鐵尾礦基多固廢混凝土耐酸侵蝕性能研究

劉文亮 張延年 顧曉薇 于 洋 韓 東 姜大偉

(1.沈陽建筑大學土木工程學院,遼寧 沈陽 110168;2.東北大學智慧水利與資源環(huán)境科技創(chuàng)新中心,遼寧 沈陽 110819;3.遼寧省產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗院,遼寧 沈陽 110032)

強度及耐久性是混凝土試件重要的評價指標。混凝土試件暴露在酸性環(huán)境時,地下水和化學廢水中溶解的酸性物質會侵蝕混凝土基礎設施構件,影響其強度及耐久性,導致維護成本升高[1-4]。與此同時,鐵礦山尾礦及廢石的大量堆積占用土地資源,對礦山及其周邊環(huán)境造成極大的危害[5-6]。研究表明[7-10],鐵尾礦SiO2含量較高,可以作為輔助膠凝材料以增強C—S—H的形成,進而可以提升混凝土的工作性能。因此,本研究以鐵尾礦復摻鋼渣[11-12]、脫硫灰[13-15]作為摻合料,鐵尾礦砂及鐵尾礦廢石作為混凝土骨料制備混凝土試塊,研究在醋酸溶液的侵蝕下混凝土試塊的耐酸侵蝕性能。

1 試驗原料及方法

1.1 試驗原料

(1)水泥。取自沈陽山水工源水泥有限公司,P·O 42.5級水泥。

(2)礦物摻合料。試驗所用3種礦物摻合料為鐵尾礦(比表面積為1 290 m2/kg)、鋼渣(比表面積為1 022 m2/kg)和脫硫灰(比表面積為 1 869 m2/kg),分別取自遼寧鞍山地區(qū)鐵礦、廣西省天源新能源材料有限公司、河北省石家莊市靈壽縣奧達耐火材料加工廠,其中鐵尾礦經(jīng)烘干后用球磨機研磨1.5 h進行活性激發(fā)。3種固廢摻合料原料主要化學成分分析結果見表1,粒度分布曲線見圖1。

表1 原料主要化學成分分析結果Table 1 Analysis results of the main chemical composition of the raw materials %

圖1 原料粒度分布曲線Fig.1 Particle size distribution curves of the raw materials

(3)細骨料。遼寧壹立方砂業(yè)有限公司制備的鐵尾礦砂,顆粒級配曲線見圖2。

圖2 細骨料顆粒級配曲線Fig.2 Gradation curves of fine aggregate particles

(4)粗骨料。遼寧壹立方砂業(yè)有限公司制備的鐵尾礦碎石。所用鐵尾礦碎石分為2種:①粒徑為5～20mm的鐵尾礦碎石1;②粒徑為5～10 mm的鐵尾礦碎石2。在鐵尾礦碎石1篩余試驗過程中發(fā)現(xiàn)小粒徑的石子較少,整體級配不夠連續(xù),因此用鐵尾礦碎石2對其進行補足,按照鐵尾礦碎石1和鐵尾礦碎石2的質量比為6.5∶3.5進行調整,顆粒級配曲線見圖3。

圖3 粗骨料的級配曲線Fig.3 Gradation curves of coarse aggregate particles

(5)其他。減水劑選用沈陽盛鑫源建材有限公司生產(chǎn)的P-Ⅱ型引氣減水劑;酸采用99.5%濃度的濃醋酸;水為普通自來水。

1.2 試驗方法

1.2.1 配合比設計及混凝土試塊的制備

混凝土試塊配合比設計如表2所示。試驗所用的骨料均為鐵尾礦廢石骨料;膠凝材料主要由水泥和摻合料組成,總質量為420 kg/m3;G-0為純水泥組;G-1～G-4為鐵尾礦、鋼渣、脫硫灰組成的三元體系,復摻質量比為1∶2∶2,水膠比固定為0.42,水泥替代率分別為10%、20%、30%、40%;G-2、G-5～G-7為鐵尾礦、鋼渣、脫硫灰組成的三元體系,復摻質量比為1∶2∶2,水泥替代率固定為20%,水膠比分別為0.42、0.44、0.46、0.48。

