錳渣摻量對高強混凝土性能的影響規(guī)律及最優(yōu)配比試驗

林錦眉，張 波

(廣東工業(yè)大學 華立學院，廣東 廣州 511325)

0 前 言

高強混凝土為抗壓強度超過60 MPa的混凝土，具有抗壓強度高、抗變形能力強、密度大、孔隙率低的特點[1]。但隨著社會生態(tài)環(huán)境惡化、建筑要求逐漸嚴格、建筑難度不斷增大等外在因素影響，現(xiàn)有的高強混凝土耐久性難以滿足建筑需求，因此將錳渣摻入到高強混凝土制備物料中，通過研究錳渣摻量對高強混凝土性能的影響規(guī)律，設置錳渣摻量最優(yōu)配比。錳作為國家重要的戰(zhàn)略資源之一，現(xiàn)階段使用廣泛，但隨之而來產生了大量的錳渣，這些呈酸性或弱酸性的錳渣作為廢棄物，對自然環(huán)境有惡劣影響。因此相關學者根據(jù)錳渣研究其化學成分，發(fā)現(xiàn)通常情況下的錳渣含有Ca、Mn、Si以及S等元素，還有少量的Cr、Cu以及Zn等元素，因此提出將錳渣摻入到高強混凝土制備物料中，減少污染廢棄物的同時，增強高強混凝土的性能[2-3]。

1 錳渣摻量對高強混凝土性能的影響

1.1 材料準備

選擇原材料包括水泥、砂子、石子、水、減水劑、粉煤灰以及錳渣，以強度、易性、耐久性和安全性作為制備試件的基本要求，按照表1設置的比例，制備高強混凝土試件。

表1 高強混凝土試件配比方案

按照上表1對混合物料進行稱重，然后混合制備高強混凝土混合物料，將其倒入混凝土制備模具中，通過震動充分混合物料，并保證物料填充均勻，再抹平表層，對試件進行整體養(yǎng)護，養(yǎng)護結束后拆模，進行二次養(yǎng)護，完成對高強混凝土試件的制備[4]。高強混凝土試件制備過程如圖1所示。

圖1 高強混凝土試件制備過程

測試共制備10個高強混凝土試件，每兩個試件為一組，一個用來進行實驗，一個作為備用。實驗準備完畢后，開始對高強混凝土耐久性進行測試。

1.2 高強混凝土耐久性第1階段測試

將制備完畢的試件，放在(20±1)℃的水中浸泡4 d，參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，當試件齡期為28 d時，采用快凍法進行凍融循環(huán)試驗，試驗將快速凍融試驗機的最高溫度設置在5℃，最低溫度設置在-20℃，共凍融循環(huán)300次，測試開始之前，每凍融循環(huán)50次，測定一次質量和橫向基頻，并根據(jù)下列公式，計算凍融后，試件的質量損失和相對動彈性模量[5]。

(1)

式(1)中：Ln表示n次凍融循環(huán)后，混凝土試件的平均質量損失率，%；ΔLni表示第i個混凝土試件的質量損失率，%；L0i表示凍融循環(huán)試驗開始之前，試件的質量，g；Lni表示凍融循環(huán)結束后，試件的質量，g。

式(2)中：E表示n次凍融循環(huán)后，高強混凝土試件的相對動彈性模量，%；Ei表示第i個混凝土試件的相對動彈性模量，%；pni表示混凝土試件的橫向基頻，Hz；p0i表示凍融循環(huán)試驗開始之前，混凝土試件橫向基頻初始值，Hz。根據(jù)上述內容進行高強混凝土試件的快速凍融試驗。

以上一階段試驗條件為參考，將試件真空保水后，進行電通量試驗，向與電源正極相連接的試驗槽內，注入摩爾濃度為0.3 mol/L的NaOH溶液；再向與電源負極相連接的試驗槽內，注入濃度為3%的NaCL溶液，注意要保證溶液充滿試驗槽后再接通電源。測試記錄電流初始數(shù)值，然后每間隔10 min記錄一次，直至試驗滿6 h。該期間內的電通量值，可利用下列公式進行計算[6]。

D=900(A0+2A30+2A60+…+2A330+A360)

(3)

