粒化高爐礦渣微粉對橋梁混凝土耐久性能影響

王 萌，陳 兵，張宗圣

（中交一公局第五工程有限公司，北京 100024）

引言

近年來，隨著我國城市化進程不斷推進以及基礎建設行業快速發展，混凝土材料用量激增，導致不可再生的天然砂石資源面臨枯竭。同時，因建筑物改建產生的數量龐大的廢棄混凝土，主要被用作基層材料或直接掩埋、就地堆放，對環境污染大且造成資源浪費。將廢混凝土經處理制備成再生混凝土不但可以解決天然砂石資源儲量不足的問題，還能有效利用廢棄混凝土，實現混凝土工業的可持續發展[1]。再生骨料由廢棄混凝土經破碎、篩分制備而成，與天然骨料相比，具有表面附著舊砂漿和存在原始微裂縫等特征，導致呈現吸水率，孔隙率和壓碎指標高、比重低[1-2,4,8]，進而影響混凝土力學性能和耐久性能[2]。研究表明，再生骨料強化處理技術可改善骨料品質，從而提高混凝土力學性能和耐久性能[3-6]。

高爐礦渣微粉（GGBS）是常用礦物摻合料之一，是冶煉生鐵時高爐中排出的熔渣經水淬冷得到的副產物，具有潛在水化性，摻加到混凝土中能夠在堿環境下得到激發發生水化反應[1]。LI等[2]發現GGBS可增強混凝土結合Cl-能力，提高混凝土抗氯離子滲透性能。GAO等[3]發現GGBS在混凝土養護前28 d火山灰活性最顯著。CHENG等[4]研究表明，GGBS能夠明顯降低混凝土界面過渡區Ca（OH）2晶體含量和結晶尺寸，并指出雙摻GGBS和粉煤灰能夠有效降低界面過渡區缺陷，使混凝土抗侵蝕能力增強。宋力等[5]研究指出，粉煤灰與礦渣超復合疊加效應，能形成更低孔隙的水泥膠體，優化界面微觀結構。WAYNE等[6]提出引入GGBS可以延緩混凝土微裂紋出現時間，提高混凝土耐久性能，并指出GGBS摻量最高可達50%。國內外學者關于向混凝土引入GGBS的研究主要集中于普通混凝土和再生混凝土，而關于GGBS對強化再生骨料制備的混凝土耐久性能鮮有研究。

1 原材料與試驗

1.1 原材料

1.1.1 膠凝材料

（1）采用P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，主要物理性能指標見表1。（2）礦物摻合料包括粉煤灰、硅灰和粒化高爐礦渣微粉，主要技術指標見表2。

表1 水泥主要物理性能指標

表2 礦物摻合料主要指標

1.1.2 骨料

粗骨料選用5～20 mm連續級配天然碎石和再生骨料，為改善再生骨料品質，對其進行強化處理。處理方式：（1）水泥漿液強化[7]：分別配制水灰比1∶1的純水泥漿液、摻30%粉煤灰的水泥漿液以及摻10%硅灰的水泥漿液，按再生骨料與漿液比1∶1，將骨料浸泡在水泥漿液中，待其初凝后取出晾干備用，三種水泥漿液強化處理后再生骨料分別編號為：RAE1、RA-E2和RA-E3。（2）碳 化：采 用CCB-70型碳化箱，碳化溫度20 ℃±5 ℃、濕度60%±5%，CO2濃度為20%±5%，碳化一定時間后，將一部分再生骨料研碎后均勻攤開，噴灑1%濃度酚酞溶液，目測碳化樣品變紅區域小于5%即視為完全碳化，碳化處理后再生骨料編號為RA-E4。粗骨料主要性能指標見表3。細骨料采用細度模數為2.6天然河砂。

表3 粗骨料主要性能指標

1.1.3 外加劑

采用聚羧酸高性能減水劑，減水率高達25%以上，摻量為水泥質量的1.1%。

1.2 試驗配合比

在前期試驗基礎上，配制C30混凝土，其中膠凝材料用量為340 kg/m3，GGBS以等質量方式取代水泥量（0%、10%、20%、30%、40%、50%和60%），再生骨料取代率為100%，砂率為40%，通過調整水灰比使混凝土坍落度控制在180～220 mm，混凝土配合比見表4。