表2 混凝土試塊配合比設計Table 2 Mix ratio design of concrete test block

根據(jù)上述混凝土配合比制備立方體混凝土試塊,為保證所有粗、細骨料具有相同的含水率以減少試驗誤差,先將粗、細骨料置于溫度為105℃的烘箱中烘干24h;然后將烘好的粗、細骨料投入到攪拌機中干拌1min,之后加入相應質量的水泥、摻合料繼續(xù)攪拌1min,再將水與減水劑混合均勻后全部倒入攪拌機內攪拌2min;接著將攪拌均勻的混凝土拌合物移至100 mm×100 mm×100 mm的模具中,在振實臺上振動30 s后將其表面刮平;靜置24 h后將試塊脫模并送至養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d,養(yǎng)護溫度為20±2℃,相對濕度95%以上。

1.2.2 測試方法

混凝土立方體試塊的抗壓強度試驗參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)進行,最終試驗結果乘以0.95,取3次試驗的平均值為試塊立方體抗壓強度值。

采用99.5%的濃醋酸配制pH=3的酸性溶液進行酸侵蝕試驗,在侵蝕過程中,為保持溶液濃度的穩(wěn)定性,每隔7d調整1次浸泡溶液濃度,調整之前測量浸泡溶液的pH值,每隔30 d更換1次浸泡溶液,浸泡周期為60 d,記錄醋酸侵蝕60d后混凝土試塊的表觀劣化情況。將醋酸溶液侵蝕60 d后的試塊取出,擦去表面水分,置于光照中3～5 h,待試件表面干燥、含水量影響較小后,開始稱重,計算并分析試塊的質量損失率。將在醋酸溶液中浸泡60 d后并且做完抗壓強度試驗的試塊剝去外層,把1%濃度的酚酞溶液噴涂于表面,觀察其中性化深度。

2 試驗結果與討論

2.1 混凝土試塊的抗壓強度分析

混凝土試塊標準養(yǎng)護28 d及酸侵蝕60 d后的抗壓強度測試結果見圖4。

圖4 混凝土試塊標準養(yǎng)護28 d及酸侵蝕60 d后的抗壓強度Fig.4 Compressive strength of concrete specimens after standard curing for 28 days and acid erosion for 60 days

由圖4(a)可知:①隨著水泥替代率的增加,混凝土試塊28 d抗壓強度先上升后下降,當水泥替代率為10%時,混凝土試塊28 d抗壓強度值達到最大值48.1 MPa,較純水泥試塊組(G-0)28 d抗壓強度增加了5.5%,說明適當摻加礦物摻合料可以提高試塊的抗壓強度。這是因為:鐵尾礦經(jīng)機械研磨后比表面積高達1 290 m2/kg,活性大大提高,配合鋼渣及脫硫灰適當摻加可以改善顆粒級配,產(chǎn)生微集料效應,試塊的抗壓強度增大;隨著水泥替代率的進一步增加,水化產(chǎn)物生成量不足,復合摻合料體系的火山灰反應較弱,試塊的抗壓強度逐漸下降。②隨著水泥替代率的增加,混凝土試塊酸侵蝕60 d的抗壓強度先上升后下降。當水泥替代率約為15%時,混凝土試塊28 d的抗壓強度和酸侵蝕60 d的抗壓強度相同;水泥替代率小于15%時,混凝土試塊28 d的抗壓強度大于酸侵蝕60 d的抗壓強度,且在水泥替代率為10%時,混凝土試塊酸侵蝕60 d后的抗壓強度損失了3.7%;水泥替代率大于15%時,混凝土試塊28 d的抗壓強度小于酸侵蝕60 d的抗壓強度,表現(xiàn)出較強的耐酸侵蝕性能,且在水泥替代率為30%時,混凝土試塊酸侵蝕60 d后的抗壓強度提升了12.3%。這是因為:水泥替代率小于15%時,水泥用量比重較大,生成的的水化產(chǎn)物形成了更強烈的堿性環(huán)境,促進鐵尾礦、鋼渣和脫硫灰的火山灰反應,反應速率太快導致晶體無序生長、混凝土內部結構疏松膨脹,降低混凝土的密實度,醋酸溶液侵蝕導致抗壓強度低。水泥替代率大于15%時,隨著摻合料的不斷增加,鋼渣的早期活性較低使得水泥的水化速率降低,減少了混凝土內部的孔隙率,隨著反應的進行,具有一定活性的鐵尾礦、鋼渣和脫硫灰發(fā)生火山灰反應,消耗了未水化的顆粒并填充了連通孔隙,且脫硫灰良好的火山灰反應能改良混凝土的孔隙率,改善膠凝量和膠凝過程,填充混凝土試塊中的毛細管及空隙裂縫,因此,填充作用一定程度上增加混凝土的密實度,加強混凝土耐酸侵蝕能力,阻礙侵蝕介質在混凝土孔隙中的傳輸。隨著水泥替代率的繼續(xù)提高,水化產(chǎn)物的生成量低下,復合體系抗壓強度逐漸下降。

