干濕循環(huán)對(duì)礦產(chǎn)廢渣混合砂漿的力學(xué)性能影響研究

張海林

(中鐵城建集團(tuán)南昌建設(shè)有限公司 江西南昌 330002)

1 引言

目前，世界范圍內(nèi)大量的工業(yè)副產(chǎn)品被用作建筑材料的原材料。不同類型的礦渣是選礦過程中的副產(chǎn)品，在混凝土生產(chǎn)中利用工業(yè)副產(chǎn)品可以顯著提高建筑業(yè)的可持續(xù)性。由于骨料在混凝土或砂漿中所占的體積比要大得多，因此使用?；V渣作為骨料可以大大增加其用量。另外，使用?；V渣作骨料不需要粉磨，有效節(jié)約了成本和能源。目前國家對(duì)天然砂作為細(xì)骨料的需求增長迅速，因此，使用粒化礦渣被認(rèn)為是一種替代天然砂生產(chǎn)混凝土的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的方法。

在不同類型的礦渣集料中，煤底灰、鋼渣、銅渣和鎳鐵礦渣(FNS)產(chǎn)量相當(dāng)大。骨料對(duì)混凝土的工作性、強(qiáng)度和耐久性等性能都起著至關(guān)重要的作用[1]。廢渣作為細(xì)骨料會(huì)降低混凝土初始養(yǎng)護(hù)后的抗壓及抗拉強(qiáng)度。力學(xué)性能的改善歸因于集料顆粒的更高的粗糙度，這可以改善水泥漿體和集料之間的粘結(jié)；然而，與天然骨料相比，鋼渣骨料在加速老化和凍融暴露下混凝土的強(qiáng)度損失更大。在干濕循環(huán)作用下，鋼渣骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度損失超過25%。電爐渣的不良性能歸因于爐渣中含有有害的游離石灰和方鎂石[2]。FNS部分取代砂可提高硬化混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度。這些力學(xué)性能的改善歸功于FNS的物理特性，如高容重、良好的分級(jí)和顆粒的角度，從而改善了骨料和漿體之間的粘結(jié)。

本文研究了摻粉煤灰和礦渣微粉作為水泥替代物的不同摻量FNS砂漿的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律。除了在正常環(huán)境條件下的強(qiáng)度發(fā)展外，了解建筑材料在季節(jié)變化和侵蝕性環(huán)境中的耐久性也很重要。因此，通過可滲透孔隙的體積以及在110℃干濕交替循環(huán)代表的加速風(fēng)化條件下質(zhì)量和強(qiáng)度的變化來評(píng)估砂漿試樣的長期耐久性。

2 試驗(yàn)工作

2.1 材料

本研究采用商品普通硅酸鹽水泥(OPC)作為主要粘結(jié)劑。采用粉煤灰和礦渣微粉作為輔助膠凝材料。FNS被用作天然砂的替代品。

圖1顯示了本研究中使用的FNS細(xì)集料和天然砂的物理外觀?？梢钥闯觯c天然砂相比，F(xiàn)NS的形狀呈棱角狀，顆粒更粗。

圖1 FNS細(xì)集料和天然砂

表1給出了粘結(jié)劑的物理性能。

表1 粘結(jié)劑的物理性能

表2顯示了由X射線熒光(XRF)測(cè)試確定的這些材料的化學(xué)成分[3]。可以看出，F(xiàn)NS的主要成分是硅、鎂和鐵。OPC和GGBFS的鈣含量遠(yuǎn)高于粉煤灰的鈣含量(0.87%)。粉煤灰的主要成分是二氧化硅(76.84%)和氧化鋁(15.44%)。

表2 化學(xué)成分和點(diǎn)火損失(質(zhì)量百分比)

