鐵尾砂泡沫混凝土抗凍融性能及可靠性分析

朱利平,杜曉麗,鄒天民

(安徽理工大學土木建筑學院,淮南 232001)

0 引 言

泡沫混凝土具有保溫隔熱性好、抗震性好、輕質高強、易加工、施工方便等優點[1-2],廣泛應用于路堤填筑、隧道空隙填充、寒冷地區道路隔熱層、擋土墻、建筑外墻、基坑回填等工程[3-5]。

目前,工業副產品被認為是開發生態友好和可持續的混凝土可行材料。許多國內外學者通過摻入工業廢棄物(例如廢棄貝殼[6]、高爐礦渣[7]、棕櫚油灰[8]、甘蔗渣灰[9]等)提高泡沫混凝土的性能,取得了較好的效果。

鐵尾砂作為工業副產品,長期堆放不僅會占用土地,還會造成環境污染[10-12],提高尾礦綜合利用率特別是解決細粒鐵礦尾礦處理和天然砂短缺的問題迫在眉睫。Hou等[13]和Zhao 等[14]研究表明天然砂和鐵尾砂配制的混合砂可用于混凝土制備,在一定程度上能提升混凝土的性能。張玉琢等[15]研究表明,混凝土摻入鐵尾砂后的抗滲性增強,抗彎強度雖然略低于普通混凝土,但仍達到了抗彎設計標準值。趙蘇等[16]研究表明,隨著鐵尾砂摻量的增加,泡沫混凝土收縮率呈先增加后減小的趨勢。王建輝等[17]研究表明,混凝土摻鐵尾砂后,在硫酸鹽干濕循環下的質量損失顯著減少,抗壓耐腐蝕系數明顯增大。Zhu等[18]研究表明,以鐵尾砂為細骨料,不同再生集料置換率配制的混凝土均表現出良好的力學性能。因此,鐵尾砂泡沫混凝土有巨大的發展前景。

在我國西北地區,冬季持續時間長,氣溫低,晝夜溫差大,泡沫混凝土要反復經歷凍融循環作用。此外,鹽漬土在西北地區分布廣泛,其土壤含鹽量較高,泡沫混凝土極易受到鹽腐蝕、凍融循環雙因素耦合影響,發生性能衰退和破壞[19-20]。

為此,本文制備了5組目標密度為900 kg/m3的不同鐵尾砂摻量泡沫混凝土,對各組泡沫混凝土在硫酸鹽環境下進行凍融循環試驗,測試不同鐵尾砂摻量的泡沫混凝土在不同凍融循環次數下的質量損失、強度損失及孔隙面積率變化,分析凍融循環結束后泡沫混凝土試件內部微觀結構損傷。此外,以試件在一定試驗周期內的質量損失和強度損失作為衡量指標,評選最優配合比,建立基于Wiener隨機過程的可靠度函數,以此反映鐵尾砂泡沫混凝土的可靠度與硫酸鹽凍融循環損傷的關系,并預測試件剩余壽命。

1 實 驗

1.1 材 料

水泥采用淮南八公山牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥,其成分及物理性質見表1。粉煤灰(fly ash, FA)采用淮南某發電廠Ⅰ級粉煤灰,其成分及物理性質見表1。天然砂采用淮河中砂,其物理性質見表2。鐵尾砂采用淮南某鐵礦生產的鐵尾砂,其成分見表1,物理性質見表2,X射線衍射(XRD)譜見圖1。

圖1 鐵尾砂的XRD譜Fig.1 XRD pattern of iron tailings sand

表1 水泥、粉煤灰和鐵尾砂的成分和物理性質Table 1 Composition and physical properties of cement, fly ash and iron tailing sand

表2 細骨料的物理性質Table 2 Physical properties of fine aggregates

本文采用蛋白質基發泡劑,發泡劑的密度為1.03 g/cm3,發泡倍數為20倍,稀釋倍數為25倍,泡沫密度為50 kg/m3。

1.2 試驗設計

以鐵尾砂摻量和硫酸鹽環境下凍融循環次數為研究參數,共制備了5組目標密度為900 kg/m3的泡沫混凝土,鐵尾砂代替砂子的比例分別為0%、10%、20%、30%和40%(質量分數,下同),相應的樣品編號為A0、A1、A2、A3和A4,具體配合比見表3。由于鐵尾砂具有較細的粒徑和較大的比表面積,為了保證泡沫混凝土可工作性,微調水膠比(W/B)實現漿體均勻可鋪展,具體配合比見表3。

