郭志堅(jiān)， 李文凱

(1.中國河南國際合作集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450004；2.河南交院工程技術(shù)集團(tuán)有限公司 綠色高性能材料應(yīng)用技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心， 河南 鄭州 450046)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷興起，水泥的用量也逐年增長，2019年中國水泥產(chǎn)量高居世界首位，達(dá)到23.3億t[1-2]。水泥的生產(chǎn)過程會消耗大量資源，同時也會排放大量CO2及其他溫室氣體，造成環(huán)境污染?，F(xiàn)階段緩解水泥生產(chǎn)過程中溫室氣體排放的方法主要是選用其他低碳環(huán)保的膠凝材料進(jìn)行替換水泥，這類材料往往具備火山灰活性或水硬活性，且能夠與堿性溶液作用形成具有膠凝特性的材料，而這類通過堿性溶液形成的膠凝材料稱為堿激發(fā)膠凝材料[3-6]。該文堿激發(fā)膠凝材料所有的灰體為礦渣和粉煤灰，堿激發(fā)劑選用NaOH+Na2SiO3，由Na2O、SiO3通過一定的摻配比例及工藝制成。通過對不同礦渣、粉煤灰摻量、水灰比、Na2O用量及砂率的堿激發(fā)混凝土進(jìn)行坍落度、吸水率及抗壓強(qiáng)度等早期性能研究，評價不同因素對堿激發(fā)混凝土性能的影響；選用自然浸泡法分析不同因素對堿激發(fā)混凝土抗氯離子滲透性能的影響，評價堿激發(fā)混凝土的耐久性，為堿激發(fā)膠凝材料在混凝土中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 原材料及配合比設(shè)計

1.1 原材料

該文使用的粉煤灰為河南某公司生產(chǎn)，礦渣為鞍山某公司生產(chǎn)，其主要礦物成分含量見表1。

表1 粉煤灰和礦渣礦物成分占比

1.2 配合比設(shè)計及混凝土早期性能

1.2.1 配合比設(shè)計

細(xì)集料為中粗砂(河砂)，粗集料為石灰?guī)r碎石，(5～10 mm)∶(10～20 mm)集料為2∶3(質(zhì)量比)；堿激發(fā)劑由NaOH分析純與水玻璃(Na2O、SiO2質(zhì)量濃度分別為11.38%、26.47%)組成；減水劑為HWR-R

緩凝型高效減水劑，摻量為膠凝材料質(zhì)量的1.5%。不同礦渣摻量、Na2O含量、水灰比及砂率配合比設(shè)計結(jié)果見表2。

1.2.2 坍落度試驗(yàn)

對不同礦渣摻量、Na2O含量、水灰比及砂率配合比的混凝土進(jìn)行坍落度試驗(yàn)，結(jié)果亦示于表2。

表2 堿激發(fā)粉煤灰/礦渣混凝土配合比設(shè)計及坍落度試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以得出：隨著礦渣摻量的增加，混凝土坍落度逐漸降低，這主要因?yàn)榈V渣摻量的增加，導(dǎo)致漿體中鈣含量增加，混凝土體系凝結(jié)硬化速度加快，流動性降低，而緩凝型高效減水劑的摻入會抑制膠凝材料凝結(jié)硬化的速度，導(dǎo)致礦渣摻量為25%～75%時坍落度差別不大；隨著Na2O含量的增加，坍落度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，這主要因?yàn)镹a2O含量的增大會使膠凝材料中pH值升高，促進(jìn)混凝土中膠凝材料的凝結(jié)硬化，流動能力減小，而Na2O含量過大時，會導(dǎo)致Na+在粉煤灰表層出現(xiàn)鈍化作用，降低膠凝材料的硬化速度，混凝土流動能力增大；隨著水灰比的升高，混凝土坍落度逐漸增大，且增幅較為顯著，表明水灰比對坍落度影響較大；隨著砂率的增加，混凝土坍落度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當(dāng)砂率為41%時坍落度達(dá)到峰值180 mm，這主要因?yàn)樵谒冶纫欢ǖ那疤嵯?，砂率過小會造成礦料之間的內(nèi)摩阻力過大，影響混凝土的流動能力，砂率過大會造成浸潤礦料需要更高的用水量才能保證混凝土具有足夠的流動能力。

