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(yè)固態(tài)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(yè)固態(tài)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(huán)。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(zhì)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(qū)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(tǒng)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(jié)約天然資源,還可以提高抗凍性混凝土結(jié)構的安全性和耐久性,具有明顯的社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)保效益,有利于攀西地區(qū)城市建設的可持續(xù)發(fā)展[1]。高鈦重礦渣混凝土在攀西地區(qū)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(jù)。

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(huán)業(yè)公司生產(chǎn)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(huán)后抗壓強度試驗。根據(jù)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(nèi);融化期間試驗箱內(nèi)浸泡混凝土的水溫保持在18 ℃～20 ℃范圍內(nèi)。進行50次凍融循環(huán)后,測其質(zhì)量損失和強度損失。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)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(huán)后的抗壓強度及凍融循環(huán)后混凝土的質(zhì)量損失和強度損失,其結(jié)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(jié)冰溫度和毛細孔徑有關,如水在1 μm孔隙中的結(jié)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(jù)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(shù)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(chǎn)生滲透壓[3]。根據(jù)上述凍融破壞機理,孔隙孔徑越小,孔中存留的可結(jié)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(jù)此機理,當混凝土飽水程度較低時,混凝土在凍融循環(huán)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(jīng)50次凍融循環(huán)后的強度損失和質(zhì)量損失較小。增加粉煤灰摻量,輕度損失不多,而節(jié)約水泥多,經(jīng)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(jié)構體系及粘結(jié)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(jié)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(jié)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(zhì)活性,其主要成分是CaO,可與水泥水化析出的Ca(OH)2發(fā)生二次反應,生成低堿的CSH水化產(chǎn)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(fā)揮更好的復合效應,從而改善混凝土的力學性能。

水結(jié)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。孔隙中水的冰點隨孔隙直徑的減小而降低,水結(jié)冰時的破壞作用,主要發(fā)生在充滿了水的較大孔隙中。當孔隙中充滿水并快速結(jié)冰時,孔隙中將產(chǎn)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(nèi)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(jié)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(jié)約水泥多,經(jīng)濟效益好。粉煤灰摻量在20 %左右時,高鈦重礦渣混凝土經(jīng)50次凍融循環(huán)后的強度損失和質(zhì)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(zhì)量損失由凍融前的0.357 %變?yōu)閮鋈诤蟮?.196 %，強度損失由凍融前的4.51 %變?yōu)閮鋈诤蟮?.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(huán)后硅粉混凝土質(zhì)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(zhì)量損失由凍融前的0.357 %變?yōu)閮鋈诤蟮?.225 %,強度損失由凍融前的4.51 %變?yōu)閮鋈诤蟮?.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(jīng)50次凍融循環(huán)后,摻鋼渣的高鈦重礦渣混凝土試塊的質(zhì)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(zhì)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(zhì)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