將水泥、粉煤灰、砂和鐵尾砂混合干拌2 min,隨后加入水攪拌均勻,用發泡機制備的泡沫(50 kg/m3)混合攪拌,直至漿體表面不再出現白色泡沫,然后放入涂油的模具中。

1.3 試驗方案

制備180個尺寸為100 mm×100 mm ×100 mm立方體試塊,在標準養護條件(相對濕度RH≥95%,溫度為(20±2) ℃)下養護28 d。

采用高低溫交變濕熱試驗箱進行凍融循環試驗,首先在(-18±3) ℃的環境下冷凍8 h,結束后在(18±3) ℃的5%(質量分數)硫酸鈉溶液中浸泡4 h,以此為一個循環。A0、A1、A2、A3和A4每組的循環次數均為0、20、40、60、80、100、120次,試驗要求溶液液面高出試件表面20～30 mm,每個月更換一次溶液以保證硫酸鈉溶液的濃度。每20次凍融循環后,測定試件的質量、強度和孔隙面積率,凍融循環結束后進行掃描電子顯微鏡(SEM)和XRD測試分析。此外,根據試驗結果,以質量損失、抗壓強度損失為衡量指標,選取最優配比,以Weiner函數研究其可靠性,對該配比下試件抗凍融的壽命進行預測。

2 結果與討論

2.1 質量損失

質量損失率一定程度上可以反映泡沫混凝土的損傷程度,其計算公式如式(1)所示。

(1)

式中:W表示質量損失率,%;M0、Mn分別表示未凍融循環和第n次凍融循環后試件的質量,kg。

各組鐵尾砂泡沫混凝土的質量損失率與凍融循環次數的關系如圖2所示。隨著凍融循環次數的增加,5組試件的質量均呈先增大后減小的趨勢。大約在凍融循環20次時,泡沫混凝土質量最大,隨著循環次數繼續增加,質量逐漸減小。質量改變的主要原因是硫酸鹽侵蝕和表面水泥砂漿剝落。凍融循環初期,硫酸鹽與泡沫混凝土反應,生成了鈣礬石(3CaO·Al2O3·CaSO4·31H2O)、石膏(CaSO4·2H2O)等膨脹礦物[21],反應產物在孔隙內逐漸沉積,導致質量增加。隨著凍融循環次數的增加,泡沫混凝土孔壁持續受到凍脹壓力作用,內部微細裂紋逐漸累積并發展成互相連通的裂縫,從而造成孔貫通及表面水泥砂漿剝落。同時,在硫酸鹽的侵蝕作用下,孔壁受到的膨脹壓力加劇,脫落的質量大于增加的質量,導致試件整體質量逐漸降低。

圖2 試塊質量損失率與凍融循環次數的關系Fig.2 Relationship between mass loss rate and freeze-thaw cycles of test block

普通泡沫混凝土的質量損失率明顯高于摻有鐵尾砂的泡沫混凝土,這是由于鐵尾砂顆粒較細,泡沫混凝土內部氣孔數量和直徑減小、固體基質增加,泡沫混凝土更密實,阻礙了硫酸鹽的侵入。然而,鐵尾砂與砂漿的附著力較差,鐵尾砂的含量過度會降低結構的完整性,增加有害孔隙的數量,從而導致質量損失率增高。20%鐵尾砂摻量泡沫混凝土的質量損失率最小,A4各組試件的質量損失率均高于A2,由大到小依次為A0、A4、A1、A3、A2。

2.2 抗壓強度損失

相對抗壓強度可以反映泡沫混凝土經過凍融循環后的強度損失,計算公式如式(2)所示。

K=(ft/f0)×100%

(2)

