?；郀t礦渣微粉對橋梁混凝土耐久性能影響

王 萌，陳 兵，張宗圣

（中交一公局第五工程有限公司，北京 100024）

引言

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)以及基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)快速發(fā)展，混凝土材料用量激增，導(dǎo)致不可再生的天然砂石資源面臨枯竭。同時(shí)，因建筑物改建產(chǎn)生的數(shù)量龐大的廢棄混凝土，主要被用作基層材料或直接掩埋、就地堆放，對環(huán)境污染大且造成資源浪費(fèi)。將廢混凝土經(jīng)處理制備成再生混凝土不但可以解決天然砂石資源儲量不足的問題，還能有效利用廢棄混凝土，實(shí)現(xiàn)混凝土工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。再生骨料由廢棄混凝土經(jīng)破碎、篩分制備而成，與天然骨料相比，具有表面附著舊砂漿和存在原始微裂縫等特征，導(dǎo)致呈現(xiàn)吸水率，孔隙率和壓碎指標(biāo)高、比重低[1-2,4,8]，進(jìn)而影響混凝土力學(xué)性能和耐久性能[2]。研究表明，再生骨料強(qiáng)化處理技術(shù)可改善骨料品質(zhì)，從而提高混凝土力學(xué)性能和耐久性能[3-6]。

高爐礦渣微粉（GGBS）是常用礦物摻合料之一，是冶煉生鐵時(shí)高爐中排出的熔渣經(jīng)水淬冷得到的副產(chǎn)物，具有潛在水化性，摻加到混凝土中能夠在堿環(huán)境下得到激發(fā)發(fā)生水化反應(yīng)[1]。LI等[2]發(fā)現(xiàn)GGBS可增強(qiáng)混凝土結(jié)合Cl-能力，提高混凝土抗氯離子滲透性能。GAO等[3]發(fā)現(xiàn)GGBS在混凝土養(yǎng)護(hù)前28 d火山灰活性最顯著。CHENG等[4]研究表明，GGBS能夠明顯降低混凝土界面過渡區(qū)Ca（OH）2晶體含量和結(jié)晶尺寸，并指出雙摻GGBS和粉煤灰能夠有效降低界面過渡區(qū)缺陷，使混凝土抗侵蝕能力增強(qiáng)。宋力等[5]研究指出，粉煤灰與礦渣超復(fù)合疊加效應(yīng)，能形成更低孔隙的水泥膠體，優(yōu)化界面微觀結(jié)構(gòu)。WAYNE等[6]提出引入GGBS可以延緩混凝土微裂紋出現(xiàn)時(shí)間，提高混凝土耐久性能，并指出GGBS摻量最高可達(dá)50%。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于向混凝土引入GGBS的研究主要集中于普通混凝土和再生混凝土，而關(guān)于GGBS對強(qiáng)化再生骨料制備的混凝土耐久性能鮮有研究。

1 原材料與試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 膠凝材料

（1）采用P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，主要物理性能指標(biāo)見表1。（2）礦物摻合料包括粉煤灰、硅灰和粒化高爐礦渣微粉，主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 水泥主要物理性能指標(biāo)

表2 礦物摻合料主要指標(biāo)

1.1.2 骨料

粗骨料選用5～20 mm連續(xù)級配天然碎石和再生骨料，為改善再生骨料品質(zhì)，對其進(jìn)行強(qiáng)化處理。處理方式：（1）水泥漿液強(qiáng)化[7]：分別配制水灰比1∶1的純水泥漿液、摻30%粉煤灰的水泥漿液以及摻10%硅灰的水泥漿液，按再生骨料與漿液比1∶1，將骨料浸泡在水泥漿液中，待其初凝后取出晾干備用，三種水泥漿液強(qiáng)化處理后再生骨料分別編號為：RAE1、RA-E2和RA-E3。（2）碳 化：采 用CCB-70型碳化箱，碳化溫度20 ℃±5 ℃、濕度60%±5%，CO2濃度為20%±5%，碳化一定時(shí)間后，將一部分再生骨料研碎后均勻攤開，噴灑1%濃度酚酞溶液，目測碳化樣品變紅區(qū)域小于5%即視為完全碳化，碳化處理后再生骨料編號為RA-E4。粗骨料主要性能指標(biāo)見表3。細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.6天然河砂。

表3 粗骨料主要性能指標(biāo)

