汪志艷，方從啟,2

(1.上海師范大學(xué)建筑工程學(xué)院，上海 201418； 2.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

地鐵工程是百年工程，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，必須保證地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性。由于地下結(jié)構(gòu)受到地下水和地表降水的雙重影響，防水工程成為地鐵施工的重要部分?；炷磷苑浪钦麄€(gè)防水工程的重點(diǎn)，混凝土自防水主要指的是改變混凝土的配合比或添加外加劑，提升混凝土的密實(shí)性及和易性，進(jìn)而有效避免裂縫大面積產(chǎn)生，以達(dá)到不滲漏的目的[1]。

我國(guó)是銅冶煉生產(chǎn)大國(guó)，每產(chǎn)出1 t精煉銅就會(huì)產(chǎn)生2 t～3 t銅渣，我國(guó)每年精煉銅產(chǎn)量高達(dá)500萬(wàn)t以上，每年產(chǎn)出銅渣1 500萬(wàn)t以上[2]。煉銅工業(yè)副產(chǎn)品水淬銅礦渣(GCS)大量堆存，不僅造成資源浪費(fèi)，而且隨堆積時(shí)間延長(zhǎng)，銅渣中的有毒、有害元素會(huì)浸入土地造成環(huán)境污染[3]。

目前，國(guó)外對(duì)銅礦渣混凝土的研究較為全面，而國(guó)內(nèi)多數(shù)研究?jī)H針對(duì)如何提高銅礦渣混凝土的強(qiáng)度及改善其力學(xué)性能，對(duì)于銅礦渣混凝土耐久性的研究較少。

2020年中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)、中國(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)共同批準(zhǔn)發(fā)布T/CBMF81—2020/T/CCPA15—2020混凝土用銅渣粉標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布實(shí)施將推動(dòng)銅渣的綜合利用，對(duì)我國(guó)環(huán)境保護(hù)和混凝土的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[4]。

1 銅礦渣對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

銅渣混凝土要應(yīng)用于地鐵建設(shè)，在強(qiáng)度方面至少不能低于普通混凝土，只有強(qiáng)度方面得到保證，銅渣混凝土才有使用的價(jià)值。銅礦渣對(duì)混凝土強(qiáng)度方面的影響可從抗壓強(qiáng)度、抗拉與抗折強(qiáng)度、脆性和收縮四個(gè)方面展開(kāi)討論。

1.1 抗壓強(qiáng)度

摻入銅礦渣會(huì)導(dǎo)致混凝土早期抗壓強(qiáng)度降低，但強(qiáng)度的降低會(huì)隨著齡期的延長(zhǎng)逐漸減弱，當(dāng)銅礦渣摻量小于15%時(shí)，混凝土強(qiáng)度在某一齡期之后比不摻銅礦渣的對(duì)照組高出很多[5]。郭慧高等[6]認(rèn)為摻入銅渣有利于提高充填體后期強(qiáng)度的原因是細(xì)骨料改善優(yōu)化了料漿骨料的級(jí)配，獲得了更高的堆積密度。

減少銅礦渣摻量可以使轉(zhuǎn)折齡期提前。宋軍偉等[7]的研究中，銅礦渣摻量15%的混凝土28 d強(qiáng)度比對(duì)照組低17.57%，但摻量為5%和10%的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度分別比對(duì)照組高6.93%和4.21%，且7 d抗壓強(qiáng)度略低于對(duì)照組，如表1所示。

表1 銅礦渣對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

王坤云等[8]認(rèn)為一些礦物粉體(如粉煤灰、礦渣)替代水泥時(shí)，在相同質(zhì)量下的漿體體積將增加，形成“體積效應(yīng)”，在相同體積下漿體含水量會(huì)降低，形成“減水效應(yīng)”。因此在摻入銅礦渣時(shí)，低水灰比也能起到改善混凝土流動(dòng)性的作用，提高混凝土的工作性能、力學(xué)性能。因此，降低水灰比也可以使轉(zhuǎn)折齡期提前。朱街祿等[9]的研究中，摻入5%銅礦渣時(shí)，水灰比(質(zhì)量比,下同)為0.7的混凝土7 d抗壓強(qiáng)度比相同水灰比對(duì)照組低15.58%，28 d抗壓強(qiáng)度才能超過(guò)對(duì)照組，水灰比為0.5和0.6的混凝土7 d抗壓強(qiáng)度分別比對(duì)照組高9.07%和4.64%，摻入10%和15%銅礦渣時(shí)，降低水灰比，也能提高7 d抗壓強(qiáng)度，如表2所示。

表2 銅礦渣對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

Raju等[10]在銅礦渣混凝土CS中摻入粉煤灰FA，每隔一段時(shí)間檢測(cè)混凝土的抗壓強(qiáng)度，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖2可得，在7 d和14 d的固化期內(nèi)，銅渣混凝土的抗壓強(qiáng)度變化不大，對(duì)于銅礦渣取代率為40%的銅渣混凝土，摻入10%和0%的粉煤灰所得到的最大抗壓強(qiáng)度分別比對(duì)照組高4.4%和1.5%，這是因?yàn)殂~礦渣和粉煤灰對(duì)混凝土存在延遲影響，導(dǎo)致在初始固化期時(shí)，強(qiáng)度只會(huì)發(fā)生小幅度提高，隨著齡期的延長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度逐漸上升，但最終的抗壓強(qiáng)度相差不大，可得出粉煤灰可以與銅礦渣相結(jié)合，一起與水泥發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生與混凝土的結(jié)合性能，并不影響最終的抗壓強(qiáng)度，混凝土強(qiáng)度取決于銅礦渣含量。