1.2.3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對不同礦渣摻量、Na2O含量、水灰比及砂率配合比的混凝土進(jìn)行7 d、28 d、90 d、180 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，試驗(yàn)結(jié)果見圖1～4。

圖1 不同礦渣摻量、不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度

由圖1～4可以得出：隨著混凝土試件齡期的增加，不同配合比混凝土抗壓強(qiáng)度均逐漸升高；隨著礦渣摻量的增加，相同齡期混凝土強(qiáng)度均逐漸增大，且礦渣的摻入能夠提高混凝土的早期強(qiáng)度，而后期強(qiáng)度增幅降低，這主要因?yàn)榈V渣活性高，粉煤灰活性低，礦渣摻量增加時會加速膠凝材料凝結(jié)硬化速度，而粉煤灰對混凝土后期強(qiáng)度的提升效果顯著；隨著Na2O含量的增加，同一齡期混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大，Na2O含量從3%增加到4%時，混凝土強(qiáng)度增幅較大，大于4%時增幅顯著降低；隨著水灰比的增加，同一齡期混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低，這與現(xiàn)有工程實(shí)例試驗(yàn)結(jié)果吻合，主要因?yàn)橛盟康脑黾訉?dǎo)致混凝土凝結(jié)硬化后空隙率增加，混凝土試件有效受力面積減小，抗壓強(qiáng)度降低；隨著砂率的增加，同一齡期混凝土抗壓強(qiáng)度整體上呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，砂率為41%時，混凝土抗壓強(qiáng)度最大，這主要因?yàn)樯奥蔬^小時，礦料間的孔隙不能夠被完全填充，影響混凝土試件的密實(shí)性，降低混凝土抗壓強(qiáng)度，砂率過大時，細(xì)集料會吸附較多膠凝材料造成粗骨料不能被膠凝材料包裹，降低粗骨料間的黏結(jié)能力，影響混凝土強(qiáng)度。

圖2 不同Na2O含量、不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度

圖3 不同水灰比、不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度

圖4 不同砂率、不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度

1.2.4 吸水率試驗(yàn)

對不同礦渣摻量、Na2O含量、水灰比及砂率配合比的混凝土分別進(jìn)行0.5 h、1 h、3 h、6 h、12 h、24 h吸水率試驗(yàn)，混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，水溫為(20±2) ℃，試驗(yàn)結(jié)果見圖5～8。

圖5 不同礦渣摻量、不同時間混凝土吸水率

圖6 不同Na2O含量、不同時間混凝土吸水率

圖7 不同水灰比、不同時間混凝土吸水率

圖8 不同砂率、不同時間混凝土吸水率

由圖5～8可以得出：隨著混凝土試件浸水時間的增加，不同配合比混凝土吸水率均逐漸升高；隨著礦渣摻量的增加，相同浸水時間試件的吸水率逐漸降低，且礦渣摻量為100%時，吸水率顯著低于其他摻配比例，這主要因?yàn)榈V渣摻量的增加，混凝土內(nèi)部會生產(chǎn)更多的C—S—H膠凝材料，改善混凝土的密實(shí)性，降低吸水率；隨著Na2O含量的增加，相同浸水時間試件的吸水率逐漸降低，這主要因?yàn)镹a2O含量的增加，導(dǎo)致混凝土中OH-增加，膠凝材料凝結(jié)硬化速率加快，混凝土構(gòu)件更加密實(shí)，吸水率降低；隨著水灰比的增加，相同浸水時間試件的吸水率逐漸增大，這主要因?yàn)樗冶鹊脑黾訒?dǎo)致硬化后混凝土試件內(nèi)部孔隙增大，吸水率升高；隨著砂率的增加，相同浸水時間試件的吸水率逐漸升高，這主要因?yàn)樯奥实脑黾訒?dǎo)致混凝土內(nèi)部礦料整體比表面積增加，吸水率升高。

2 抗氯離子滲透試驗(yàn)

