不同降堿方式對生態混凝土性能的影響研究

蘇新文

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

公路運輸作為交通體系中不可或缺的重要部分，在近年來發展迅速。混凝土材料被廣泛應用于公路建設中，其在滿足公路建設的同時也給公路蒙上了一抹“灰色”，不僅不美觀也不利于綠色公路理念的推廣。隨著社會對環保的重視，公路建設領域開發出一種既滿足混凝土性能要求又滿足綠色理念的生態混凝土。生態混凝土是一種只由粗骨料、膠結材料和外加劑等組成，依靠膠結材料的膠結作用，與粗骨料共同作用而形成整體，并具有生態效果的新型環保產品[1]。

由于低堿度對生態混凝土的植生環境有利，而高堿性是水泥水化和硬化過程的必然結果，所以生態混凝土的降堿處理，一直以來都是學者們的研究熱點[2-3]。通常情況下，生態混凝土的降堿方式有物理方式、化學方式和其他方式：物理方式是從源頭出發，降低堿性物質的析出；化學方式是以酸堿中和為原理，采用化學試劑中和孔隙中的堿性物質；其他方式包含外摻料、農藝法和土壤整治等。由于生態混凝土制備所需原材料、配合比和控制參數等各異，行業內尚無統一標準的降堿方式，不利于生態混凝土在護坡工程中的應用。因此，本文在充分調研生態混凝土各類降堿方式的基礎上，分別采用物理、化學和外摻三種降堿方式，對生態混凝土開展降堿處理及性能測試，通過綜合分析不同降堿方式下生態混凝土性能變化，為工程技術人員優選降堿方式提供依據。

1 降堿試驗

1.1 降堿概述

總體來說，生態混凝土屬于混凝土材料，而混凝土材料pH值偏高的原因主要可以歸結為水泥拌和后，礦物與水產生化學反應，其化學反應后產生氫氧化鈣，一部分氫氧化鈣在混凝土空隙中堆積，且氫氧化鈣中堿性的(OH)-2離子在綠植生存環境中致使pH值偏高，從而不利于栽培于生態混凝土中的植物生長。在降低生態混凝土堿度的同時，首要遵循的條件是保證混凝土強度滿足工程需求，如若降堿處理后混凝土的強度遠遠低于降堿前的強度，則失去了混凝土穩定邊坡、保證耐久性的作用。降堿方式的選擇還應切實考慮經濟效益和可操作性，在滿足需要的同時盡量選取現場操作容易的方式。本試驗分別采用物理方式、化學方式和摻料方式開展混凝土降堿處理。

項目背景為廣西融水至河池高速公路邊坡防護工程，該工程擬應用低堿度生態混凝土作為邊坡防護材料。為了對邊坡防護工程所用生態混凝土降堿方式提供優選參考，本試驗采用3種不同方式對生態混凝土進行降堿處理，處理時以不同劑量對比降堿效果，選取各自最佳的降堿方案，隨后測試在最佳降堿方案下各對應塊的抗壓強度，以研究不同降堿方式的效果。

1.2 試驗原材料

生態混凝土試驗所需水泥為P·O 52.5硅酸鹽水泥，各項組成參數滿足規范要求，如表1所示。由于生態混凝土基體屬大孔隙混凝土，所以粗骨料粒徑范圍在10～20 mm，具體性能指標如表2所示，其各項參數符合規范要求。為達到更好的試驗效果，減水劑參考前人研究[4]，采用聚羧酸減水劑，減水率為25%。由于降堿工作控制參數精密，故經過篩選和材料測試，生態混凝土降堿試驗原材料分為液體硅烷透明試劑、白色固體檸檬酸粉末和粉煤灰。

表1 水泥原材料主要化學成分表

表2 粗骨料性能指標表

1.3 試件制備與測試

基于現場試驗經驗，水灰比取0.32，減水劑用量為0.71，考慮生態混凝土需要將膠凝材料均勻包裹于骨料中，本試驗試件的制備流程為：將水泥充分攪拌60 s→緩慢加入水、外加劑→攪拌90 s→加入骨料→攪拌90 s→分層入模→搗插15～20次→振動5 s→養護1 d→觀察未分層、未沉底→脫?！鷺藴薁顟B(20 ℃±2 ℃，95%濕度)養護28 d。期間所有操作流程嚴格按照國家標準。