不同比例的FNS與天然砂級(jí)配后的細(xì)集料級(jí)配曲線如圖2所示。圖中還顯示了標(biāo)準(zhǔn)推薦的細(xì)集料的上限和下限?？梢钥闯觯m然大多數(shù)組合都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但由于FNS中缺乏細(xì)小顆粒，100%FNS的級(jí)配曲線略低于下限。因此，F(xiàn)NS與天然砂結(jié)合可以改善細(xì)集料的粒度分布。可以看出，50%FNS和50%天然砂的混合得到了級(jí)配良好的組合，其中包括不同大小和形狀的顆粒。

圖2 FNS集料與天然砂的顆粒級(jí)配曲線

如表3所示，F(xiàn)NS的細(xì)度模數(shù)為4.23，天然砂的細(xì)度模數(shù)為1.85。FNS和天然砂的容重分別為2 760 kg/m3和2 140 kg/m3。FNS和砂的吸水率分別為0.48%和0.37%。

表3 鎳鐵渣和天然砂的物理性能

2.2 混合料配比和試驗(yàn)方法

本研究所用砂漿的配合比如表4所示。

表4 砂漿的配合比

FNS集料在砂漿混合料中分別以0、25%、50%、75%和100%取代天然砂。以往的研究表明，F(xiàn)NS聚集體可能會(huì)引起堿-硅酸反應(yīng)(ASR)[4]。因此，采用粉煤灰和礦渣微粉作為水泥的30%替代物。研究了三個(gè)系列膠凝材料組成中的15種混合物:100%OPC、30%粉煤灰替代水泥和30%GGBFS替代水泥。在表4中，混合物的指定以PC(100%OPC)、FA(30%粉煤灰)或BFS(30%GGBFS)開始。混合標(biāo)號(hào)末尾的數(shù)字表示FNS在細(xì)集料中的百分比。

為了確定試樣的孔隙率，按照 ASTM C 642(2006)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)50 mm砂漿立方體進(jìn)行了滲透孔隙體積(VPV)試驗(yàn)。試驗(yàn)包括測(cè)量樣品在烘干狀態(tài)、飽和表面干燥狀態(tài)、浸泡在水中和沸騰狀態(tài)下的質(zhì)量[5]。首先，將樣品在110℃的烤箱中干燥24 h，然后冷卻至室溫3 h，記錄干質(zhì)量。然后將樣品浸入水中48 h，并記錄浸泡質(zhì)量。將樣品從水中移出后，測(cè)量飽和表面干質(zhì)量。最后將樣品在水中煮沸5 h，冷卻，并記錄煮沸的質(zhì)量[6]。使用這些質(zhì)量的值計(jì)算可滲透空隙的體積。

這些樣品被暴露在110℃的交替干燥和23℃的濕潤循環(huán)中，以評(píng)估它們對(duì)加速老化條件的抵抗力。在開始交替的干濕循環(huán)之前，樣品在23℃的水中硬化28 d。暴露的一個(gè)周期包括在110℃的烤箱中烘干樣品8 h，在室溫下冷卻1 h，然后在23℃的水中浸濕15 h。在完成28個(gè)交替的濕潤和干燥循環(huán)后，測(cè)定了試樣的質(zhì)量和抗壓強(qiáng)度的變化。