表4 混凝土配合比

1.3 試驗方法

1.3.1 工作性能

依據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB50080—2002）規定，采用坍落度表征混凝土工作性。

1.3.2 力學性能

依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB50081—2002）規定，測試混凝土試件抗壓強度和抗折強度，試件尺寸分別為150 mm×150 mm ×150 mm和150 mm×150 mm×550 mm。

1.3.3 耐久性能

依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（BG/T50082—2009）規定，采用接觸法測定試件收縮性能，試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm，試件在3 d齡期從標準養護室取出并置于恒溫、恒濕室測初始長度，此后養護至待測齡期測試試件收縮值。采用RCM法測試混凝土氯離子擴散系數，試件尺寸為Ф100 mm×50 mm。試樣養護26 d后從標準養護室取出，在60 ℃烘箱中干燥48 h，留下一個側面并以10 mm為間距做好標記，其余面用石臘密封，放入碳化箱進行試驗。

1.3.4 微觀結構分析

許沁自然不是一般的女人，一般的女人也做不了老板。許沁很精明，玉敏碰壁在她的預料之中。許沁也沒有找王立，她要親自找葛局長。許沁這么做，是經過深思熟慮的，她相信她能夠說服葛局長。

采用S4800環境掃描電子顯微鏡（ESEM）觀測再生混凝土微觀結構。收集測完28 d力學性能的CAM碎塊，將其磨成直徑約5 mm，高度約3 mm小塊，測試前對試樣噴金處理，測試溫度為20 ℃。

2 結果與分析

2.1 GGBS摻量對混凝土收縮性能影響

GGBS摻量對混凝土收縮性能影響試驗結果見圖1。

圖1 不同齡期下GGBS摻量對強化處理再生混凝土收縮值影響

隨著GGBS摻量的增加，改性再生混凝土收縮值不斷降低，當GGBS摻量大于40%時，試件收縮值降低幅度減少。結果表明，為改善再生混凝土收縮性能，確定GGBS最佳摻量為40%。在四種強化處理方式中，水泥漿+30%粉煤灰對改善試件收縮效果最佳，而純水泥漿改善效果最小。因為混凝土試件干燥收縮主要取決于試件與外界環境濕度差，兩者濕度差越大，濕交換越多，故試件收縮值越大。向混凝土中引入GGBS，可作為輔助膠凝材料，提高混凝土黏聚性和保水性，使試件早期濕度交換減小，而且GGBS中活性SiO2和A12O3含量較高，能與水化產物Ca（OH）2發生二次水化反應，生成水化產物填充混凝土孔隙結構，使試件孔隙率和平均孔徑減小，進而提高其密實度，降低收縮值。經水泥漿液強化處理的再生骨料，可發揮內養護作用，增強再生骨料之間表面機械咬合作用，強化混凝土界面過渡區，提高混凝土界面彈性模量與抗干縮變形能力[9]。而摻加30%粉煤灰的水泥漿液的火山灰效應、微集料填充效應以及二次水化反應效果更佳，故RAC-E2試件表現出最小的收縮值。而經碳化處理的再生骨料會生成無定型硅膠和碳酸鈣晶體，填充再生骨料孔隙結構，使結構致密，降低混凝土的干燥收縮[10]。

2.2 GGBS摻量對混凝土抗氯離子滲透性能影響

GGBS摻量對混凝土抗氯離子滲透性能影響試驗結果見圖2。

圖2 GGBS摻量對改性再生混凝土氯離子擴散系數影響

由圖2可知，改性再生混凝土氯離子擴散系數均比未強化混凝土低。隨著GGBS摻量增加，混凝土抗氯離子侵蝕性能均增強，GGBS摻量為40%時，氯離子擴散系數降低最為顯著，當GGBS摻量超過40%后，氯離子擴散系數降低較為平緩，表明此時混凝土內部已達到最優內部結構[11]。結果表明，為改善再生混凝土抗氯離子滲透性能，確定GGBS最佳摻量為40%。經水泥漿+硅灰（RAC-E3）和水泥漿+粉煤灰（RAC-E2）處理的再生骨料混凝土抗氯離子滲透系數較其他系列混凝土更低。因為水泥漿液中摻入的硅灰和粉煤灰等礦物摻合料和GGBS相互激發在再生骨料界面發生二次水化和微集料疊加效應[12]，降低孔隙率和改善孔徑分布，使混凝土更加密實，且GGBS摻入能夠提高混凝土中friedel鹽含量，進一步提高混凝土抗氯離子滲透性。