式(3)中：D表示通過試件的總電通量；A0表示初始電流。下圖2為兩組測試使用的試驗裝置實物圖。

圖2 試驗裝置

利用上述設備開始實驗，下圖3為5組高強混凝土試件，進行凍融循環(huán)后的表層形態(tài)變化過程。

圖3 凍融循環(huán)測試結果

根據(jù)圖3測試結果可知：試件1、2、3的凍融次數(shù)為50次時，混凝土表層開始出現(xiàn)細紋與孔隙；當凍融次數(shù)達到150次時，則開始掉渣，混凝土表層出現(xiàn)塊狀脫落現(xiàn)象；當凍融循環(huán)次數(shù)達到300次時，試件1、2、3均橫向裂縫。而試件4、5在初始凍融階段的變現(xiàn)與前3組試件并無明顯差異，當凍融次數(shù)達到100次時，試件4的細紋與孔隙擴大，試件5則出現(xiàn)了掉渣的情況；當凍融次數(shù)達到200次時，試件4、5出現(xiàn)橫向裂縫。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可知：5組試件的錳渣配比不一致，試件4的錳渣配比最??；試件5的錳渣配比最大；前3組試件的錳渣配比一致。再測試試件的相對動彈性模量。結果如下圖4所示。

圖4 高強混凝土凍融相對動彈性模量變化

根據(jù)圖中曲線變化趨勢可知：300次凍融循環(huán)測試下，試件1、2、3的相對動彈性模量最小值在50%～60%之間，而試件4在第300次凍融循環(huán)測試后，其相對動彈性模量僅為37.25%，試件5其相對動彈性模量僅為32.67%。相比之下，前3個高強混凝土的性能更佳。因此根據(jù)此次測試結果初步判斷，錳渣配比影響高強混凝土性能。

1.3 錳渣摻量對高強混凝土性能的影響規(guī)律分析

根據(jù)上一節(jié)測試結果，分析錳渣摻量對高強混凝土性能的影響規(guī)律。首先，分析錳渣對高強混凝土干燥收縮性能的影響。當混凝土在不飽和的空氣中，失去孔隙和凝膠孔中的吸附水時，會造成高強混凝土干燥收縮[7]。下圖5為根據(jù)試驗測試得到的混凝土干燥收縮性能分析結果。

圖5 混凝土干燥收縮性能

已知錳渣在早期過程中，其活性相對較低，水化速度偏慢，因此初始階段的混凝土水分含量較大，在干燥的測試環(huán)境中，其收縮相對較大。但錳渣充分發(fā)揮其活性后，填充了混凝土中的孔隙，彌補因水分過大出現(xiàn)的部分收縮現(xiàn)象，因此控制了混凝土的干燥收縮值。根據(jù)圖5曲線可知：由于試件4的錳渣摻量配比較小，導致混凝土干縮值極低，造成混凝土試件的牢固性下降；試件5由于錳渣摻量配比較大，導致混凝土過度干縮，造成了試件快速斷裂。而前3組試件的錳渣摻量配比最為適中，因此其干燥收縮性能相對最佳，延長了試件的使用時間。

混凝土中抗氯離子的滲透性混凝土中抗氯離子的滲透性直接體現(xiàn)了混凝土的空隙度情況，當抗氯離子滲透性較高時，說明混凝土的孔隙度較小，混凝土的密實度較好[8]。下圖6為混凝土抗氯離子滲透性能分析結果。

圖6 混凝土抗氯離子滲透性能

根據(jù)圖中統(tǒng)計結果可知：試件1、2、3在6 h內的平均通過電量約為4 226 C，比試件4降低了近1 500 C，比試件5降低了近1 700 C。而因為混凝土的水灰比較大，因此錳渣混凝土在6 h之間的通過電量，依舊超過4 000 C，屬于氯離子滲透性高的級別。可見錳渣摻入混凝土物料中后，錳渣帶來的集料效應和火山灰效應，減少了混凝土的孔隙率，并縮小了空隙直徑，使抗氯離子滲透性能得到提高。

最后分析錳渣摻量對高強混凝土抗碳化性能的影響。當空氣中的二氧化碳與混凝土內部的物質接觸后，發(fā)生的反應就被稱為碳化反應，該反應降低了混凝土的pH值，嚴重影響高強混凝土的耐久性[9]。圖7為5個試件的抗碳化性能分析結果。

圖7 混凝土抗碳化性能

已知混凝土碳化深度隨齡期的增長而增加。根據(jù)圖7結果可知：試件1、2、3的碳化深度，與試件4之間相差約3 mm，與試件5之間相差約2.5 mm?？梢婂i渣會使混凝土抗碳化性能有所降低，而不同的錳渣配比，會直接影響高強混凝土的耐久性。

