲得7d、14d和28d齡期的抗壓強度值，結(jié)果見表1。為了更直觀反映牛糞灰對水工混凝土氯鹽侵蝕作用下抗壓強度的變化特征，研究中以表中的數(shù)據(jù)為依據(jù)，繪制出抗壓強度隨牛糞灰摻量的變化曲線，結(jié)果如圖1所示。由試驗結(jié)果可以看出，在混凝土中摻加一定量的牛糞灰可以提升氯鹽侵蝕作用下的抗壓強度，具有一定的工程意義。究其原因，主要牛糞灰為典型的絮狀物，在混凝土中摻入少量的牛糞灰可以提升混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實性，減少混凝土內(nèi)部較大的空隙和裂縫結(jié)構(gòu)，有效阻礙滲流通道。但是，大幅增加牛糞灰的含量反而會降低混凝土的抗壓強度，原因是牛糞灰本身就具有疏松多孔的特征，因此大量增加牛糞灰的含量會導(dǎo)致其內(nèi)部孔隙的增多，從而降低混凝土的抗壓強度。另一方面，摻加牛糞灰對14d和28d齡期的抗壓強度值影響相對較大，對7d齡期抗壓強度的影響十分有限。從試驗的具體結(jié)果來看，摻加5%的牛糞灰可以最大限度提升水工混凝土在氯鹽侵蝕條件下的抗壓強度。

表1 抗壓強度試驗結(jié)果

圖1 抗壓強度變化曲線

3.2 電阻率

對不同牛糞灰摻量方案下水工混凝土的氯鹽侵蝕后的電阻率進行測量，獲得7d、14d和28d齡期的電阻率值，結(jié)果見表2。以表中的數(shù)據(jù)為依據(jù)，繪制出電阻率隨牛糞灰摻量的變化曲線，結(jié)果如圖2所示。由試驗結(jié)果可以看出，在不同混凝土齡期條件下，氯鹽侵蝕后的混凝土試件電阻率隨著牛糞灰摻量的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的變化特點。其中，牛糞灰摻量對14d和28d齡期的電阻率影響較大，對7d齡期的電阻率影響較小。從具體的試驗結(jié)果來看，當(dāng)牛糞灰摻量為5%—10%時，電阻率值小于未摻加牛糞灰的混凝土，而摻量為5%時的電阻率值最小。

表2 電阻率試驗結(jié)果

圖2 電阻率隨牛糞灰摻量變化曲線

3.3 氯離子遷移系數(shù)

對不同牛糞灰摻量方案下水工混凝土的氯鹽侵蝕后的氯離子遷移系數(shù)進行試驗和計算，獲得7d、14d和28d齡期的氯離子遷移系數(shù)值，結(jié)果見表3。以表中的數(shù)據(jù)為依據(jù)，繪制出氯離子遷移系數(shù)隨牛糞灰摻量的變化曲線，結(jié)果如圖3所示。由試驗結(jié)果可以看出，混凝土試件的氯離子遷移系數(shù)隨著齡期的增長不斷降低，隨著牛糞灰摻量的增加呈現(xiàn)出先降低后升高的變化特點。從具體的計算結(jié)果來看，當(dāng)牛糞灰的摻量為5%和10%時，氯離子遷移系數(shù)小于未摻加牛糞灰的方案，其牛糞灰摻量為5%時的氯離子遷移系數(shù)最小。

表3 氯離子遷移系數(shù)試驗結(jié)果

圖3 氯離子遷移系數(shù)變化曲線

4 結(jié)論

此次研究通過室內(nèi)試驗的方式，探討了牛糞灰對水工混凝土抗氯鹽侵蝕性能的影響，獲得的主要結(jié)論如下：

(1)在水工混凝土中摻加一定量的牛糞灰可以提高氯鹽侵蝕一條件下水工混凝土的抗壓強度，降低電阻率和氯離子遷移系數(shù)。

(2)摻加牛糞灰能夠有效改善混凝土的抗凍性能，具有一定的工程應(yīng)用價值。

(3)牛糞灰摻量為5%時的抗壓強度最大，電阻率和氯離子遷移系數(shù)最小，為最佳摻量比。