1.1.3 外加劑

采用聚羧酸高性能減水劑，減水率高達(dá)25%以上，摻量為水泥質(zhì)量的1.1%。

1.2 試驗(yàn)配合比

在前期試驗(yàn)基礎(chǔ)上，配制C30混凝土，其中膠凝材料用量為340 kg/m3，GGBS以等質(zhì)量方式取代水泥量（0%、10%、20%、30%、40%、50%和60%），再生骨料取代率為100%，砂率為40%，通過調(diào)整水灰比使混凝土坍落度控制在180～220 mm，混凝土配合比見表4。

表4 混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工作性能

依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB50080—2002）規(guī)定，采用坍落度表征混凝土工作性。

1.3.2 力學(xué)性能

依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB50081—2002）規(guī)定，測試混凝土試件抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，試件尺寸分別為150 mm×150 mm ×150 mm和150 mm×150 mm×550 mm。

1.3.3 耐久性能

依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（BG/T50082—2009）規(guī)定，采用接觸法測定試件收縮性能，試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm，試件在3 d齡期從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出并置于恒溫、恒濕室測初始長度，此后養(yǎng)護(hù)至待測齡期測試試件收縮值。采用RCM法測試混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，試件尺寸為Ф100 mm×50 mm。試樣養(yǎng)護(hù)26 d后從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出，在60 ℃烘箱中干燥48 h，留下一個(gè)側(cè)面并以10 mm為間距做好標(biāo)記，其余面用石臘密封，放入碳化箱進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

許沁自然不是一般的女人，一般的女人也做不了老板。許沁很精明，玉敏碰壁在她的預(yù)料之中。許沁也沒有找王立，她要親自找葛局長。許沁這么做，是經(jīng)過深思熟慮的，她相信她能夠說服葛局長。

采用S4800環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）觀測再生混凝土微觀結(jié)構(gòu)。收集測完28 d力學(xué)性能的CAM碎塊，將其磨成直徑約5 mm，高度約3 mm小塊，測試前對試樣噴金處理，測試溫度為20 ℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 GGBS摻量對混凝土收縮性能影響

GGBS摻量對混凝土收縮性能影響試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 不同齡期下GGBS摻量對強(qiáng)化處理再生混凝土收縮值影響

隨著GGBS摻量的增加，改性再生混凝土收縮值不斷降低，當(dāng)GGBS摻量大于40%時(shí)，試件收縮值降低幅度減少。結(jié)果表明，為改善再生混凝土收縮性能，確定GGBS最佳摻量為40%。在四種強(qiáng)化處理方式中，水泥漿+30%粉煤灰對改善試件收縮效果最佳，而純水泥漿改善效果最小。因?yàn)榛炷猎嚰稍锸湛s主要取決于試件與外界環(huán)境濕度差，兩者濕度差越大，濕交換越多，故試件收縮值越大。向混凝土中引入GGBS，可作為輔助膠凝材料，提高混凝土黏聚性和保水性，使試件早期濕度交換減小，而且GGBS中活性SiO2和A12O3含量較高，能與水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物填充混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，使試件孔隙率和平均孔徑減小，進(jìn)而提高其密實(shí)度，降低收縮值。經(jīng)水泥漿液強(qiáng)化處理的再生骨料，可發(fā)揮內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，增強(qiáng)再生骨料之間表面機(jī)械咬合作用，強(qiáng)化混凝土界面過渡區(qū)，提高混凝土界面彈性模量與抗干縮變形能力[9]。而摻加30%粉煤灰的水泥漿液的火山灰效應(yīng)、微集料填充效應(yīng)以及二次水化反應(yīng)效果更佳，故RAC-E2試件表現(xiàn)出最小的收縮值。而經(jīng)碳化處理的再生骨料會生成無定型硅膠和碳酸鈣晶體，填充再生骨料孔隙結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)致密，降低混凝土的干燥收縮[10]。

2.2 GGBS摻量對混凝土抗氯離子滲透性能影響

GGBS摻量對混凝土抗氯離子滲透性能影響試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 GGBS摻量對改性再生混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響

由圖2可知，改性再生混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)均比未強(qiáng)化混凝土低。隨著GGBS摻量增加，混凝土抗氯離子侵蝕性能均增強(qiáng)，GGBS摻量為40%時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低最為顯著，當(dāng)GGBS摻量超過40%后，氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低較為平緩，表明此時(shí)混凝土內(nèi)部已達(dá)到最優(yōu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)[11]。結(jié)果表明，為改善再生混凝土抗氯離子滲透性能，確定GGBS最佳摻量為40%。經(jīng)水泥漿+硅灰（RAC-E3）和水泥漿+粉煤灰（RAC-E2）處理的再生骨料混凝土抗氯離子滲透系數(shù)較其他系列混凝土更低。因?yàn)樗酀{液中摻入的硅灰和粉煤灰等礦物摻合料和GGBS相互激發(fā)在再生骨料界面發(fā)生二次水化和微集料疊加效應(yīng)[12]，降低孔隙率和改善孔徑分布，使混凝土更加密實(shí)，且GGBS摻入能夠提高混凝土中friedel鹽含量，進(jìn)一步提高混凝土抗氯離子滲透性。