2.3 GGBS摻量對混凝土抗碳化性能影響

GGBS摻量對混凝土抗碳化性能影響試驗結果見圖3。可以看出：（1）早期（7 d齡期）時，未強化再生混凝土碳化深度受GGBS摻量增長顯著，而改性再生混凝土隨GGBS摻量增加碳化深度增長較小，但摻量超過40%，碳化深度增長加快。早期混凝土抗碳化性能受密實度和混凝土中堿含量影響，摻入的GGBS火山灰效應能顯著降低混凝土中Ca（OH）2含量且水化生成的C-S-H凝膠又與CO2反應吸附更多堿離子，進一步降低混凝土pH值，而未經強化再生混凝土密實度比強化再生混凝土差，CO2更易進入混凝土，使混凝土抗碳化性能顯著降低[13]。（2）后期（28 d齡期）時，GGBS摻量為40%時，摻硅灰與粉煤灰強化的再生骨料混凝土碳化深度較其他強化處理增長明顯，但增長幅度不大。因為此時混凝土已達到最優內部結構[10]，混凝土抗碳化性能主要受堿含量影響，水泥漿液中礦物摻合料與GGBS在界面處相互激發的火山灰效應較好，堿含量進一步降低而引起碳化深度增長[14]。GGBS摻量的進一步增加，使混凝土最優內部結構破壞以及堿含量的繼續降低，加快混凝土碳化。因此，為改善再生混凝土抗碳化性能，確定GGBS最佳摻量為40%。

圖3 GGBS摻量對改性再生混凝土抗碳化性能影響

2.4 微觀結構分析

混凝土微觀結構形貌測試結果見圖4。

圖4 強化處理再生骨料混凝土微觀結構

（1）由圖4（a）可見，未強化處理的再生骨料混凝土內部存在一定數量針棒狀鈣礬石（AFt）和層片狀氫氧化鈣（CH），微觀結構疏松多孔。（2）由圖4（b）可見，水泥漿液改性處理的再生骨料混凝土界面處生成大量棒狀的AFt和絮狀C-S-H凝膠，增加了混凝土密實度，且礦物摻合料的摻入，進一步填充再生骨料孔隙以及后期的二次水化使界面結構更優化，效果更好。（3）由圖4（c）可見，經碳化處理的水化產物生成板條狀或纖維狀碳酸鈣（文石和方解石），填充了再生骨料孔隙結構，使孔隙率降低，結構更加致密。（4）由圖4（d）可見，GGBS的引入使再生混凝土中大量針狀鈣礬石和板狀Ca（OH）2的含量與晶體尺寸明顯減小，火山灰反應生成大量絮狀C-S-H凝膠填充了孔隙結構，使孔隙率和孔徑顯著減小，混凝土結構更加致密，耐久性更好。

3 結語

通過研究再生骨料強化處理技術和粒化高爐礦渣微粉摻量對混凝土收縮性能、抗氯離子滲透性能以及抗碳化性能等影響，并利用SEM分析了混凝土微觀結構。得到結論：（1）四種強化處理技術對混凝土耐久性能改善效果排序為水泥漿+粉煤灰＞水泥漿+硅灰＞碳化處理＞純水泥漿。（2）再生骨料經強化處理后對混凝土耐久性雖有一定改善作用，但摻入GGBS會使再生混凝土收縮值和氯離子滲透性降低，在最佳摻量40%時，混凝土后期抗碳化性能有所降低，但降低幅度不大。（3）GGBS可降低再生混凝土中Ca（OH）2含量和尺寸，優化混凝土孔隙結構，增加密實度，提高其耐久性能。