(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 研究背景

使用礦渣替代水泥制備礦渣基生態(tài)混凝土受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。一般認(rèn)為，礦渣主要由非晶玻璃相組成，活性較高，可取代較高比例水泥而不影響混凝土的力學(xué)強(qiáng)度[1-2]。目前，學(xué)者們開展了高摻量礦渣混凝土的理論和實(shí)驗(yàn)研究，顯著提升了混凝土的生態(tài)效率[3-4]。然而，大量的研究表明[5-7]，由于礦渣活性低于其所替代的水泥，當(dāng)?shù)V渣摻量過大(>60%)時(shí)，會(huì)直接稀釋膠凝材料的膠結(jié)性能，嚴(yán)重影響混凝土的力學(xué)強(qiáng)度。

為降低高摻量礦渣混凝土的力學(xué)強(qiáng)度損失，可通過提高養(yǎng)護(hù)溫度，增大礦渣細(xì)度，使用納米顆粒，如納米SiO2[8]、納米CaCO3[9]和硅粉[10]等方法得以實(shí)現(xiàn)。Zhang和Islam[8]對(duì)比研究了不同粒徑納米SiO2和硅粉對(duì)50%礦渣砂漿抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律及作用機(jī)理，證實(shí)了細(xì)顆粒對(duì)礦渣砂漿力學(xué)強(qiáng)度提升的積極作用。Sajedi和Razak[11]研究了養(yǎng)護(hù)方式與50%礦渣砂漿抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)提升養(yǎng)護(hù)溫度是提高礦渣砂漿早期強(qiáng)度有效途徑。El-Chabib和Ibrahim[10]研究了輔料(粉煤灰、礦渣和硅粉)復(fù)摻替代60%和70%水泥的砂漿力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化輔料組成，砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)組相近。

為充分發(fā)揮礦渣混凝土綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，加快高摻量礦渣混凝土的應(yīng)用，本文將進(jìn)一步提高礦渣摻量至80%，利用硅粉作為基本性能調(diào)控材料，研究不同硅粉摻量對(duì)80%礦渣砂漿力學(xué)和耐久性的影響，定量分析并評(píng)定礦渣砂漿的生態(tài)效率系數(shù)，為高摻量礦渣混凝土的應(yīng)用與發(fā)展提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

2.1 原材料

膠凝組分為安徽海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，S105級(jí)高爐礦渣和Elkem740硅粉。砂為淮河河砂，細(xì)度模數(shù)為2.68，表觀密度為2 680 kg/m3，水為普通自來水。表1給出了3項(xiàng)膠凝組分的表觀密度和化學(xué)成分。

表1 膠凝組分的表觀密度與化學(xué)成分

2.2 配合比

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)組水灰比為0.45，砂含量為40%，采用礦渣替代80%水泥，并分別研究硅粉等質(zhì)量替代0%、2.5%、5%和10%礦渣時(shí)，硅粉對(duì)80%礦渣砂漿基本性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)配合比如表2所示。

表2 試驗(yàn)配合比

2.3 試驗(yàn)方法

使用維卡儀，根據(jù)ASTM C191[12]測(cè)試表2所示各組凈漿的凝結(jié)時(shí)間。根據(jù)ASTM C348[13]，將新拌砂漿澆筑至40 mm×40 mm×160 mm(長(zhǎng)×寬×高)棱柱體模具中，3個(gè)試件為一組，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(溫度(23±2)℃、相對(duì)濕度≥95%)至指定齡期，分別使用抗壓和抗折試驗(yàn)?zāi)＞?，測(cè)試各組砂漿抗壓和抗折強(qiáng)度，計(jì)算平均值。根據(jù)ASTM C1202[14]，采用Φ100 mm×50 mm圓柱體試件測(cè)試各組砂漿電通量。使用XL30 ESEM-TMP型掃描電子顯微鏡(SEM)分析28 d砂漿微結(jié)構(gòu)形貌，樣品為28 d抗壓強(qiáng)度測(cè)試所取代表性試塊，將其首先浸泡于異丙醇溶液中以停止水泥水化，之后真空干燥并噴鉑顆粒(正面噴120 s，側(cè)面噴60 s)以提高樣品導(dǎo)電性。

