張會(huì)芳 顏政偉 陳匯鋆 龔琳洋 張 斌

(1.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000)

0 引 言

傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)建筑壽命短，施工性差的缺點(diǎn)越來(lái)越明顯.建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)是使用高性能混凝土取代普通混凝土.硫磺最早僅作為化工原料加在制藥、橡膠等領(lǐng)域使用，20世紀(jì)以來(lái)隨著硫磺產(chǎn)量不斷增加，大多數(shù)國(guó)家硫磺產(chǎn)量有結(jié)余，世界范圍的硫磺進(jìn)出口變得普遍起來(lái)，硫磺價(jià)格逐步有所降低，這樣硫磺被開(kāi)發(fā)出多種用途，應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域，后來(lái)出現(xiàn)硫磺混凝土的概念，隨后又發(fā)展有滲硫混凝土，滲硫混凝土能視為一種高性能混凝土.

樸春愛(ài)研究了鐵尾礦粉的活化工藝和機(jī)理及對(duì)混凝土性能的影響[1].陳秀云研究了鐵尾礦砂綠色混凝土構(gòu)件受力性能試驗(yàn)研究[2].封孝信研究了鐵尾礦砂石混凝土的抗凍性能[3].周泉研究了鐵尾礦微粉膠凝特性及其混凝土制備[4].劉冰進(jìn)行了鐵尾礦砂自密實(shí)混凝土3h內(nèi)流動(dòng)性變化的研究[5].國(guó)外學(xué)者Jan研究了礦渣混凝土抗凍能力以及對(duì)除含Cl-冰鹽的抵抗能力[6].Alexander研究了礦渣混凝土的徐變性能[7].Roberti Fernanda等人研究了抗硫酸鹽水泥生產(chǎn)的高性能混凝土[8].Sohail Muazzam Ghous等人研究了高性能和超高性能混凝土的耐久性[9].本試驗(yàn)使用鐵尾礦砂、鐵尾礦粉、硫磺、水泥制備高性能混凝土，對(duì)混凝土進(jìn)行滲硫，改善了其各項(xiàng)基本性能.

1 試驗(yàn)基本原料

1.1 水泥

冀東水泥公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥.基本物理學(xué)性能見(jiàn)表1所示.

表1 P·O 42.5水泥的基本物理力學(xué)性能

1.2 天然粗骨料

試驗(yàn)采用張家口產(chǎn)碎石作為粗骨料，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2所示.

表2 碎石的技術(shù)指標(biāo)

1.3 細(xì)骨料

試驗(yàn)采用張家口大清河砂為天然砂，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3所示.

表3 砂的技術(shù)指標(biāo)

1.4 粉煤灰

試驗(yàn)粉煤灰采用的是沙嶺子電廠產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰.

1.5 硫磺

本研究所用硫磺為商丘市亮峰生產(chǎn)的升華硫，含量在98%以上.

1.6 鐵尾礦砂

試驗(yàn)采用的鐵尾礦砂含泥量小于1%，粒徑集中在0.3 mm到1.18 mm范圍內(nèi).

1.7 硅灰

試驗(yàn)所用硅灰的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4所示.

表4 硅灰的技術(shù)指標(biāo)

1.8 礦粉

試驗(yàn)所用礦粉為鐵尾礦粉.

2 試驗(yàn)方法

2.1 配合比設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)配合比為C60混凝土.使用鐵尾礦砂代替全部河砂，通過(guò)改變細(xì)骨料成分、膠凝材料成分、水膠比、摻加礦粉，得到了9組配合比，見(jiàn)表5所示.

表5 鐵尾礦滲硫高性能混凝土配合比

2.2 鐵尾礦高性能混凝土滲硫處理

本研究采用常壓法滲硫.試驗(yàn)中嚴(yán)格控制加熱溫度，待硫磺完全融化后放入混凝土試件，試件應(yīng)完全浸入熔融狀硫磺中.滲硫前試件先烘干，烘干后試件進(jìn)行滲硫3小時(shí)，硫磺充分冷卻后取出試件，并除去附著在表面的硫磺.測(cè)定每組試件滲硫前后的質(zhì)量，精確到1g，測(cè)量滲硫深度.見(jiàn)表6所示.