降堿處理時，第一組試驗將28 d試件分別噴灑標準硅烷試劑1次、2次、3次、4次和5次；第二組試驗將試件分別封閉、泡制于檸檬酸粉末加水配置的濃度為1%、2%、3%、4%和5%的液體中；第三組試驗將粉煤灰以5%、10%、15%、20%、25%代替水泥制備試件。具體方案如表3所示。隨后將3組試件分別用萬能材料試驗機和pH測定儀測定抗壓強度和孔隙pH值，優選處于同一種降堿方式的最佳降堿方案，將3種降堿方式的最佳方案進行對比，分析不同降堿方式對生態混凝土的影響規律。其中，X0組為不采用任何降堿方式處理，其試件抗壓強度為13.65 MPa，孔隙的pH值為12.15。

2 降堿結果分析與討論

2.1 硅烷試劑的影響

由于物理降堿方式處理后較長天數中，試塊pH值不會隨時間改變，所以本測試統一在生態混凝土試塊28 d養護完成后，采用硅烷試劑分別噴灑1～5次，之后將各組混凝土試塊進行抗壓強度測試和孔隙pH值測定，結果如圖1所示。從孔隙pH值測定結果可以看出：噴灑1～5次后，生態混凝土孔隙pH值顯著降低，這可以說明硅烷試劑對生態混凝土的降堿有效；隨著噴灑次數的增加，孔隙pH值有降低趨勢；與未噴灑時的pH值12.15相比，噴灑次數為1～5次時，pH值分別為8.1、7.6、7.2、7.4和7.3，pH值穩定在7～8，且在3次噴灑后逐漸趨于穩定，這說明噴灑3次后，孔隙已經被硅烷試劑所產生的薄膜封閉，增加噴灑次數對孔隙pH值沒有實質影響。從抗壓強度測定結果可以看出：硅烷試劑的噴灑對生態混凝土抗壓強度有所增強，隨著噴灑次數的增加，抗壓強度整體呈現先升高后趨于平穩的趨勢：噴灑次數為1次時抗壓強度為14.3 MPa，噴灑次數為2次時抗壓強度為15.5 MPa，噴灑次數為3次時抗壓強度為15.4 MPa，噴灑次數為4次時抗壓強度為15.7 MPa，噴灑次數為5次時抗壓強度為15.4 MPa；最大強度出現在噴灑次數為4次時，這說明噴灑4次是最佳的。綜合對比pH值和抗壓強度數據，可以看出噴灑次數在4次時，抗壓強度和pH值最佳。

表3 三種降堿方式的試驗方案表

圖1 硅烷試劑不同噴灑次數下的試驗結果曲線圖

2.2 檸檬酸的影響

檸檬酸溶液降堿方式屬于化學降堿方式，其可以中和生態混凝土孔隙中的(OH)-2基團，起到降堿作用。分別以1%、2%、3%、4%和5%濃度的檸檬酸處理生態混凝土試件，其孔隙pH值和抗壓強度測定結果如圖2所示。從孔隙pH值測定結果可以看出：檸檬酸溶液可以有效降堿，但隨著檸檬酸溶液濃度的增加，pH值從1%時的9.4逐漸升高至5%時的10.9，說明濃度的增加對降堿效果起副作用，1%時的pH值是最佳的。而通過抗壓強度測定結果的曲線可以看出：檸檬酸溶液對抗壓強度有降低的作用，隨著檸檬酸濃度的增加，抗壓強度呈現先降低后升高的趨勢，但抗壓強度始終低于0%濃度的抗壓強度13.65 MPa，其抗壓強度最大值出現在5%濃度的12.1 MPa和1%濃度的11.4 MPa。這是由于檸檬酸浸泡后，水化物的結構和穩定性被破壞，導致抗壓強度降低。綜合比較孔隙pH值和抗壓強度結果，說明1%濃度的檸檬酸降堿效果和抗壓強度最佳。

