干濕循環對礦產廢渣混合砂漿的力學性能影響研究

張海林

(中鐵城建集團南昌建設有限公司 江西南昌 330002)

1 引言

目前，世界范圍內大量的工業副產品被用作建筑材料的原材料。不同類型的礦渣是選礦過程中的副產品，在混凝土生產中利用工業副產品可以顯著提高建筑業的可持續性。由于骨料在混凝土或砂漿中所占的體積比要大得多，因此使用粒化礦渣作為骨料可以大大增加其用量。另外，使用粒化礦渣作骨料不需要粉磨，有效節約了成本和能源。目前國家對天然砂作為細骨料的需求增長迅速，因此，使用粒化礦渣被認為是一種替代天然砂生產混凝土的經濟、環保的方法。

在不同類型的礦渣集料中，煤底灰、鋼渣、銅渣和鎳鐵礦渣(FNS)產量相當大。骨料對混凝土的工作性、強度和耐久性等性能都起著至關重要的作用[1]。廢渣作為細骨料會降低混凝土初始養護后的抗壓及抗拉強度。力學性能的改善歸因于集料顆粒的更高的粗糙度，這可以改善水泥漿體和集料之間的粘結；然而，與天然骨料相比，鋼渣骨料在加速老化和凍融暴露下混凝土的強度損失更大。在干濕循環作用下，鋼渣骨料混凝土的抗壓強度損失超過25%。電爐渣的不良性能歸因于爐渣中含有有害的游離石灰和方鎂石[2]。FNS部分取代砂可提高硬化混凝土的抗壓強度、彈性模量和抗拉強度。這些力學性能的改善歸功于FNS的物理特性，如高容重、良好的分級和顆粒的角度，從而改善了骨料和漿體之間的粘結。

本文研究了摻粉煤灰和礦渣微粉作為水泥替代物的不同摻量FNS砂漿的強度發展規律。除了在正常環境條件下的強度發展外，了解建筑材料在季節變化和侵蝕性環境中的耐久性也很重要。因此，通過可滲透孔隙的體積以及在110℃干濕交替循環代表的加速風化條件下質量和強度的變化來評估砂漿試樣的長期耐久性。

2 試驗工作

2.1 材料

本研究采用商品普通硅酸鹽水泥(OPC)作為主要粘結劑。采用粉煤灰和礦渣微粉作為輔助膠凝材料。FNS被用作天然砂的替代品。

圖1顯示了本研究中使用的FNS細集料和天然砂的物理外觀。可以看出，與天然砂相比，FNS的形狀呈棱角狀，顆粒更粗。

圖1 FNS細集料和天然砂

表1給出了粘結劑的物理性能。

表1 粘結劑的物理性能

表2顯示了由X射線熒光(XRF)測試確定的這些材料的化學成分[3]。可以看出，FNS的主要成分是硅、鎂和鐵。OPC和GGBFS的鈣含量遠高于粉煤灰的鈣含量(0.87%)。粉煤灰的主要成分是二氧化硅(76.84%)和氧化鋁(15.44%)。

表2 化學成分和點火損失(質量百分比)

不同比例的FNS與天然砂級配后的細集料級配曲線如圖2所示。圖中還顯示了標準推薦的細集料的上限和下限。可以看出，雖然大多數組合都在標準范圍內，但由于FNS中缺乏細小顆粒，100%FNS的級配曲線略低于下限。因此，FNS與天然砂結合可以改善細集料的粒度分布。可以看出，50%FNS和50%天然砂的混合得到了級配良好的組合，其中包括不同大小和形狀的顆粒。

圖2 FNS集料與天然砂的顆粒級配曲線

如表3所示，FNS的細度模數為4.23，天然砂的細度模數為1.85。FNS和天然砂的容重分別為2 760 kg/m3和2 140 kg/m3。FNS和砂的吸水率分別為0.48%和0.37%。

