硅鉻渣混凝土的耐久性能研究

李 小 蘋(píng)

(張家口市正元工程檢測(cè)中心,河北 張家口 075000)

0 引 言

近年來(lái)我國(guó)鉻鐵工業(yè)發(fā)展迅速,帶來(lái)了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)利益,但同時(shí)產(chǎn)生了很多負(fù)面問(wèn)題,最嚴(yán)重的就是工業(yè)廢渣的產(chǎn)生、排放和處理問(wèn)題[1].鉻渣是鉻鐵工業(yè)產(chǎn)生的廢渣,其中含有重金屬—六價(jià)鉻,是一種致癌重金屬,嚴(yán)重危害人類(lèi)生活與環(huán)境.鉻渣污染是鉻鐵工業(yè)發(fā)展的難點(diǎn),對(duì)工業(yè)發(fā)展國(guó)家來(lái)說(shuō),鉻渣的處理是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),是急需解決的問(wèn)題[2].

另一方面,我國(guó)城市建設(shè)不斷推進(jìn),混凝土用量急劇增加,其天然砂石等材料資源面臨緊缺的問(wèn)題.如能將工業(yè)廢渣進(jìn)行資源化利用,不僅可以減少混凝土材料的使用,還能消耗廢渣,變廢為寶,對(duì)工業(yè)廢渣的綜合利用具有重要意義[3].

20世紀(jì)中期起,國(guó)內(nèi)外學(xué)者就對(duì)鉻渣處理的問(wèn)題展開(kāi)了研究.楊飛等[4]將高碳鉻渣作為集料,來(lái)配置混凝土,對(duì)其性能進(jìn)行了相關(guān)研究,表明高碳鉻渣當(dāng)作集料的可行性.楊峰等[5]對(duì)鉻鐵渣粉的物理性能進(jìn)行了檢測(cè),并對(duì)鉻鐵渣粉混凝土進(jìn)行了研究.結(jié)果表明,鉻鐵渣粉的摻入,可以改善混凝土自身的力學(xué)性能.朱效宏等[6]在堿礦渣水泥中,用鉻渣替換礦渣部分,進(jìn)行試驗(yàn)研究.結(jié)果表明,堿礦渣水泥對(duì)鉻渣的固化效率更高,且可大量消耗鉻渣廢料.張韶華等[7]將高碳鉻鐵渣作為主原料,摻入適量添加劑,制備輕骨料,研究其性能.結(jié)果表明,高碳鉻鐵渣制出的輕骨料,能滿(mǎn)足規(guī)范要求,且性能良好;鉻渣摻量的增加,導(dǎo)致集料堆積密度減小,孔隙率增加.Prasanna K Acharya等[8]研究了鉻鐵灰和鉻鐵渣代替水泥與骨料的可行性,結(jié)果表明,其混凝土力學(xué)性能良好.C.R.Panda[9]等將鉻渣作為集料,制備混凝土,結(jié)果表明,鉻渣集料制備混凝土具有可行性,其混凝土強(qiáng)度要高于普通混凝土.

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在鉻渣處理方面取得了很多成果,主要集中在鉻渣當(dāng)作集料、混合料的使用,但其研究深度不夠,對(duì)其力學(xué)性能、耐久性能等研究較少.本文主要是以硅鉻渣當(dāng)作細(xì)集料,制備混凝土,研究硅鉻渣混凝土的耐久性能,為硅鉻渣的綜合利用提供一定的借鑒.

1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用的主要原材料有硅鉻渣、集料(河砂、碎石)、水泥(P.O 42.5)、水和減水劑(高效,減水率26%).硅鉻渣選自某工業(yè)園,是其生產(chǎn)硅鉻合金時(shí)產(chǎn)生的廢渣,呈深灰色.主要化學(xué)成分見(jiàn)表1.