綜合上述3組分析：發(fā)現(xiàn)錳渣摻量配比過大，則高強混凝土的抗碳化性能下降、干燥收縮性能提升、抗氯離子滲透性能提升；錳渣摻量配比過小，則高強混凝土的抗碳化性能提升，而干燥收縮性能與抗氯離子滲透性能下降。因此需要重新調整錳渣摻量配比，同時提升高強混凝土的3項性能。

2 錳渣摻量最優(yōu)配比試驗

2.1 調整錳渣配比

已知了錳渣對高強混凝土性能的影響規(guī)律，利用下列公式計算高強混凝土的抗壓強度，根據(jù)該計算結果，重新調整錳渣配比。

式(4)中：λ1、λ2表示回歸系數(shù)；Fce表示高強混凝土標準膠砂抗壓強度；Fq表示水灰比為0.5時的28天抗壓強度；q表示材料總量；μ表示水灰比參數(shù)；g(X)表示摻合料強度效應函數(shù)[10]。利用上述計算結果，綜合表1重新調整錳渣摻量，結果如下表2所示。

表2 調整后的錳渣摻量

以上述數(shù)據(jù)為基礎，重新制備試驗測試試件，為保證測試結果可靠，擴大第2階段測試的試件個數(shù)，因此每組試件的制備數(shù)量均為20個，5組總計100個高強混凝土試件。以此分析高強混凝土性能最佳時，錳渣摻量的配比。

2.2 高強混凝土耐久性第2階段測試

此次試驗受測試硬件的限制，設置的水壓力僅能加到4.2 MPa，當水壓力達到4.2 MPa時，同樣的測試組中，表面滲水的試件若少于2個，則證明試件的抗?jié)B等級滿足此次試驗要求。而高強混凝土的抗?jié)B等級，可利用下列公式進行區(qū)分：

B=10G-1

(5)

式(5)中：B表示抗?jié)B等級；G表示有2個及2個以上試件滲水時的水壓。下表3為5組試件中，前10個試件的抗水滲透試驗測試結果。

表3 不同錳渣配比的高強混凝土抗?jié)B透性能測試

根據(jù)表3中的測試結果可以看出：當最大水壓力設置在4.2 MPa時，試件1組和試件5組的中的試件，均有2個及2個以上的滲水情況發(fā)生。而試件2、3、4組中的10個混凝土試件，均無滲水情況發(fā)生。為了試驗的嚴謹性，又將試件2、3、4組中的混凝土試件劈開，發(fā)現(xiàn)所有試件均沒有滲水問題。綜合表3數(shù)據(jù)可知：當錳渣摻量配比在11.5%～13.5%之間時，高強混凝土的抗?jié)B透性最好，可見此時的錳渣摻量為最優(yōu)配比。

再對高強混凝土的碳化深度進行測試，將5組試件的后10個作為測試對象，其碳化深度測試結果，如下表4所示。

表4 不同錳渣配比的高強混凝土抗碳化性能測試

根據(jù)表4中的計算結果可知：當錳渣配比越大時，則混凝土碳化深度越深，可見錳渣配比不宜偏高。而試件1與試件2的測試結果相差極小，可見錳渣配比過小，也會加大試件的碳化程度?？剂可鲜鰷y試結果，發(fā)現(xiàn)試件2、3、4組的抗碳化性能最佳，即當錳渣摻量配比在11.5%～13.5%之間時，高強混凝土的抗碳化性能最好。綜合上述測試結果可以印證，將錳渣摻量配比控制在11.5%～13.5%之間時，高強混凝土的耐久性最佳。可見對于混凝土耐久性來說，11.5%～13.5%的錳渣摻量配比最優(yōu)。

3 結 語

此次提出的試驗，以提高高強混凝土耐久性為研究基礎，但由于高強混凝土還具備抗壓性、抗折性以及抗裂等力學性能，因此得到的錳渣摻量最優(yōu)配比，面對其他性能測試時，可能會出現(xiàn)少許偏差，因此針對這一問題，可以在試驗硬件、試驗時間以及人員均充分的前提下，將此次得到的錳渣最優(yōu)配比應用到高強混凝土的其他性能測試中，若存在偏差，則可以進一步調整高強混凝土的錳渣摻量配比。