由圖4(b)可知:①隨著水膠比的增大,混凝土試塊28 d抗壓強度逐漸下降,當水膠比為0.42時,混凝土試塊28 d抗壓強度達到最大值45.4MPa。 這是因為:混凝土試塊內部的水化反應需水量較少,過量的水分蒸發(fā)后將會在混凝土中留下許多毛細孔隙,致使混凝土內部結構不致密,增大了混凝土的孔隙率[16-17],這種現(xiàn)象隨水含量增大將變得更嚴重,故隨著水膠比的增大試塊的抗壓強度降低。②隨著水膠比的增大,混凝土試塊酸侵蝕60 d后的抗壓強度逐漸下降。當水膠比約為0.45時,混凝土試塊28 d的抗壓強度與酸侵蝕60 d后的抗壓強度相同;水膠比小于0.45時,混凝土試塊28 d的抗壓強度小于侵蝕60 d后的抗壓強度,表現(xiàn)出較強的耐酸侵蝕性能,且在水膠比為0.42時,混凝土試塊酸侵蝕60 d后的抗壓強度提升了2.4%;水膠比大于0.45時,混凝土試塊28 d的抗壓強度大于酸侵蝕60 d后的抗壓強度,且在水膠比為0.48時,混凝土試塊酸侵蝕60 d后的抗壓強度損失了1.9%。這是因為:水膠比小于0.45時,摻入的鐵尾礦、鋼渣和脫硫灰的粒度十分致密,提高了混凝土的致密度、抗?jié)B性,改善水泥粒子的填充性,并且鐵尾礦的微集料效應改善了水泥水化環(huán)境,提高了混凝土均勻性,摻合料的加入彌補了水泥漿與骨料結合面不良的缺陷,阻礙了醋酸溶液對混凝土的侵蝕,增大了抗壓強度;隨著水膠比的增大,侵蝕介質擴散程度越大,擴散速度越快,混凝土的抗侵蝕能力下降,導致抗壓強度降低,當水膠比過大時,混凝土本身含水量較高,減水劑又將水泥水化生成的絮凝結構中的水釋放出來,體系中將會存在過量的水,從而大大增加混凝土結構中的孔隙率,水膠比增大也會使內部二次水化不完全,水化產(chǎn)物的減少導致混凝土內部結構組織稀疏[18],侵蝕介質更容易侵入,使得混凝土試塊的抗壓強度下降。

2.2 表觀劣化分析

酸侵蝕條件下,將酸侵蝕混凝土表面的變化分為3種:開始溶蝕、溶蝕加重、出現(xiàn)麻面蝕坑。試件標準養(yǎng)護28 d后,開始醋酸侵蝕試驗,記錄醋酸侵蝕過程中混凝土試塊表觀劣化情況,結果見圖5。

圖5 混凝土試塊表觀劣化Fig.5 Apparent deterioration of concrete test block

由圖5可知,在醋酸溶液侵蝕前期,混凝土試塊表面開始出現(xiàn)溶蝕,試塊出現(xiàn)不同程度的漿液下流;隨著時間的推移,混凝土試塊表面溶蝕逐漸加重,水化產(chǎn)物逐漸與醋酸反應生成可溶性鹽,同時試塊的陽角邊處不同程度受到酸的侵蝕,整體形狀變得不規(guī)則;隨著侵蝕的不斷進行,試塊表面出現(xiàn)不同程度的麻面蝕坑,且麻面整體比較密實。隨著醋酸溶液中的醋酸根離子在混凝土試塊中的擴散,試塊表面被醋酸侵蝕后形成的可溶性鹽流失在侵蝕溶液中,這是導致混凝土表觀被破壞的主要原因,但混凝土試塊整體抗侵蝕性能良好,表面未出現(xiàn)大裂縫及較深的蝕坑。

2.3 質量損失率分析

酸溶液侵蝕混凝土試塊的表觀變化過程中,混凝土試塊表面會出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象,這種溶蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)意味著混凝土試塊的質量會發(fā)生變化,質量的變化在一定程度上反映出試塊受侵蝕程度的大小,混凝土試塊酸侵蝕60 d后的質量損失結果見表3。