表1 硅鉻渣的主要化學(xué)成分

2 試驗(yàn)方案

按照《規(guī)程》[10]要求,以硅鉻渣作為細(xì)集料,設(shè)計(jì)本試驗(yàn)配合比,見(jiàn)表2.試樣A0為對(duì)照組,即普通硅酸鹽水泥制備的混凝土,試樣A1硅鉻渣的含量為60%,試樣A2硅鉻渣的含量為80%,試樣A3硅鉻渣的含量為100%.根據(jù)配合比,配制C40混凝土,通過(guò)抗氯離子滲透、抗碳化和抗凍融測(cè)試,對(duì)硅鉻渣混凝土的耐久性能進(jìn)行研究.

表2 配合比設(shè)計(jì)表

3 測(cè)試方法

3.1 抗氯離子的滲透性能測(cè)試

本試驗(yàn)采用RCM方法,測(cè)試試件抗氯離子的滲透性能.根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》[11]要求,制備圓柱型試件并試驗(yàn).標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d,測(cè)定并計(jì)算氯離子的擴(kuò)散系數(shù),其計(jì)算公式可見(jiàn)式(1)、式(2).

(1)

(2)

式中:DRCM—氯離子的擴(kuò)散系數(shù)(×10-12m2/s);xd—擴(kuò)散深度(m);T—溶液溫度的平均值(K);h—試件厚度(m);t—試驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間(s);α—輔助變量.

3.2 抗凍融性能測(cè)試

參照《標(biāo)準(zhǔn)》[11]中的方法,制備標(biāo)準(zhǔn)試件.標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24d,取出放入水中(20℃)浸泡4d,之后進(jìn)行相應(yīng)的凍融試驗(yàn).每組3個(gè)試件,試驗(yàn)開(kāi)始前,需要測(cè)試試件的初始彈性模量和質(zhì)量.每50次循環(huán),測(cè)量一次試件的彈性模量以及質(zhì)量.試驗(yàn)完成后,計(jì)算彈性模量以及質(zhì)量的損失率,從而反映凍融循環(huán)的損傷影響.

3.3 抗碳化性能測(cè)試

參照《標(biāo)準(zhǔn)》[11]中的方法,制備試件.標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d,取出后60℃烘干48h,除去兩個(gè)相對(duì)面,其他面石蠟密封,后放入碳化箱進(jìn)行抗碳化試驗(yàn).經(jīng)過(guò)相對(duì)應(yīng)的齡期,把試件一端劈裂,噴灑指示劑(酚酞溶液,濃度1%),測(cè)定碳化深度平均值.

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照試驗(yàn)方案,配置C40的混凝土,分別設(shè)置不同的硅鉻渣含量,制備相應(yīng)的試件,進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn).

4.1 抗氯離子的滲透性能分析

本試驗(yàn)采用RCM方法,測(cè)試試件抗氯離子的滲透性能,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1.

圖1 各組試件的氯離子擴(kuò)散速率

由圖1可知,A0為對(duì)照組,其擴(kuò)散速率是10.6×10-12m2/s,A3將河砂全部替換為硅鉻渣,擴(kuò)散速率是8.1×10-12m2/s,與A0相比,降低了23.6%.可見(jiàn)硅鉻渣當(dāng)作細(xì)集料,降低了擴(kuò)散速率,提高其抗氯離子的性能.A1是硅鉻渣含量60%的試驗(yàn)組,擴(kuò)散速率是4.8×10-12m2/s,A2硅鉻渣含量為80%,擴(kuò)散速率最小,是3.7×10-12m2/s,由此可見(jiàn),硅鉻渣含量增加,擴(kuò)散速率降低,但含量繼續(xù)增加,擴(kuò)散速率反而提高.

硅鉻渣當(dāng)作細(xì)集料,能夠提高抗氯離子的滲透性能,是因?yàn)楣桡t渣是活性集料,可以改善漿體結(jié)構(gòu),提高混凝土密實(shí)度,提高抗?jié)B透性能.而適量河砂的摻配,能夠改善集料顆粒級(jí)配,減少內(nèi)部連通孔,進(jìn)一步提高硅鉻渣混凝土抗氯離子的滲透性能.