根據(jù)ASTM C1585[15]，測(cè)試砂漿毛細(xì)吸水率用于衡量硅粉對(duì)礦渣砂漿孔結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。將新拌砂漿澆筑至Φ100 mm×50 mm圓柱體模具中，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至27 d，除單個(gè)平整面外，其余側(cè)面均使用環(huán)氧樹脂密封，并干燥至恒重。測(cè)試時(shí)，使用塑料將試塊上表面密封，底面浸入去離子水中1～3 mm。測(cè)試指定時(shí)刻試塊質(zhì)量，按照式(1)計(jì)算試塊毛細(xì)吸水率。

I=Mt/(πR2) 。

(1)

式中：I為毛細(xì)吸水率;Mt為t時(shí)刻試塊增重(g);R為圓柱體試塊直徑，R=100 mm。

2.4 生態(tài)效率評(píng)價(jià)

使用生態(tài)效率系數(shù)評(píng)價(jià)高摻量礦渣砂漿的生態(tài)效應(yīng)。根據(jù)Hamidi等[16]基于能量需求所提出的生態(tài)效率公式，分別按式(2)和式(3)計(jì)算生產(chǎn)單位質(zhì)量膠結(jié)材料所需的能耗E，求得生態(tài)效率系數(shù)Eperformance，即：

(2)

Eperformance=E/fcm。

(3)

式中:E為生產(chǎn)1 t膠凝材料的能耗(kWh/t);WC、WG和WSF分別為膠凝組分中水泥、礦渣和硅粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù);ECp、EGp和EpSF分別為生產(chǎn)水泥、礦渣和硅粉的過程能耗(kWh/t);ECg、EGg和EgSF分別為生產(chǎn)水泥、礦渣和硅粉的磨細(xì)能耗(kWh/t);fcm為試塊28 d抗壓強(qiáng)度(MPa)。

3 結(jié)果與討論

3.1 凝結(jié)時(shí)間

表3給出了各組拌合物的凝結(jié)時(shí)間,可以看出，使用礦渣替代80%水泥后(SF0)，拌合物凝結(jié)時(shí)間顯著延長(zhǎng)。因礦渣活性低于其所替代水泥，會(huì)對(duì)水泥膠結(jié)性能產(chǎn)生稀釋效應(yīng)，降低水化產(chǎn)物的形成速率和產(chǎn)量，因此呈現(xiàn)出了一定的緩凝現(xiàn)象。隨著硅粉摻量增大，各組拌合物的凝結(jié)時(shí)間逐漸減小，10%硅粉摻量下，SF10組的初終凝時(shí)間與對(duì)照組相近。這是由于硅粉比表面積較大，吸附新拌漿體中的自由水，并起到晶核作用促進(jìn)水泥水化，進(jìn)而加速了水泥凝結(jié)?？梢姡褂霉璺厶娲糠值V渣是有效減小高摻量礦渣所引發(fā)的緩凝問題的有效途徑。

表3 凝結(jié)時(shí)間

3.2 強(qiáng) 度

圖1給出了礦渣砂漿的3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度。從圖1(a)可知，與Con組相比，使用礦渣替代80%水泥后，SF0組砂漿的抗壓強(qiáng)度顯著降低，但隨齡期發(fā)展，降低幅度逐漸減小。這與Abdelkader等[17]和蔣家奮[18]的發(fā)現(xiàn)較為一致，說明礦渣與水化Ca(OH)2的二次水化作用促使了額外水化產(chǎn)物形成，充填了微結(jié)構(gòu)孔隙，強(qiáng)化了礦渣砂漿的受力骨架，最終提高了砂漿的抗壓強(qiáng)度。相應(yīng)地，礦渣的二次水化也促進(jìn)了抗折強(qiáng)度發(fā)展。如圖1(b)所示，3 d齡期時(shí)，相較于Con組，SF0組抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別降低50.09%和35.45%；而28 d齡期時(shí)，力學(xué)強(qiáng)度的降低幅度則分別減小至14.14%(抗壓強(qiáng)度)和5.19%(抗折強(qiáng)度)。