表3 混凝土試塊酸侵蝕60 d后的質量損失Table 3 Mass loss of concrete specimens after acid erosion for 60 days

由表3可知,水膠比一定時,水泥替代率為10%、20%、30%、40%的混凝土試塊質量分別損失了1.07%、0.87%、0.47%、0.76%,水泥替代率為30%時達到最小的質量損失,而純水泥組(G-0)混凝土試塊質量損失了2.49%。對比G-0組,復合摻合料組的質量損失率整體較小,從結果上看,復合摻合料組降低了混凝土試塊的質量損失,具有一定的耐酸侵蝕性能。

由表3還可知,水泥替代率一定時,水膠比為0.42、0.44、0.46、0.48 的混凝土試塊的質量分別損失了0.87%、0.87%、0.92%、0.99%,質量損失率逐漸上升,這是因為:隨著水膠比的增加,游離的水分增多,混凝土試塊結構越不致密,侵蝕介質較容易滲透,降低混凝土試塊的質量。但是與純水泥組(G-0)混凝土試塊的質量損失相比,復合摻合料組的質量損失率整體較小,從結果上看,具有一定的耐酸侵蝕性能。

2.4 中性化深度分析

中性化深度值是反映混凝土受酸侵蝕程度的一個重要指標,它直接決定著混凝土的耐久性。將在醋酸溶液中浸泡60 d后并且做完抗壓強度試驗的試塊剝去外層,把1%濃度的酚酞溶液噴涂于表面,混凝土試塊酸侵蝕60 d后的中性化深度結果見圖6。

圖6 混凝土試塊酸侵蝕60 d后的中性化深度Fig.6 Results of neutralization depth of concrete specimens after acid erosion for 60 days

由圖6(a)可知,水膠比一定,水泥替代率為10%、20%、30%、40%時,混凝土試塊的中性化深度分別為2.3 mm、1.8 mm、1.5 mm、1.9 mm,水泥替代率為30%時中性化深度值最小,而純水泥組混凝土試塊的中性化深度為2.8 mm,對比純水泥組,復合摻合料組的中性化深度整體較小,從結果上看,復合摻合料組降低了混凝土試塊的中性化深度,具有優(yōu)于純水泥混凝土試塊的耐酸侵蝕性能。

由圖6(b)可知,水泥替代率一定,水膠比為0.42、0.44、0.46、0.48 時,混凝土試塊的中性化深度分別為1.8 mm、2.0 mm、2.1 mm、2.3 mm,中性化深度逐漸增加,主要由于水膠比的增大,提高了混凝土試塊的孔隙率,侵蝕介質通過孔隙與堿性物質發(fā)生反應,致使混凝土試塊的中性化深度增加。但是與純水泥組試塊的中性化深度相比,復合摻合料組的中性化深度整體較小,從結果上看,復合摻合料組具有優(yōu)于純水泥混凝土的耐酸侵蝕性能。

3 結 論

(1)當水膠比一定、水泥替代率為10%時,混凝土試塊28 d的抗壓強度最高,且高于純水泥混凝土試塊的抗壓強度;當水泥替代率一定,水膠比為0.42時,混凝土試塊28 d的抗壓強度最高。經(jīng)研磨后的鐵尾礦活性大大提高,配合鋼渣及脫硫灰適當摻加可以改善顆粒級配,產(chǎn)生微集料效應,使得混凝土抗壓強度增大。

(2)當水膠比一定、水泥替代率大于15%時,特別是在30%時,酸侵蝕60 d后的混凝土強度增加率最大,表現(xiàn)出較強的耐酸侵蝕性能;當水泥替代率一定、水膠比小于0.45時,特別是在0.42時,酸侵蝕60 d后的混凝土強度增加率最大,表現(xiàn)出較強的耐酸侵蝕性能。

(3)當水膠比一定、水泥替代率為30%時,達到最小的質量損失;當水泥替代率一定、水膠比為0.42時,達到最小的質量損失;且均小于純水泥混凝土試塊的質量損失。鐵尾礦、鋼渣、脫硫灰所組成的復合體系降低了混凝土質量損失率,具有一定的耐酸侵蝕性能。

(4)復合摻合料體系使得混凝土的內部結構致密、孔隙細化,有效地阻礙了醋酸溶液對混凝土的侵蝕,降低了混凝土試塊的中性化深度?？傮w上看,鐵尾礦、鋼渣、脫硫灰灰復摻制備的混凝土,具有優(yōu)于純水泥混凝土的耐酸侵蝕性能。