圖2 不同濃度檸檬酸浸泡后的試驗結果曲線圖

2.3 粉煤灰的影響

粉煤灰是廣泛應用于混凝土制備中的一種礦物材料，可有效改善生態混凝土的工作性能和力學性能，當用其替代水泥外摻于生態混凝土后，其pH值和抗壓強度結果如圖3所示。從圖3可以看出，粉煤灰的摻入可以明顯改善生態混凝土的pH值，且隨著粉煤灰摻量的增加，生態混凝土孔隙pH值也逐漸降低，達到了降堿效果；當摻量為5%時，孔隙pH值從0%的12.15降低至11.5，持續增大粉煤灰摻量到25%時，生態混凝土孔隙pH值降低至9.9，降低了18.5%。這是由于粉煤灰摻量提高的同時，水泥用量也逐漸降低，減少了水泥水化析出的堿性物質，從而使pH值降低。而摻入粉煤灰對生態混凝土抗壓強度有明顯提升，隨著粉煤灰摻量的增長，生態混凝土抗壓強度也逐漸升高，在粉煤灰摻量達到20%以后，抗壓強度的升高趨于穩定：在20%摻量時達到15.69 MPa，25%時達到15.62 MPa，變化不大。由于粉煤灰的摻量可以有效降低生態混凝土水泥用量，所以綜合考慮pH值和抗壓強度數值，降堿效果最佳且抗壓強度提升明顯的最佳粉煤灰摻量為25%。

圖3 添加不同摻量粉煤灰的試驗結果圖

2.4 不同降堿效果對比

根據3種不同降堿方式的測試結果，取A4、B1和C5為最佳降堿方案，即硅烷試劑噴灑4次、檸檬酸濃度為1%和粉煤灰摻量25%的降堿方案，開展不同降堿效果的對比。以抗壓強度為縱軸、pH值為橫軸，將3種最佳降堿方案的測試結果以橫縱坐標的形式標注在同一圖形中。由于規范規定生態混凝土降堿效果以pH值<10為宜，故以橫坐標pH值為10繪制一條“pH值達標線”，該線左側說明pH值滿足工程需求。同時，縱坐標以未經降堿處理的X0組抗壓強度值13.65 MPa繪制一條“抗壓強度基準線”，若方案位于“抗壓強度基準線”下方則視為抗壓強度降低，位于上方則視為抗壓強度提升，如后頁圖4所示。由圖4可以看出，A4、B1、C5這3種方案均滿足孔隙pH值要求，其中A4和C5方案在滿足pH值要求的同時，抗壓強度遠高于降堿處理前，所以在抗壓強度方面，A4和C5兩組方案比B1方案效果更好；但A4和C5方案雖均滿足pH值標準，但A4方案距離pH值達標線更遠，降堿效果更佳。通過綜合對比，A4方案在降堿效果和抗壓強度表現上更為突出，但C5由于粉煤灰可以在一定程度上降低水泥用量，且降堿過程不增加生態混凝土的制備工序，經濟效益方面更加突出。

圖4 不同降堿方式的效果對比結果圖

3 結語

為研究物理方式、化學方式和外摻方式對生態混凝土的降堿效果，采用噴灑硅烷試劑1～5次、置于檸檬酸濃度1%～5%溶液中、摻入粉煤灰5%～25%等方案，測試其孔隙pH值和試件抗壓強度，提出適用于工程領域的最佳降堿方案，結果表明：

(1)噴灑硅烷試劑降堿時，隨著噴灑次數的增加，孔隙 pH值有降低趨勢，抗壓強度整體呈現先升高后趨于平穩的趨勢，噴灑次數在4次時，抗壓強度和pH值最佳。

(2)采用檸檬酸溶液降堿時，隨著檸檬酸溶液濃度的增加，降堿效果逐漸變差，抗壓強度呈現先降低后升高的趨勢，1%濃度的檸檬酸降堿效果和抗壓強度最佳。

(3)采用外摻粉煤灰降堿時，隨著粉煤灰摻量的增加，降堿效果逐漸明顯，且抗壓強度有明顯提升，降堿效果最佳且抗壓強度明顯提升的最佳粉煤灰摻量為25%。

(4)綜合對比3種降堿方式的最佳方案，采用硅烷試劑噴灑4次的方案在降堿效果和抗壓強度表現上更為突出，而采用粉煤灰25%摻量時在經濟效益方面表現突出。