硅鉻渣混凝土的耐久性能研究

李 小 蘋

(張家口市正元工程檢測中心,河北 張家口 075000)

0 引 言

近年來我國鉻鐵工業發展迅速,帶來了巨大的社會經濟利益,但同時產生了很多負面問題,最嚴重的就是工業廢渣的產生、排放和處理問題[1].鉻渣是鉻鐵工業產生的廢渣,其中含有重金屬—六價鉻,是一種致癌重金屬,嚴重危害人類生活與環境.鉻渣污染是鉻鐵工業發展的難點,對工業發展國家來說,鉻渣的處理是一個嚴峻的挑戰,是急需解決的問題[2].

另一方面,我國城市建設不斷推進,混凝土用量急劇增加,其天然砂石等材料資源面臨緊缺的問題.如能將工業廢渣進行資源化利用,不僅可以減少混凝土材料的使用,還能消耗廢渣,變廢為寶,對工業廢渣的綜合利用具有重要意義[3].

20世紀中期起,國內外學者就對鉻渣處理的問題展開了研究.楊飛等[4]將高碳鉻渣作為集料,來配置混凝土,對其性能進行了相關研究,表明高碳鉻渣當作集料的可行性.楊峰等[5]對鉻鐵渣粉的物理性能進行了檢測,并對鉻鐵渣粉混凝土進行了研究.結果表明,鉻鐵渣粉的摻入,可以改善混凝土自身的力學性能.朱效宏等[6]在堿礦渣水泥中,用鉻渣替換礦渣部分,進行試驗研究.結果表明,堿礦渣水泥對鉻渣的固化效率更高,且可大量消耗鉻渣廢料.張韶華等[7]將高碳鉻鐵渣作為主原料,摻入適量添加劑,制備輕骨料,研究其性能.結果表明,高碳鉻鐵渣制出的輕骨料,能滿足規范要求,且性能良好;鉻渣摻量的增加,導致集料堆積密度減小,孔隙率增加.Prasanna K Acharya等[8]研究了鉻鐵灰和鉻鐵渣代替水泥與骨料的可行性,結果表明,其混凝土力學性能良好.C.R.Panda[9]等將鉻渣作為集料,制備混凝土,結果表明,鉻渣集料制備混凝土具有可行性,其混凝土強度要高于普通混凝土.

目前,國內外學者在鉻渣處理方面取得了很多成果,主要集中在鉻渣當作集料、混合料的使用,但其研究深度不夠,對其力學性能、耐久性能等研究較少.本文主要是以硅鉻渣當作細集料,制備混凝土,研究硅鉻渣混凝土的耐久性能,為硅鉻渣的綜合利用提供一定的借鑒.

1 試驗材料

本試驗選用的主要原材料有硅鉻渣、集料(河砂、碎石)、水泥(P.O 42.5)、水和減水劑(高效,減水率26%).硅鉻渣選自某工業園,是其生產硅鉻合金時產生的廢渣,呈深灰色.主要化學成分見表1.

表1 硅鉻渣的主要化學成分

2 試驗方案

按照《規程》[10]要求,以硅鉻渣作為細集料,設計本試驗配合比,見表2.試樣A0為對照組,即普通硅酸鹽水泥制備的混凝土,試樣A1硅鉻渣的含量為60%,試樣A2硅鉻渣的含量為80%,試樣A3硅鉻渣的含量為100%.根據配合比,配制C40混凝土,通過抗氯離子滲透、抗碳化和抗凍融測試,對硅鉻渣混凝土的耐久性能進行研究.

表2 配合比設計表

3 測試方法

3.1 抗氯離子的滲透性能測試

本試驗采用RCM方法,測試試件抗氯離子的滲透性能.根據《標準》[11]要求,制備圓柱型試件并試驗.標準養護28d,測定并計算氯離子的擴散系數,其計算公式可見式(1)、式(2).

(1)

(2)

式中:DRCM—氯離子的擴散系數(×10-12m2/s);xd—擴散深度(m);T—溶液溫度的平均值(K);h—試件厚度(m);t—試驗持續的時間(s);α—輔助變量.

3.2 抗凍融性能測試

參照《標準》[11]中的方法,制備標準試件.標準養護24d,取出放入水中(20℃)浸泡4d,之后進行相應的凍融試驗.每組3個試件,試驗開始前,需要測試試件的初始彈性模量和質量.每50次循環,測量一次試件的彈性模量以及質量.試驗完成后,計算彈性模量以及質量的損失率,從而反映凍融循環的損傷影響.

3.3 抗碳化性能測試

參照《標準》[11]中的方法,制備試件.標準養護28d,取出后60℃烘干48h,除去兩個相對面,其他面石蠟密封,后放入碳化箱進行抗碳化試驗.經過相對應的齡期,把試件一端劈裂,噴灑指示劑(酚酞溶液,濃度1%),測定碳化深度平均值.