圖1 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度

從圖1可以明顯看出，硅粉是提高礦渣砂漿力學(xué)強(qiáng)度的有效措施。在各齡期，隨硅粉摻量的增大，礦渣砂漿的抗壓強(qiáng)度先逐漸增大，達(dá)到SF5組的最大值后開始降低。這說明硅粉摻量存在最優(yōu)值，也即是本研究中的5%。相較于SF0組，SF5組各齡期抗壓強(qiáng)度分別提高42.81%(3 d)、23.54%(7 d)和25.30%(28 d)。

上述現(xiàn)象可歸因于硅粉對(duì)水泥基材料產(chǎn)生的4種效應(yīng)：晶核效應(yīng)、充填效應(yīng)、顆粒緊密堆積效應(yīng)、對(duì)礦渣的稀釋效應(yīng)。具體來說，硅粉粒度較小，比表面積大，可作為水泥水化成核點(diǎn)，促進(jìn)水泥水化，加速水化產(chǎn)物形成?；诖?，硅粉及硅粉誘發(fā)的水化產(chǎn)物可進(jìn)一步充填砂漿微結(jié)構(gòu)孔隙，提升微結(jié)構(gòu)密實(shí)性，提高砂漿的力學(xué)強(qiáng)度。另外，硅粉顆粒較小，可優(yōu)化膠凝材料堆積效果，促進(jìn)顆粒堆積緊密。但是，與礦渣相比，硅粉玻璃相含量較低，活性較差，當(dāng)替代礦渣量較大時(shí)，會(huì)弱化礦渣的膠結(jié)能力，因而起到對(duì)礦渣膠結(jié)效率的稀釋作用。

上述4種效應(yīng)共同決定了硅粉摻量對(duì)礦渣砂漿力學(xué)強(qiáng)度的影響規(guī)律。另外，從圖1(b)還可進(jìn)一步看出，硅粉對(duì)砂漿抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律與其對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較為相似：隨硅粉摻量逐漸增大，硅粉摻入組砂漿的抗折強(qiáng)度先增大后降低。受益于硅粉對(duì)砂漿力學(xué)強(qiáng)度的調(diào)節(jié)作用，SF5組的7 d抗壓強(qiáng)度與Con組相近，抗折強(qiáng)度高于Con組；而28 d時(shí)，SF5組抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均高于Con組，這對(duì)促進(jìn)高摻量硅粉在水泥基材料中的應(yīng)用具有重要意義。

3.3 毛細(xì)吸水率

圖2為各組礦渣砂漿的毛細(xì)吸水率。從圖2可以看出，使用礦渣替代80%水泥顯著增大了砂漿的毛細(xì)吸水率，說明高摻量礦渣會(huì)增大砂漿的總孔隙率，這也是SF0組力學(xué)強(qiáng)度較低的主要原因。然而，隨著硅粉摻量的增大，礦渣砂漿的毛細(xì)吸水速率和總量均明顯降低，從最終測(cè)試值看，摻入2.5%、5%和10%硅粉分別將毛細(xì)吸水率由SF0組減小8.83%，12.15%和26.81%。這意味著硅粉顯著改善了礦渣砂漿的孔結(jié)構(gòu)，主要?dú)w因于硅粉的充填效應(yīng)、晶核效應(yīng)以及硅粉與Ca(OH)2的二次水化作用，通過物理性充填和促進(jìn)額外水化產(chǎn)物形成，提高了微結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，降低了礦渣砂漿的孔隙率。