表3 鎳鐵渣和天然砂的物理性能

2.2 混合料配比和試驗方法

本研究所用砂漿的配合比如表4所示。

表4 砂漿的配合比

FNS集料在砂漿混合料中分別以0、25%、50%、75%和100%取代天然砂。以往的研究表明，FNS聚集體可能會引起堿-硅酸反應(ASR)[4]。因此，采用粉煤灰和礦渣微粉作為水泥的30%替代物。研究了三個系列膠凝材料組成中的15種混合物:100%OPC、30%粉煤灰替代水泥和30%GGBFS替代水泥。在表4中，混合物的指定以PC(100%OPC)、FA(30%粉煤灰)或BFS(30%GGBFS)開始。混合標號末尾的數字表示FNS在細集料中的百分比。

為了確定試樣的孔隙率，按照 ASTM C 642(2006)標準對50 mm砂漿立方體進行了滲透孔隙體積(VPV)試驗。試驗包括測量樣品在烘干狀態、飽和表面干燥狀態、浸泡在水中和沸騰狀態下的質量[5]。首先，將樣品在110℃的烤箱中干燥24 h，然后冷卻至室溫3 h，記錄干質量。然后將樣品浸入水中48 h，并記錄浸泡質量。將樣品從水中移出后，測量飽和表面干質量。最后將樣品在水中煮沸5 h，冷卻，并記錄煮沸的質量[6]。使用這些質量的值計算可滲透空隙的體積。

這些樣品被暴露在110℃的交替干燥和23℃的濕潤循環中，以評估它們對加速老化條件的抵抗力。在開始交替的干濕循環之前，樣品在23℃的水中硬化28 d。暴露的一個周期包括在110℃的烤箱中烘干樣品8 h，在室溫下冷卻1 h，然后在23℃的水中浸濕15 h。在完成28個交替的濕潤和干燥循環后，測定了試樣的質量和抗壓強度的變化。

3 結果與討論

3.1 正常養護條件下的抗壓強度發展

3、7、28、56 d齡的抗壓強度結果如圖3所示。

圖3 混合砂漿的抗壓強度隨齡期變化

可以看出，三個系列砂漿的抗壓強度都隨著FNS含量的增加而增加，最高可達50%，然后隨著FNS含量的進一步增加而下降。在以100%OPC為膠凝材料的砂漿系列中，28 d抗壓強度由0%FNS的39 MPa逐漸增加到50%FNS的57 MPa，然后逐漸降低到44 MPa。當FNS摻量超過50%時，強度有所下降，但100%FNS的抗壓強度仍高于100%天然砂的抗壓強度。在3、7、28、56 d齡期，抗壓強度隨FNS含量增加的變化趨勢相似。因此，與100%天然砂砂漿相比，50%FNS和100%FNS砂漿的強度分別提高了46%和12%。與天然砂的圓形相比，FNS的加入提高了其抗壓強度，這是由于其高密度、呈角形。FNS含量的增加改善了樣品的顆粒堆積，提高了試樣的致密性。高密度的FNS顆粒改善了膠凝材料的堆積和互鎖，并提高了膠凝材料的抗壓強度。抗壓強度隨后隨著FNS百分比的進一步增加而下降[7]。因此，50%的FNS具有最大化砂漿強度發展的效果。這歸因于細集料的良好級配組合，如圖3所示。當FNS含量超過50%時，抗壓強度的下降被認為是由于集料組合中細顆粒的減少，如75%和100%FNS的級配曲線所示。

FNS對摻30%粉煤灰和30%GGBFS砂漿系列強度發展的影響與摻100%OPC的砂漿系列相似。摻入0、50%、100%FNS的粉煤灰砂漿28 d抗壓強度分別為30、35、30 MPa。因此，摻100%FNS的砂漿強度與摻100%天然砂的砂漿強度相當，而摻50%FNS的砂漿的強度比摻100%天然砂的砂漿提高16%。在含30%GGBFS的砂漿系列中，0、50%、100%FNS的28 d抗壓強度分別為33、51、42 MPa。因此，用50%和100%的天然砂替代后，抗壓強度分別提高了57%和29%。