3 結(jié)果與討論

3.1 正常養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓強(qiáng)度發(fā)展

3、7、28、56 d齡的抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖3所示。

圖3 混合砂漿的抗壓強(qiáng)度隨齡期變化

可以看出，三個(gè)系列砂漿的抗壓強(qiáng)度都隨著FNS含量的增加而增加，最高可達(dá)50%，然后隨著FNS含量的進(jìn)一步增加而下降。在以100%OPC為膠凝材料的砂漿系列中，28 d抗壓強(qiáng)度由0%FNS的39 MPa逐漸增加到50%FNS的57 MPa，然后逐漸降低到44 MPa。當(dāng)FNS摻量超過50%時(shí)，強(qiáng)度有所下降，但100%FNS的抗壓強(qiáng)度仍高于100%天然砂的抗壓強(qiáng)度。在3、7、28、56 d齡期，抗壓強(qiáng)度隨FNS含量增加的變化趨勢(shì)相似。因此，與100%天然砂砂漿相比，50%FNS和100%FNS砂漿的強(qiáng)度分別提高了46%和12%。與天然砂的圓形相比，F(xiàn)NS的加入提高了其抗壓強(qiáng)度，這是由于其高密度、呈角形。FNS含量的增加改善了樣品的顆粒堆積，提高了試樣的致密性。高密度的FNS顆粒改善了膠凝材料的堆積和互鎖，并提高了膠凝材料的抗壓強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度隨后隨著FNS百分比的進(jìn)一步增加而下降[7]。因此，50%的FNS具有最大化砂漿強(qiáng)度發(fā)展的效果。這歸因于細(xì)集料的良好級(jí)配組合，如圖3所示。當(dāng)FNS含量超過50%時(shí)，抗壓強(qiáng)度的下降被認(rèn)為是由于集料組合中細(xì)顆粒的減少，如75%和100%FNS的級(jí)配曲線所示。

FNS對(duì)摻30%粉煤灰和30%GGBFS砂漿系列強(qiáng)度發(fā)展的影響與摻100%OPC的砂漿系列相似。摻入0、50%、100%FNS的粉煤灰砂漿28 d抗壓強(qiáng)度分別為30、35、30 MPa。因此，摻100%FNS的砂漿強(qiáng)度與摻100%天然砂的砂漿強(qiáng)度相當(dāng)，而摻50%FNS的砂漿的強(qiáng)度比摻100%天然砂的砂漿提高16%。在含30%GGBFS的砂漿系列中，0、50%、100%FNS的28 d抗壓強(qiáng)度分別為33、51、42 MPa。因此，用50%和100%的天然砂替代后，抗壓強(qiáng)度分別提高了57%和29%。

從三個(gè)系列砂漿的強(qiáng)度發(fā)展情況來看，100%OPC膠凝材料系列的強(qiáng)度最高，30%的粉煤灰取代水泥系列的強(qiáng)度最低。此外，摻30%GGBFS的砂漿比摻30%粉煤灰的砂漿具有更高的強(qiáng)度。這是由于GGBFS的CaO含量高于粉煤灰所致。從圖3可以看出，在摻30%粉煤灰的砂漿系列中，3 d強(qiáng)度最低。然而，這個(gè)系列的后期強(qiáng)度發(fā)展速度比其他兩個(gè)系列的砂漿要高，特別是在28～56 d之間。含50%FNS的砂漿，100%OPC、30%粉煤灰和30%GGBFS系列膠凝材料在28～56 d內(nèi)的強(qiáng)度提高百分率分別為8%、20%和8%。粉煤灰砂漿后期強(qiáng)度增長較高是由于粉煤灰持續(xù)的火山灰反應(yīng)。值得注意的是，雖然粉煤灰和GGBFS降低了FNS集料的抗壓強(qiáng)度，但為了減少FNS集料潛在的ASR膨脹，使用這些補(bǔ)充粘結(jié)劑作為水泥替代品是很重要的。通過加速砂漿棒試驗(yàn)結(jié)果，證明了輔助膠凝材料對(duì)降低FNS集料ASR膨脹的有效性。研究發(fā)現(xiàn)，低鈣粉煤灰比GGBFS更能有效地抑制FNS潛在的ASR膨脹。此外，從圖3還可以看出，粉煤灰的持續(xù)火山灰反應(yīng)在56 d進(jìn)一步證明，因?yàn)閾?0%粉煤灰和50%FNS的砂漿的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了與100%OPC和100%天然砂的砂漿相同的抗壓強(qiáng)度水平。因此，圖3所示的三個(gè)系列砂漿的強(qiáng)度發(fā)展可用于使用該FNS細(xì)集料時(shí)膠凝材料和集料組合的選擇。