式中:K為相對抗壓強度,%;ft、f0分別為第t次凍融循環后和未凍融循環試件的抗壓強度,MPa。

各組鐵尾砂泡沫混凝土的相對抗壓強度與凍融循環次數的關系如圖3所示。由圖3可知,隨著凍融循環次數的增加,試件的抗壓強度總體呈下降趨勢。這是因為凍脹力和膨脹礦物削弱了試件內部顆粒的結合并惡化了內部結構[22-23]。由圖3還可以看出,鐵尾砂泡沫混凝土的強度損失低于普通泡沫混凝土。在凍融循環前期,鐵尾砂對泡沫混凝土的抗凍融性能的改善效果并不明顯,隨著凍融循環次數增加,抗凍融性能得到了顯著提升。120次凍融循環后,A1、A2、A3和A4的抗壓強度損失較A0分別提高了7.3%、10.2%、4.8%和1.9%。這可能是因為:1)細粒徑鐵尾砂可以改善顆粒級配,更好地填充泡沫混凝土內部孔隙,并優化孔隙結構,有效防止泡沫混凝土內部裂隙的擴展,使得混凝土抗凍性能顯著提升[24]。2)高濃度鐵離子的存在也對強度產生了積極的影響。3)鐵尾砂中的無定形活性物質與水泥水化過程中產生的過量Ca(OH)2二次反應,產生C-S-H凝膠,使得混凝土強度增加[25]。隨著鐵尾砂摻量的繼續增加,鐵尾砂泡沫混凝土強度下降,這是由于過量的鐵尾砂使泡沫混凝土內部黏結減弱、毛細管孔數量增加,從而加劇了硫酸鹽侵蝕。

圖3 試塊相對抗壓強度與凍融循環次數的關系Fig.3 Relationship between relative compressive strength and freeze-thaw cycles of test block

泡沫混凝土的外觀也清晰地反映了泡沫混凝土的強度損失情況。圖4為各組試件120次凍融循環后的表觀形貌。由圖4可以看出,所有試樣表面均形成一層白色晶體,普通泡沫混凝土表面更粗糙,邊緣劣化程度更高,孔隙合并更多。在試驗期間,所有試塊的外表面均未出現明顯裂縫。

圖4 泡沫混凝土120次凍融循環后的表觀形貌Fig.4 Morphologies of foam concrete after 120 freeze-thaw cycles

值得注意的是,Na2SO4雖然與泡沫混凝土反應生成了石膏等膨脹礦物,泡沫混凝土質量增加,但抗壓強度并未增強,這可能與泡沫混凝土的多孔結構有關。

2.3 孔隙面積率

泡沫混凝土主要由氣相和固相兩部分構成,含有大量氣孔,氣孔結構和孔隙特征的差異直接影響泡沫混凝土的性能[26-28]。孔隙面積率可以直觀地反映泡沫混凝土中的氣孔分布情況。孔隙面積率用圖像法測得,即使用顯微鏡處理系統對圖像進行分析,將圖像進行二值化處理,并對處理后的圖像進行統計計算[29]。泡沫混凝土的SEM照片和二值化照片見圖5。

圖5 泡沫混凝土的SEM照片和二值化照片Fig.5 SEM image and binary image of foam concrete

泡沫混凝土孔隙面積率與凍融循環次數的關系如圖6所示?？紫睹娣e率隨著凍融循環次數的增加明顯增大,但增大程度不同。凍融循環初期,普通泡沫混凝土孔隙面積率增速較快,鐵尾砂泡沫混凝土增速較慢。這是因為,鐵尾砂的摻入會改善顆粒級配,使內部的孔隙分布更加均勻,從而降低凍融早期孔隙面積率。但隨著凍融循環次數的增加,鐵尾砂泡沫混凝土與普通泡沫混凝土試件內部均逐漸產生微裂縫,孔隙面積率均逐漸增加。

圖6 試塊孔隙面積率與凍融循環次數的關系Fig.6 Relationship between pore area rate and freeze-thaw cycles of test block