2.3 GGBS摻量對混凝土抗碳化性能影響

GGBS摻量對混凝土抗碳化性能影響試驗(yàn)結(jié)果見圖3?？梢钥闯觯海?）早期（7 d齡期）時(shí)，未強(qiáng)化再生混凝土碳化深度受GGBS摻量增長顯著，而改性再生混凝土隨GGBS摻量增加碳化深度增長較小，但摻量超過40%，碳化深度增長加快。早期混凝土抗碳化性能受密實(shí)度和混凝土中堿含量影響，摻入的GGBS火山灰效應(yīng)能顯著降低混凝土中Ca（OH）2含量且水化生成的C-S-H凝膠又與CO2反應(yīng)吸附更多堿離子，進(jìn)一步降低混凝土pH值，而未經(jīng)強(qiáng)化再生混凝土密實(shí)度比強(qiáng)化再生混凝土差，CO2更易進(jìn)入混凝土，使混凝土抗碳化性能顯著降低[13]。（2）后期（28 d齡期）時(shí)，GGBS摻量為40%時(shí)，摻硅灰與粉煤灰強(qiáng)化的再生骨料混凝土碳化深度較其他強(qiáng)化處理增長明顯，但增長幅度不大。因?yàn)榇藭r(shí)混凝土已達(dá)到最優(yōu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)[10]，混凝土抗碳化性能主要受堿含量影響，水泥漿液中礦物摻合料與GGBS在界面處相互激發(fā)的火山灰效應(yīng)較好，堿含量進(jìn)一步降低而引起碳化深度增長[14]。GGBS摻量的進(jìn)一步增加，使混凝土最優(yōu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞以及堿含量的繼續(xù)降低，加快混凝土碳化。因此，為改善再生混凝土抗碳化性能，確定GGBS最佳摻量為40%。

圖3 GGBS摻量對改性再生混凝土抗碳化性能影響

2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

混凝土微觀結(jié)構(gòu)形貌測試結(jié)果見圖4。

圖4 強(qiáng)化處理再生骨料混凝土微觀結(jié)構(gòu)

（1）由圖4（a）可見，未強(qiáng)化處理的再生骨料混凝土內(nèi)部存在一定數(shù)量針棒狀鈣礬石（AFt）和層片狀氫氧化鈣（CH），微觀結(jié)構(gòu)疏松多孔。（2）由圖4（b）可見，水泥漿液改性處理的再生骨料混凝土界面處生成大量棒狀的AFt和絮狀C-S-H凝膠，增加了混凝土密實(shí)度，且礦物摻合料的摻入，進(jìn)一步填充再生骨料孔隙以及后期的二次水化使界面結(jié)構(gòu)更優(yōu)化，效果更好。（3）由圖4（c）可見，經(jīng)碳化處理的水化產(chǎn)物生成板條狀或纖維狀碳酸鈣（文石和方解石），填充了再生骨料孔隙結(jié)構(gòu)，使孔隙率降低，結(jié)構(gòu)更加致密。（4）由圖4（d）可見，GGBS的引入使再生混凝土中大量針狀鈣礬石和板狀Ca（OH）2的含量與晶體尺寸明顯減小，火山灰反應(yīng)生成大量絮狀C-S-H凝膠填充了孔隙結(jié)構(gòu)，使孔隙率和孔徑顯著減小，混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，耐久性更好。

3 結(jié)語

通過研究再生骨料強(qiáng)化處理技術(shù)和粒化高爐礦渣微粉摻量對混凝土收縮性能、抗氯離子滲透性能以及抗碳化性能等影響，并利用SEM分析了混凝土微觀結(jié)構(gòu)。得到結(jié)論：（1）四種強(qiáng)化處理技術(shù)對混凝土耐久性能改善效果排序?yàn)樗酀{+粉煤灰＞水泥漿+硅灰＞碳化處理＞純水泥漿。（2）再生骨料經(jīng)強(qiáng)化處理后對混凝土耐久性雖有一定改善作用，但摻入GGBS會使再生混凝土收縮值和氯離子滲透性降低，在最佳摻量40%時(shí)，混凝土后期抗碳化性能有所降低，但降低幅度不大。（3）GGBS可降低再生混凝土中Ca（OH）2含量和尺寸，優(yōu)化混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，增加密實(shí)度，提高其耐久性能。