4.2 抗碳化性能分析

碳化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,涉及物理和化學(xué)等學(xué)科.在這個(gè)過(guò)程中,混凝土的成分、結(jié)構(gòu)等方面產(chǎn)生變化.碳化深度是一種評(píng)價(jià)指標(biāo),可以最直接的說(shuō)明碳化程度.本試驗(yàn)采用指示劑法,測(cè)定不同齡期的碳化深度.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 不同齡期碳化深度

由表3可知,隨時(shí)間增加,碳化深度不斷增大,且A0作為對(duì)照組,碳化最嚴(yán)重,其28d碳化深度達(dá)到10.3mm.與對(duì)照組A0相比,試驗(yàn)組碳化程度均有降低.28d時(shí),A1碳化深度為5.1mm,A2碳化深度為6.2mm,A3碳化深度為7.3mm,各組碳化深度為A0>A3>A2>A1.

由以上分析可知,硅鉻渣當(dāng)作細(xì)集料,能夠較大幅度的改善其抗碳化性能,且適量河砂的摻配,進(jìn)一步的提高硅鉻渣混凝土的抗碳化性能.這是因?yàn)楣桡t渣具有活性作用,可以改善界面結(jié)構(gòu),降低孔隙率,降低CO2擴(kuò)散速率.而河砂摻入,能提高混凝土密實(shí)性,進(jìn)而降低碳化速度,提高抗碳化性能.

4.3 抗凍融性能分析

抗凍融性能,是耐久性的一個(gè)重要指標(biāo).本試驗(yàn)采用快速凍融試驗(yàn),測(cè)定彈性模量和質(zhì)量,來(lái)分析凍融循環(huán)的損傷影響.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3.

圖2 各組試件質(zhì)量損失率 圖3 各組試件彈性模量損失率

由圖2可知,凍融循環(huán)過(guò)程中,隨次數(shù)增加,質(zhì)量損失率增大,且試驗(yàn)組的質(zhì)量損失率均小于A0對(duì)照組.凍融循環(huán)初期,各組質(zhì)量損失率均較小,數(shù)值相差不大.100次之后,各組均加速上升,且A0組質(zhì)量損失率上升最快.300次循環(huán)后,A0損失率最大,為1.28%,A1是硅鉻渣含量60%的試驗(yàn)組,損失率最小,為0.57%,與A0相比,降低了55.5%.A2、A3是硅鉻渣含量80%、100%的試驗(yàn)組,其損失率達(dá)到0.65%、0.94%,與A0相比,損失率分別減小了49.2%和26.5%.各組質(zhì)量損失率為A0>A3>A2>A1.

由圖3可知,凍融循環(huán)次數(shù)不斷增加,彈性模量損失率也逐漸增大,且試驗(yàn)組的質(zhì)量損失率均小于A0對(duì)照組.300次凍融循環(huán)后,A1損失率最小,為3.1%,與A0相比,降低了68%.A2、A3分別為4.6%、7.1%.各組損失率為A0>A3>A2>A1.

由以上分析可知,硅鉻渣當(dāng)作細(xì)集料,會(huì)提高抗凍融性能.而適量河砂的摻入,可以繼續(xù)提高硅鉻渣制備的混凝土抗凍融性能.這是因?yàn)楣桡t渣的活性改善了界面結(jié)構(gòu),而河砂的摻入,能夠改善集料顆粒級(jí)配,提高密實(shí)性,從而提高抗凍融性能.

5 結(jié) 論

本文主要是以硅鉻渣當(dāng)作細(xì)集料,制備混凝土,通過(guò)抗氯離子滲透、抗碳化和抗凍融試驗(yàn),研究硅鉻渣混凝土的耐久性能.由此得到以下結(jié)論:

(1)硅鉻渣當(dāng)作細(xì)集料,提高了混凝土的耐久性,其抗氯離子滲透、抗碳化和抗凍融的性能均有不同程度的提高.

(2)硅鉻渣當(dāng)作細(xì)集料,制備混凝土?xí)r,適量河砂的摻入,可以繼續(xù)提高耐久性能.

(3)在本試驗(yàn)條件下,硅鉻渣含量為80%時(shí),抗氯離子的滲透性能最好,硅鉻渣含量為60%時(shí),抗凍融和抗碳化的性能最好.