3.2 可滲透孔隙體積(VPV)

通過測(cè)量滲透孔隙體積(VPV)來評(píng)價(jià)砂漿試樣的孔隙率。通過這項(xiàng)測(cè)試可以測(cè)量相互關(guān)聯(lián)的空隙，如毛細(xì)孔、凝膠孔、氣孔和微裂縫。這項(xiàng)試驗(yàn)提供了混凝土中水滲透程度的指標(biāo)。測(cè)試結(jié)果如圖4所示?？梢钥吹剑谒腥N粘結(jié)劑組中，樣品的孔隙率都隨著FNS含量的增加而增加。以100%水泥為粘結(jié)劑的砂漿系列(PC系列)的VPV值最高。0、25%、50%、75%和100%FNS的VPV值分別為15%、17%、18%、19%和19%。因此，通過使用50%的FNS，VPV增加了約18%。這種VPV的增加是由于較大的角狀FNS顆粒增加了砂漿中的孔隙。

圖4 滲透孔隙體積與FNS含量的關(guān)系

從圖4可以看出，在粘結(jié)劑中摻入粉煤灰和GGBFS降低了砂漿試件的VPV值。在摻30%GGBFS的砂漿系列(BFS系列)中，隨著FNS集料的增加，VPV從14%增加到17%。同樣，在30%粉煤灰砂漿系列(FA系列)中，由于FNS集料的使用，VPV從12%增加到15%。粉煤灰和GGBFS降低VPV的原因是由于超細(xì)粉體具有較高的細(xì)度和火山灰反應(yīng)。然而，圖4的結(jié)果表明，在降低砂漿試件的VPV方面，粉煤灰比GGBFS更有效。粉煤灰比GGBFS具有更高的效果歸因于其較高的SiO2含量[8]。如表1所示，本研究中使用的粉煤灰的SiO2含量為76%，而GGBFS中的SiO2含量為32%。粉煤灰中SiO2含量越高，火山灰反應(yīng)生成的C-S-H凝膠越多，孔隙率越低[9]。因此，與GGBFS試件相比，粉煤灰砂漿具有較低的VPV，并且在FNS取代50%砂的情況下，使用30%粉煤灰或GGBFS的砂漿VPV要么提高，要么與100%天然砂OPC砂漿的VPV保持在同一水平。

3.3 干濕循環(huán)的影響

圖5顯示了28次濕干交替循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度，對(duì)比正常條件下試樣的56 d抗壓強(qiáng)度圖?？箟簭?qiáng)度的變化，主要?dú)w結(jié)于試件中熱膨脹和收縮循環(huán)以及水分運(yùn)動(dòng)和收縮循環(huán)可能造成損害的影響。

圖5 干濕循環(huán)前后抗壓強(qiáng)度比較

圖6顯示了不同比例的FNS骨料在完成干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度的百分比變化。從圖中可以看到，不加輔助膠凝材料和100%天然砂(PC0)的對(duì)照試件在干濕循環(huán)后的強(qiáng)度損失為13%。對(duì)于25%、50%、75%和100%的FNS骨料，不加輔助膠凝材料的砂漿試件的強(qiáng)度損失分別為17%、20%、23%和25%。因此，由于FNS骨料完全取代了天然砂，不加輔助膠凝材料的試件的強(qiáng)度損失從13%增加到25%。因此，本研究使用的FNS集料在干濕循環(huán)方面表現(xiàn)出比高爐礦渣和底灰細(xì)集料更好性能[10]。如圖4所示，F(xiàn)NS細(xì)集料增加了可滲透孔隙的體積，可以增大水對(duì)砂漿的滲透性。如圖6所示，較高的水滲透率會(huì)導(dǎo)致試樣中的蒸氣壓力較高，并導(dǎo)致更高的強(qiáng)度損失。