從三個系列砂漿的強度發展情況來看，100%OPC膠凝材料系列的強度最高，30%的粉煤灰取代水泥系列的強度最低。此外，摻30%GGBFS的砂漿比摻30%粉煤灰的砂漿具有更高的強度。這是由于GGBFS的CaO含量高于粉煤灰所致。從圖3可以看出，在摻30%粉煤灰的砂漿系列中，3 d強度最低。然而，這個系列的后期強度發展速度比其他兩個系列的砂漿要高，特別是在28～56 d之間。含50%FNS的砂漿，100%OPC、30%粉煤灰和30%GGBFS系列膠凝材料在28～56 d內的強度提高百分率分別為8%、20%和8%。粉煤灰砂漿后期強度增長較高是由于粉煤灰持續的火山灰反應。值得注意的是，雖然粉煤灰和GGBFS降低了FNS集料的抗壓強度，但為了減少FNS集料潛在的ASR膨脹，使用這些補充粘結劑作為水泥替代品是很重要的。通過加速砂漿棒試驗結果，證明了輔助膠凝材料對降低FNS集料ASR膨脹的有效性。研究發現，低鈣粉煤灰比GGBFS更能有效地抑制FNS潛在的ASR膨脹。此外，從圖3還可以看出，粉煤灰的持續火山灰反應在56 d進一步證明，因為摻30%粉煤灰和50%FNS的砂漿的抗壓強度達到了與100%OPC和100%天然砂的砂漿相同的抗壓強度水平。因此，圖3所示的三個系列砂漿的強度發展可用于使用該FNS細集料時膠凝材料和集料組合的選擇。

3.2 可滲透孔隙體積(VPV)

通過測量滲透孔隙體積(VPV)來評價砂漿試樣的孔隙率。通過這項測試可以測量相互關聯的空隙，如毛細孔、凝膠孔、氣孔和微裂縫。這項試驗提供了混凝土中水滲透程度的指標。測試結果如圖4所示。可以看到，在所有三種粘結劑組中，樣品的孔隙率都隨著FNS含量的增加而增加。以100%水泥為粘結劑的砂漿系列(PC系列)的VPV值最高。0、25%、50%、75%和100%FNS的VPV值分別為15%、17%、18%、19%和19%。因此，通過使用50%的FNS，VPV增加了約18%。這種VPV的增加是由于較大的角狀FNS顆粒增加了砂漿中的孔隙。

圖4 滲透孔隙體積與FNS含量的關系

從圖4可以看出，在粘結劑中摻入粉煤灰和GGBFS降低了砂漿試件的VPV值。在摻30%GGBFS的砂漿系列(BFS系列)中，隨著FNS集料的增加，VPV從14%增加到17%。同樣，在30%粉煤灰砂漿系列(FA系列)中，由于FNS集料的使用，VPV從12%增加到15%。粉煤灰和GGBFS降低VPV的原因是由于超細粉體具有較高的細度和火山灰反應。然而，圖4的結果表明，在降低砂漿試件的VPV方面，粉煤灰比GGBFS更有效。粉煤灰比GGBFS具有更高的效果歸因于其較高的SiO2含量[8]。如表1所示，本研究中使用的粉煤灰的SiO2含量為76%，而GGBFS中的SiO2含量為32%。粉煤灰中SiO2含量越高，火山灰反應生成的C-S-H凝膠越多，孔隙率越低[9]。因此，與GGBFS試件相比，粉煤灰砂漿具有較低的VPV，并且在FNS取代50%砂的情況下，使用30%粉煤灰或GGBFS的砂漿VPV要么提高，要么與100%天然砂OPC砂漿的VPV保持在同一水平。

3.3 干濕循環的影響

圖5顯示了28次濕干交替循環后的抗壓強度，對比正常條件下試樣的56 d抗壓強度圖。抗壓強度的變化，主要歸結于試件中熱膨脹和收縮循環以及水分運動和收縮循環可能造成損害的影響。