混凝土構(gòu)件在使用過程中往往受到氯鹽的侵蝕，尤其是水下混凝土構(gòu)件，因此，工程上常用抗氯離子滲透性作為混凝土耐久性指標(biāo)[7-12]。該文選用自然浸泡的方法(濃度為3.5%NaCl溶液)來研究不同礦渣摻量、Na2O含量、水灰比及砂率配合比混凝土90 d、180 d氯離子滲透能力，試驗(yàn)方法參照J(rèn)TS/T236—2019《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)檢測技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求進(jìn)行，混凝土試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。不同配合比混凝土試件90 d、180 d不同深度氯離子滲透濃度試驗(yàn)結(jié)果見圖9～12。

由圖9～12可以得出：

(1) 相同自然浸泡周期時，隨著礦渣摻量的增加，相同深度Cl-濃度逐漸降低；相同礦渣摻量、相同深度，自然浸泡180 d Cl-濃度大于90 d；礦渣摻量為0、25%、50%、75%、100%時，Cl-濃度分別在深度為18 mm、16 mm、14 mm、12 mm、10 mm左右趨于穩(wěn)定，表明礦渣的摻入能夠增強(qiáng)混凝土抗Cl-滲透能力，改善混凝土的耐久性能。

(2) 相同自然浸泡周期時，隨著Na2O含量的增加，相同深度Cl-濃度逐漸降低；相同Na2O含量、相同深度，自然浸泡180 d Cl-濃度大于90 d；Na2O含量為3%、4%、5%時，Cl-濃度均在深度為14 mm左右趨于穩(wěn)定，表明Na2O能夠增強(qiáng)混凝土抗Cl-滲透能力，改善混凝土的耐久性能。

圖9 不同礦渣摻量、不同深度氯離子濃度

圖10 不同Na2O、摻量不同深度氯離子濃度

圖11 不同水灰比、不同深度氯離子濃度

圖12 不同砂率、不同深度氯離子濃度

(3) 相同自然浸泡周期時，隨著水灰比增加，相同深度Cl-濃度逐漸升高；相同水灰比、相同深度，自然浸泡180 d Cl-濃度大于90 d；水灰比為4%、4.5%、5%時，Cl-濃度均在深度為16 mm左右趨于穩(wěn)定，表明混凝土水灰比越小，抗Cl-滲透能力越強(qiáng)。主要由于水灰比越小，混凝土試件凝結(jié)硬化后孔隙越少，內(nèi)部更加密實(shí)引起。

(4) 相同自然浸泡周期時，隨著砂率增加，相同深度Cl-濃度相差不大；相同水灰比、相同深度，自然浸泡180 d Cl-濃度大于90 d；砂率為37%、39%、41%、43%、45%時，Cl-濃度均在深度為16 mm左右趨于穩(wěn)定，表明砂率對混凝土抗氯離子滲透能力影響不大。

3 結(jié)論

通過對不同礦渣摻量、Na2O含量、水灰比及砂率配合比的堿激發(fā)混凝土進(jìn)行坍落度、吸水率、抗壓強(qiáng)度及抗氯離子滲透能力試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1) 隨著礦渣摻量的增加，混凝土坍落度逐漸降低，且礦渣摻量為25%～75%時坍落度差別不大，抗壓強(qiáng)度均逐漸增大，且礦渣的摻入能夠提高混凝土的早期強(qiáng)度，吸水率逐漸降低，抗氯離子滲透能力逐漸增強(qiáng)。

(2) 隨著Na2O含量的增加，坍落度呈先降低后升高的趨勢，抗壓強(qiáng)度逐漸增大，Na2O含量從3%增加到4%時，混凝土強(qiáng)度增幅較大，大于4%時增幅顯著降低，吸水率逐漸降低，抗氯離子滲透能力逐漸增強(qiáng)。

(3) 隨著水灰比的升高，混凝土坍落度逐漸增大，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，吸水率逐漸增大，抗氯離子滲透能力逐漸降低。

(4) 隨著砂率的增加，混凝土坍落度呈先升高后降低的趨勢，當(dāng)砂率為41%時達(dá)到峰值180 mm，抗壓強(qiáng)度整體上呈先升高后降低的趨勢，砂率為41%時，抗壓強(qiáng)度最大，吸水率逐漸升高，抗氯離子滲透能力相差不大。

(5) 該文可為堿激發(fā)膠凝材料在混凝土中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，但堿激發(fā)礦渣/粉煤灰復(fù)合混凝土耐久性僅研究了90 d、180 d的抗氯離子滲透能力，更長周期的研究仍需進(jìn)一步開展。