圖6 不同F(xiàn)NS含量干濕循環(huán)后的相對(duì)強(qiáng)度損失

觀測(cè)到的干濕循環(huán)強(qiáng)度損失主要有三個(gè)原因。首先，交替的加熱和冷卻循環(huán)產(chǎn)生的熱膨脹和收縮可能會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部微裂紋[11]。其次，干燥期的蒸汽壓力可能會(huì)造成一定的內(nèi)部損傷。最后，如圖6所示，通過干濕交替循環(huán)淋洗出一些水化產(chǎn)物，可能會(huì)削弱膠凝體和集料之間的粘結(jié)。這些效應(yīng)的綜合作用被認(rèn)為是造成干濕循環(huán)后試樣強(qiáng)度損失的主要原因。

如圖5和圖6所示，摻30%GGBFS的砂漿系列強(qiáng)度損失趨勢(shì)與不摻輔助膠凝材料的試件相似。本系列試件的強(qiáng)度損失值從9%(無FNS)到25%(100%FNS)不等。另一方面，摻入30%粉煤灰的砂漿在干濕循環(huán)后強(qiáng)度損失較小。事實(shí)上，在100%天然砂和不含F(xiàn)NS集料的試件中，強(qiáng)度提高了3.45%。含25%、50%、75%和100%FNS細(xì)集料的試件強(qiáng)度損失分別為2.84%、6.35%、8.27%和9.33%。不含F(xiàn)NS集料的試件抗壓強(qiáng)度的提高是由于粉煤灰在干濕循環(huán)過程中的火山灰反應(yīng)所致[12-13]。在暴露期間，水分和高溫(110℃)的環(huán)境加速了粉煤灰的火山灰反應(yīng)，導(dǎo)致含有FNS集料的試件強(qiáng)度損失較小。此外，干濕循環(huán)引起的強(qiáng)度損失還與試樣的孔隙率和吸水率有關(guān)。孔隙率和吸水率較低的試樣在干濕循環(huán)中的強(qiáng)度損失較小。如圖4所示，粉煤灰減少了可滲透孔隙的體積，這導(dǎo)致與其他兩個(gè)膠凝材料系列的試樣相比，摻入粉煤灰的試樣在干濕循環(huán)后的強(qiáng)度損失較小。FNS摻量為50%時(shí)，摻30%GGBFS砂漿的強(qiáng)度損失與100%天然砂OPC砂漿的強(qiáng)度損失數(shù)量級(jí)相當(dāng)。另一方面，摻30%粉煤灰的砂漿與100%天然砂的OPC砂漿相比，強(qiáng)度損失有較大改善。

干濕循環(huán)中的質(zhì)量損失值如圖7所示?？梢钥闯觯腥齻€(gè)膠凝材料系列的質(zhì)量損失幾乎都隨著FNS含量的增加而線性增加。質(zhì)量損失在3.9%～6.4%之間，變化趨勢(shì)與強(qiáng)度損失相似。與100%天然砂相比，100%FNS集料在膠凝材料系列中的質(zhì)量損失增加了約30%。

圖7 干濕循環(huán)造成的質(zhì)量損失

4 結(jié)論

(1)用50%FNS代替天然砂的砂漿具有最大的28 d抗壓強(qiáng)度。

(2)滲透孔隙率在12%～19%之間變化，隨FNS含量的增加有增加的趨勢(shì)。但VPV隨輔助膠凝材料的使用而降低。

(3)干濕交替循環(huán)降低了所有試件的強(qiáng)度，但摻100%天然砂和30%粉煤灰的砂漿強(qiáng)度有所提高。質(zhì)量損失在4%～6%之間，表現(xiàn)出與強(qiáng)度損失相似的趨勢(shì)。

(4)強(qiáng)度和質(zhì)量損失被認(rèn)為主要是由于交替加熱和冷卻循環(huán)產(chǎn)生的熱膨脹和收縮以及內(nèi)部蒸汽壓力造成的。