2.4 微觀結構

通過SEM和XRD分析各組試件在凍融循環后的劣化程度。圖7為120次凍融循環后不同摻量的鐵尾砂泡沫混凝土的微觀形態。可以發現,各組試件內部結構呈疏松絮狀,各個試件孔隙中均出現了石膏和鈣礬石,這與泡沫混凝土質量的增加相吻合。當硫酸鹽與泡沫混凝土反應的產物填充孔隙時,產生了膨脹應力,在凍脹力和膨脹應力共同作用下,出現了大量裂縫。與A0相比,A1和A2試件的裂縫較小,裂縫寬度較窄,長度較短。但與A2相比,A4表面不平整,孔隙增多,表面比較粗糙,完整性較差,這表明隨著鐵尾砂摻量繼續增加,泡沫混凝土的微觀結構損傷程度加劇。這是因為高摻量的鐵尾砂使泡沫混凝土孔隙減小,而小孔隙相對于大孔隙受到反應產物的影響更大,大孔隙有更多空間容納石膏和鈣礬石,延遲孔隙填充,減小膨脹應力。這一結果也與抗壓強度的測試結果相一致,表明隨著鐵尾砂摻量的繼續增加,泡沫混凝土的性能劣化程度更高。

圖8為120次凍融循環后泡沫混凝土的XRD譜。XRD譜證實了上述結果,并表明在硫酸鹽環境下凍融循環120次后,泡沫混凝土中出現了石膏和鈣礬石。

圖8 120次凍融循環后泡沫混凝土的XRD譜Fig.8 XRD patterns of foam concrete after 120 freeze-thaw cycles

2.5 可靠性分析

Wiener退化過程模型是基于性能退化數據進行可靠性評估的模型,可以較為準確地描述硫酸鹽環境凍融循環作用下鐵尾砂泡沫混凝土性能劣化全過程[30]。

基于Wiener退化過程,以質量損失與抗壓強度為評價指標,以鐵尾砂泡沫混凝土抗凍性能的最優配合比,即鐵尾砂的替代率為20%時,建立試件的可靠度模型并預測剩余壽命。

由Wiener過程的性質可知

Δx～N(μΔt,σ2Δt)

(3)

根據《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》(GB/T 50082—2009),當試件質量損失達到5%或抗壓強度損失達到25%時,混凝土試件達到破壞標準。本文計算質量損失達到失效閾值時,Df取值0.05;計算抗壓強度損失達到失效閾值時,Df取值0.25。

某時刻概率密度似然函數為

(4)

對式(4)取對數,對μ和σ2求偏導數,可以得到μ和σ2的極大似然估計為

(5)

(6)

因此,可靠度點估計為

(7)

式中:Δx表示試件在相鄰時刻的耐久性退化量,Zij表示第i個試件在第j次的退化量,tij表示第i個試件的第j次測試的時間,μ為漂移系數,σ為擴散系數,mi為第i個樣本的監測次數,Df為試件的失效閾值。

圖9 試件凍融循環可靠度曲線Fig.9 Reliability curves of freeze-thaw cycle of specimen

由圖9可知,以質量損失為衡量指標時,凍融循環363次左右的試件完全失效;以抗壓強度為衡量指標時,凍融循環300次左右的試件完全失效。在凍融初期,可靠度基本保持不變,隨著試驗進行,可靠度大幅度降低,以抗壓強度為衡量指標所對應的可靠度下降得更快,這表明對于鐵尾砂泡沫混凝土抗壓強度損失比質量損失更為敏感。因此,最優配比下的鐵尾砂泡沫混凝土能夠經受硫酸鹽環境下300次凍融循環作用。

3 結 論

1)鐵尾砂能明顯提高泡沫混凝土的抗凍融能力,摻量為20%時,泡沫混凝土的抗凍融性能最好,摻量為40%時,抗凍融能力與普通泡沫混凝土最為接近。

2)隨著凍融循環次數的增加,各組試件的質量均呈先增加后減小的趨勢,在凍融次數為20次左右時,試件的質量最大;抗壓強度和孔隙面積率呈下降趨勢。抗壓強度與孔隙面積率的回歸擬合較好,可以用抗壓強度來衡量泡沫混凝土的內部損傷。

3)硫酸鹽和凍融循環的共同作用改變了泡沫混凝土的微觀形貌,隨著凍融次數的增加,在凍脹力和膨脹應力的共同作用下,內部孔隙連通形成裂縫,抗壓強度降低。

4)基于Wiener退化過程可以發現,抗壓強度相對于質量損失對泡沫混凝土的凍融損傷更為敏感。最優配合比下的鐵尾砂泡沫混凝土能夠經受約300次凍融循環。