圖2 毛細(xì)吸水率

3.4 電通量

圖3為各組砂漿的電通量結(jié)果。從圖3可知，使用礦渣替代80%水泥顯著地改善了砂漿的耐氯離子遷移性能，與Con組相比，SF0組電通量降低81.14%。Li等[19]和Rashad[20]指出，高摻量礦渣的水泥基材料孔結(jié)構(gòu)較為細(xì)化，主要孔體積從10～100 nm顯著減小至10 nm以下。因此，這種細(xì)化的孔結(jié)構(gòu)會(huì)限制氯離子在礦渣砂漿中的遷移，降低礦渣砂漿的電通量。另外，通過摻入硅粉，礦渣砂漿的電通量可得到進(jìn)一步減小。與SF0組相比，SF2.5、SF5和SF10組礦渣砂漿電通量依次減小5.28%，18.73%和36.87%。

圖3 氯離子電通量

3.5 微結(jié)構(gòu)特征

圖4給出了Con、SF0、SF5和SF10組28 d試塊的典型SEM圖像。從圖4(a)中可知，Con組試塊微結(jié)構(gòu)由大量的針狀鈣礬石晶體、片狀Ca(OH)2晶體等組成，總體較為密實(shí)。當(dāng)使用礦渣替代80%水泥后，如圖4(b)所示，圖中出現(xiàn)較多顆粒狀物質(zhì)，且內(nèi)部孔隙較多，并形成了一定量的纖維狀C-S-H。這與毛細(xì)吸水率結(jié)果較為一致，其中顆粒狀物質(zhì)可能是反應(yīng)不充分的礦渣顆粒。當(dāng)摻入5%硅粉后，如圖4(c)所示，礦渣砂漿微結(jié)構(gòu)的密實(shí)性得到顯著改善。圖4(d)進(jìn)一步闡明了硅粉對(duì)礦渣砂漿微結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化作用。

圖4 28 d礦渣砂漿SEM圖像

3.6 生態(tài)效率評(píng)價(jià)

根據(jù)Richardson[21]的報(bào)道，生產(chǎn)和研磨1 t普通水泥所需能耗分別為1 039 kWh/t和50 kWh/t。依據(jù)DB31/581[22]，礦渣的綜合能耗不得超過50 kWh/t，本文選用EGg=50 kWh/t。根據(jù)Elkem提供的估算數(shù)據(jù)[23]，EgSF≈1 250 kWh/t。由于礦渣與硅粉是工業(yè)副產(chǎn)品，非專門生產(chǎn)產(chǎn)品，故取EGp和EpSF均為0。圖5給出了各組混合料的E與Eperformance數(shù)據(jù)。可以看出，使用礦渣替代80%水泥顯著提升了礦渣砂漿的生態(tài)效率系數(shù)。與Con組相比，SF0組E和Eperformance分別降低了 76.33%和72.41%。另外，使用硅粉替代礦渣對(duì)生態(tài)效率系數(shù)影響較小，如SF5與SF0組相近。

圖5 砂漿的生態(tài)效率評(píng)價(jià)

4 結(jié) 論

(1) 硅粉有助于降低礦渣砂漿因礦渣的稀釋效應(yīng)所引發(fā)的緩凝問題，硅粉摻量越高，凝結(jié)時(shí)間越短，10%硅粉摻量下，礦渣砂漿的凝結(jié)時(shí)間與基準(zhǔn)組相近。

(2) 在礦渣砂漿中摻入適量硅粉可有效提高其力學(xué)強(qiáng)度，隨著硅粉摻量增大，礦渣砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均先增大后降低，5%為最優(yōu)硅粉摻量，在此條件下，礦渣砂漿28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組。

(3) 與基準(zhǔn)組相比，礦渣砂漿具有更加細(xì)化的孔結(jié)構(gòu)和更大的孔隙率，硅粉可改善礦渣砂漿的抗氯離子和水的遷移能力，有效提高其耐久性。

(4) 使用礦渣替代80%水泥可將生態(tài)效應(yīng)系數(shù)降低76.33%，硅粉對(duì)生態(tài)效應(yīng)系數(shù)的影響較小。