圖5 干濕循環前后抗壓強度比較

圖6顯示了不同比例的FNS骨料在完成干濕循環后抗壓強度的百分比變化。從圖中可以看到，不加輔助膠凝材料和100%天然砂(PC0)的對照試件在干濕循環后的強度損失為13%。對于25%、50%、75%和100%的FNS骨料，不加輔助膠凝材料的砂漿試件的強度損失分別為17%、20%、23%和25%。因此，由于FNS骨料完全取代了天然砂，不加輔助膠凝材料的試件的強度損失從13%增加到25%。因此，本研究使用的FNS集料在干濕循環方面表現出比高爐礦渣和底灰細集料更好性能[10]。如圖4所示，FNS細集料增加了可滲透孔隙的體積，可以增大水對砂漿的滲透性。如圖6所示，較高的水滲透率會導致試樣中的蒸氣壓力較高，并導致更高的強度損失。

圖6 不同FNS含量干濕循環后的相對強度損失

觀測到的干濕循環強度損失主要有三個原因。首先，交替的加熱和冷卻循環產生的熱膨脹和收縮可能會產生內部微裂紋[11]。其次，干燥期的蒸汽壓力可能會造成一定的內部損傷。最后，如圖6所示，通過干濕交替循環淋洗出一些水化產物，可能會削弱膠凝體和集料之間的粘結。這些效應的綜合作用被認為是造成干濕循環后試樣強度損失的主要原因。

如圖5和圖6所示，摻30%GGBFS的砂漿系列強度損失趨勢與不摻輔助膠凝材料的試件相似。本系列試件的強度損失值從9%(無FNS)到25%(100%FNS)不等。另一方面，摻入30%粉煤灰的砂漿在干濕循環后強度損失較小。事實上，在100%天然砂和不含FNS集料的試件中，強度提高了3.45%。含25%、50%、75%和100%FNS細集料的試件強度損失分別為2.84%、6.35%、8.27%和9.33%。不含FNS集料的試件抗壓強度的提高是由于粉煤灰在干濕循環過程中的火山灰反應所致[12-13]。在暴露期間，水分和高溫(110℃)的環境加速了粉煤灰的火山灰反應，導致含有FNS集料的試件強度損失較小。此外，干濕循環引起的強度損失還與試樣的孔隙率和吸水率有關。孔隙率和吸水率較低的試樣在干濕循環中的強度損失較小。如圖4所示，粉煤灰減少了可滲透孔隙的體積，這導致與其他兩個膠凝材料系列的試樣相比，摻入粉煤灰的試樣在干濕循環后的強度損失較小。FNS摻量為50%時，摻30%GGBFS砂漿的強度損失與100%天然砂OPC砂漿的強度損失數量級相當。另一方面，摻30%粉煤灰的砂漿與100%天然砂的OPC砂漿相比，強度損失有較大改善。

干濕循環中的質量損失值如圖7所示。可以看出，所有三個膠凝材料系列的質量損失幾乎都隨著FNS含量的增加而線性增加。質量損失在3.9%～6.4%之間，變化趨勢與強度損失相似。與100%天然砂相比，100%FNS集料在膠凝材料系列中的質量損失增加了約30%。

圖7 干濕循環造成的質量損失

4 結論

(1)用50%FNS代替天然砂的砂漿具有最大的28 d抗壓強度。

(2)滲透孔隙率在12%～19%之間變化，隨FNS含量的增加有增加的趨勢。但VPV隨輔助膠凝材料的使用而降低。

(3)干濕交替循環降低了所有試件的強度，但摻100%天然砂和30%粉煤灰的砂漿強度有所提高。質量損失在4%～6%之間，表現出與強度損失相似的趨勢。

(4)強度和質量損失被認為主要是由于交替加熱和冷卻循環產生的熱膨脹和收縮以及內部蒸汽壓力造成的。