4 試驗結果與分析

按照試驗方案,配置C40的混凝土,分別設置不同的硅鉻渣含量,制備相應的試件,進行相應的試驗.

4.1 抗氯離子的滲透性能分析

本試驗采用RCM方法,測試試件抗氯離子的滲透性能,試驗結果見圖1.

圖1 各組試件的氯離子擴散速率

由圖1可知,A0為對照組,其擴散速率是10.6×10-12m2/s,A3將河砂全部替換為硅鉻渣,擴散速率是8.1×10-12m2/s,與A0相比,降低了23.6%.可見硅鉻渣當作細集料,降低了擴散速率,提高其抗氯離子的性能.A1是硅鉻渣含量60%的試驗組,擴散速率是4.8×10-12m2/s,A2硅鉻渣含量為80%,擴散速率最小,是3.7×10-12m2/s,由此可見,硅鉻渣含量增加,擴散速率降低,但含量繼續增加,擴散速率反而提高.

硅鉻渣當作細集料,能夠提高抗氯離子的滲透性能,是因為硅鉻渣是活性集料,可以改善漿體結構,提高混凝土密實度,提高抗滲透性能.而適量河砂的摻配,能夠改善集料顆粒級配,減少內部連通孔,進一步提高硅鉻渣混凝土抗氯離子的滲透性能.

4.2 抗碳化性能分析

碳化是一個復雜的過程,涉及物理和化學等學科.在這個過程中,混凝土的成分、結構等方面產生變化.碳化深度是一種評價指標,可以最直接的說明碳化程度.本試驗采用指示劑法,測定不同齡期的碳化深度.試驗結果見表3.

表3 不同齡期碳化深度

由表3可知,隨時間增加,碳化深度不斷增大,且A0作為對照組,碳化最嚴重,其28d碳化深度達到10.3mm.與對照組A0相比,試驗組碳化程度均有降低.28d時,A1碳化深度為5.1mm,A2碳化深度為6.2mm,A3碳化深度為7.3mm,各組碳化深度為A0>A3>A2>A1.

由以上分析可知,硅鉻渣當作細集料,能夠較大幅度的改善其抗碳化性能,且適量河砂的摻配,進一步的提高硅鉻渣混凝土的抗碳化性能.這是因為硅鉻渣具有活性作用,可以改善界面結構,降低孔隙率,降低CO2擴散速率.而河砂摻入,能提高混凝土密實性,進而降低碳化速度,提高抗碳化性能.

4.3 抗凍融性能分析

抗凍融性能,是耐久性的一個重要指標.本試驗采用快速凍融試驗,測定彈性模量和質量,來分析凍融循環的損傷影響.試驗結果見圖2、圖3.

圖2 各組試件質量損失率 圖3 各組試件彈性模量損失率

由圖2可知,凍融循環過程中,隨次數增加,質量損失率增大,且試驗組的質量損失率均小于A0對照組.凍融循環初期,各組質量損失率均較小,數值相差不大.100次之后,各組均加速上升,且A0組質量損失率上升最快.300次循環后,A0損失率最大,為1.28%,A1是硅鉻渣含量60%的試驗組,損失率最小,為0.57%,與A0相比,降低了55.5%.A2、A3是硅鉻渣含量80%、100%的試驗組,其損失率達到0.65%、0.94%,與A0相比,損失率分別減小了49.2%和26.5%.各組質量損失率為A0>A3>A2>A1.

由圖3可知,凍融循環次數不斷增加,彈性模量損失率也逐漸增大,且試驗組的質量損失率均小于A0對照組.300次凍融循環后,A1損失率最小,為3.1%,與A0相比,降低了68%.A2、A3分別為4.6%、7.1%.各組損失率為A0>A3>A2>A1.

由以上分析可知,硅鉻渣當作細集料,會提高抗凍融性能.而適量河砂的摻入,可以繼續提高硅鉻渣制備的混凝土抗凍融性能.這是因為硅鉻渣的活性改善了界面結構,而河砂的摻入,能夠改善集料顆粒級配,提高密實性,從而提高抗凍融性能.

5 結 論

本文主要是以硅鉻渣當作細集料,制備混凝土,通過抗氯離子滲透、抗碳化和抗凍融試驗,研究硅鉻渣混凝土的耐久性能.由此得到以下結論:

(1)硅鉻渣當作細集料,提高了混凝土的耐久性,其抗氯離子滲透、抗碳化和抗凍融的性能均有不同程度的提高.

(2)硅鉻渣當作細集料,制備混凝土時,適量河砂的摻入,可以繼續提高耐久性能.

(3)在本試驗條件下,硅鉻渣含量為80%時,抗氯離子的滲透性能最好,硅鉻渣含量為60%時,抗凍融和抗碳化的性能最好.