表6 混凝土硫磺滲入量

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鐵尾礦滲硫混凝土抗壓強(qiáng)度

混凝土抗壓強(qiáng)度是一項(xiàng)基本性能，按照《普通混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法》(GB/T50081-2019)[10]，試驗(yàn)測(cè)得了幾組試件在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)表7所示.

表7 鐵尾礦滲硫混凝土抗壓強(qiáng)度

由表7和圖1可見(jiàn)，水膠比為0.33時(shí)，以鐵尾礦砂取代河砂其抗壓強(qiáng)度變化不大；隨著礦粉摻量的增加混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸下降.水膠比為0.43時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度值小于水膠比為0.33時(shí)的抗壓強(qiáng)度.滲硫之后不同水膠比的混凝土的抗壓強(qiáng)度均有所提高.這是由于水膠比增大導(dǎo)致水泥等凝膠材料減少，引起了混凝土抗壓強(qiáng)度的降低；適量的鐵尾礦粉摻入混凝土中，起到微集料效應(yīng)，即粒徑很小的顆粒，填充水泥漿體的微細(xì)孔隙中，改善膠凝材料的級(jí)配，有助于提高混凝土強(qiáng)度.滲硫后強(qiáng)度提高顯著，硫磺填充孔隙作用顯著，不但彌補(bǔ)了水泥等凝膠材料減少導(dǎo)致的強(qiáng)度降低的現(xiàn)狀，而且使混凝土得到增強(qiáng)，強(qiáng)度增加亦十分明顯.

圖1 鐵尾礦滲硫混凝土抗壓強(qiáng)度

3.2 鐵尾礦滲硫混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度

采用劈裂抗拉試驗(yàn)測(cè)試混凝土的抗拉強(qiáng)度.按照《普通混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法》(GB/T50081-2019)[10].試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表8.

表8 鐵尾礦滲硫混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度

圖2 鐵尾礦滲硫混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度

D2組抗拉強(qiáng)度提高最明顯，滲硫后提高了0.65 MPa有，滲硫提高抗拉強(qiáng)度的能力要比抗壓能力大.水膠比低的C1組、D1組、E1組抗拉強(qiáng)度分別提高了9.1%、10.4%、9.90%；水膠比大的C2組、D2組、E2組抗拉強(qiáng)度分別提高了14%、15.6%、13.6%.在0.33水膠比時(shí)每增加10%鐵尾礦粉，C1組比D1組提升4.4%；D1組比E1組提升2.6%；0.43水膠比時(shí)，C2組比D2組提升0%；D2組比E2組提升4.3%.拉裂后的試件可以看到硫磺滲入混凝土表面一定深度，填補(bǔ)了混凝土內(nèi)部的孔隙，并且硫磺在硫磺混凝土中充當(dāng)膠結(jié)料，提高了表面部分混凝土的抗拉能力，使試件抗拉性能有所提高.

3.3 鐵尾礦混凝土抗氯離子滲透

試驗(yàn)測(cè)試了A組、C1組和E1組滲硫后的電通量并進(jìn)行對(duì)比.以電通量法測(cè)試混凝土抗氯離子滲透性能.抗氯離子滲透試驗(yàn)參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082-2009[11]，《混凝土氯離子電通量測(cè)定儀》JG/T261-2009[12].試件通電一小時(shí)的電通量分別為933C、706C、811C，電流分別為108.5mA、80.5mA、92.0mA，每60min自動(dòng)打印電通量和電流值，各組電通量均上升，6小時(shí)結(jié)束后得到最終試驗(yàn)數(shù)據(jù).見(jiàn)表9所示.

表9 鐵尾礦滲硫高性能混凝土電通量

由表9并結(jié)合ASTMC1202的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可見(jiàn)E1組氯離子滲透能力最差，屬于低等；其次是C1組；A組氯離子滲透能力最強(qiáng)，屬于中等.由于混凝土中孔隙較多導(dǎo)致A組氯離子滲透的最多；摻加礦粉并滲硫后孔隙減少，氯離子滲透減少.C組與E組相比，由于E組礦粉摻加量更多，混凝土試塊更密實(shí)，氯離子滲透更少，電通量最低.滲硫處理都較好的提高了試件防止Cl-進(jìn)入到內(nèi)部的能力.E1組的電通量表現(xiàn)最好只有1994C，抗?jié)B性能較好；C1組雖然氯離子能力滲透屬于中等，但與界限值差的不多，也可以認(rèn)為滲透性是較好的.

3.4 鐵尾礦混凝土抗凍試驗(yàn)

抗凍性是混凝土耐久性的重要指標(biāo).凍融循環(huán)對(duì)建筑造成損壞，一種原因是溫度較高時(shí)液態(tài)的水通過(guò)混凝土孔隙或通道進(jìn)入混凝土內(nèi)部，溫度降低后水變成固體而體積增加，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，應(yīng)力較大時(shí)會(huì)使結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，反復(fù)作用時(shí)會(huì)加劇結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂，另一種原因是由于混凝土細(xì)小孔隙中的水由于孔徑小所以冰點(diǎn)相對(duì)降低，粗孔隙中的液態(tài)水先結(jié)冰，冰和冷水之間存在滲透壓力，冷水不斷遷移導(dǎo)致冰的體積不斷增大，增大了膨脹應(yīng)力，加劇混凝土的破壞.密實(shí)的混凝土可以降低混凝土的飽和含水率，從而提高混凝土抗凍性.凍融循環(huán)數(shù)據(jù)見(jiàn)表10所示.

表10 凍融循環(huán)質(zhì)量及強(qiáng)度損失

試驗(yàn)結(jié)束后三組試件的質(zhì)量損失分別為23g、10g、15g.25次循環(huán)結(jié)束時(shí)A組試件強(qiáng)度損失了28%，已經(jīng)超過(guò)規(guī)范規(guī)定的25%的臨界值，C1組試件強(qiáng)度損失為15%，E1組強(qiáng)度損失為19%，三組試件雖然質(zhì)量損失都沒(méi)有超過(guò)規(guī)定的5%，但A組強(qiáng)度損失已超標(biāo)，根據(jù)這一指標(biāo)判斷A組試件不符合要求.C1組的抗凍性最好，不僅質(zhì)量損失最少，強(qiáng)度損失也是三組中最少的，E1組次之.分析其原因是硫磺不僅封堵了表面孔隙，也一定深度內(nèi)浸入了混凝土，阻斷了大部分自由水進(jìn)入混凝土內(nèi)部的通道，使試件抗凍性得到改善.且相較于A組，C1、E1兩組中均摻加了礦粉，礦粉參與水泥的水化反應(yīng)降低了C3A的產(chǎn)生，減少了由于凍融循環(huán)過(guò)程中硫酸產(chǎn)生的硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，減少了質(zhì)量損失.

4 結(jié) 論

(1)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下鐵尾礦粉活性較低，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出鐵尾礦粉的最佳摻量為10%左右，在該鐵尾礦粉摻量情況下，混凝土坍落度也得到了保證.

(2)在B1組中，使用鐵尾礦砂代替全部河砂并未產(chǎn)生較大影響，可見(jiàn)使用鐵尾礦砂能夠完全取代河砂來(lái)制備混凝土.

(3)鐵尾礦混凝土滲硫之后，其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗氯離子侵蝕能力和抗凍性均得到了一定程度提高.滲硫后的C1組試件抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到64 MPa，抗拉強(qiáng)度較滲硫前提高了9%，在25次凍融循環(huán)后依然保留了85%的抗壓強(qiáng)度，且滲硫處理較好的降低了Cl-進(jìn)入到混凝土內(nèi)部的能力.

(4)鐵尾礦混凝土滲硫效果受水膠比和鐵尾礦粉摻量影響.當(dāng)水膠比較大時(shí)混凝土孔隙率高；鐵尾礦粉不參與水化，使混凝土密實(shí)度低，也導(dǎo)致了硫磺滲入較多.但通過(guò)大水膠比來(lái)提高滲硫混凝土強(qiáng)度作用有限，更多的是充分發(fā)揮混凝土材料本身優(yōu)異的力學(xué)特征，利用硫磺的填充作用對(duì)混凝土進(jìn)行封閉，從而提高混凝土的密實(shí)度提高混凝土的耐久性.