使用一些堿性激發(fā)劑(如CaO,NaOH)，可以提高銅渣的活性，進(jìn)而緩解銅礦渣對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的不良影響。朱茂蘭等[11]取銅渣150 g，氧化鈣用量分別取銅渣質(zhì)量的0%,3%,6%,10%和15%，在1 350 ℃下進(jìn)行焙燒，最后進(jìn)行銅渣試件抗壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

1.2 抗拉與抗折強(qiáng)度

銅礦渣對(duì)混凝土的抗拉與抗折強(qiáng)度的影響與抗壓強(qiáng)度類(lèi)似，延長(zhǎng)齡期和減少銅礦渣摻量能緩解早期強(qiáng)度不足。Najimi等[12]的研究中，銅渣混凝土28 d和90 d抗拉強(qiáng)度分別比對(duì)照組低9.1%和6.9%。Boakye等[13]的研究中，銅渣摻量2.5%,5%,10%和15%的混凝土3 d抗折強(qiáng)度比對(duì)照組分別低7.74%,14.88%,21.13%和26.79%。但到90 d時(shí)，與對(duì)照組之間的差距僅為2.40%,6.24%,10.56%和13.60%。

Abhishek等[14]用銅渣取代河砂作為細(xì)骨料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。其中取代率為40%的銅礦渣混凝土表現(xiàn)出最高的抗拉強(qiáng)度，但當(dāng)取代率超過(guò)40%時(shí)，抗拉強(qiáng)度逐漸下降，且隨著齡期的延長(zhǎng)，抗拉強(qiáng)度逐漸提高。

Yuqi Zhou等[15]的研究中，降低水灰比可以緩解銅礦渣對(duì)混凝土早期抗拉強(qiáng)度的不利影響，水灰比為0.4的銅渣混凝土的抗拉強(qiáng)度低于0.35的對(duì)照組，如圖5所示。

Farshad Ameria等[16]用銅礦渣取代天然砂子，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。當(dāng)取代率在0%～60%，無(wú)論是0.35還是0.4的水灰比，銅渣混凝土的抗拉強(qiáng)度都隨取代率的提高而加強(qiáng)。對(duì)應(yīng)的，每一組水灰比為0.35的銅渣混凝土的抗拉強(qiáng)度都大于0.4水灰比的混凝土。

Aditya Kumar等[17]用粉煤灰和銅礦渣混合取代混凝土中的細(xì)集料，除了正?；炷镣?，其余混凝土中均摻入20%粉煤灰，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。當(dāng)僅摻入粉煤灰時(shí)，混凝土的抗拉強(qiáng)度也大于對(duì)照組。摻入銅礦渣可以提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，在取代率為30%時(shí)，達(dá)到最大，并且隨著齡期的延長(zhǎng)，抗拉強(qiáng)度不斷增長(zhǎng)。

表3 銅渣混凝土不同條件下的抗拉強(qiáng)度 MPa

Vijayasarathy等[18]將渣混凝土浸泡在氫氧化鈉溶液中，在7 d和28 d時(shí)檢測(cè)試樣的斷裂抗拉強(qiáng)度，結(jié)果如圖7所示。氫氧化鈉摩爾濃度的升高導(dǎo)致了強(qiáng)度值的升高。7 d抗拉強(qiáng)度值在2.85 MPa～4.7 MPa之間，28 d抗拉強(qiáng)度值在2.98 MPa～4.15 MPa之間。銅礦渣中存在硅酸鈉，有助于未反應(yīng)的顆粒與凝膠基質(zhì)的結(jié)合，從而提高其力學(xué)性能。礦物混合物中存在二氧化硅和氧化鋁，與堿凝膠結(jié)合，形成交聯(lián)凝膠，作為結(jié)合材料，提高了銅渣混凝土的性能。氧化鈣的存在改善了膠凝凝膠，從而改善了黏結(jié)劑-聚集區(qū)。由于銅渣和堿性溶液的非晶態(tài)條件，導(dǎo)致二氧化硅、氧化鋁等成分的溶解。

1.3 脆性

一般將混凝土抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度或抗折強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度之比稱為脆性系數(shù)，若以抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比為脆性系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)銅渣混凝土的脆性時(shí)，可知拉壓比越大，混凝土的脆性越低[19]，如圖8所示。當(dāng)摻入10%及15%的銅礦渣時(shí)，混凝土的拉壓比增大，脆性降低，摻入5%的銅礦渣時(shí)，拉壓比降低不明顯；摻入銅礦渣能降低混凝土的脆性。混凝土在7 d和28 d的拉壓比不會(huì)隨著銅礦渣摻量改變而發(fā)生劇烈波動(dòng)，因此7 d和28 d的混凝土脆性無(wú)明顯差別，該結(jié)論與朱街祿等實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

宋軍偉等[20]認(rèn)為銅礦渣具有一定程度火山灰活性，其所含的活性SiO2在水泥水化后期與水產(chǎn)產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生弱火山反應(yīng)，生成膠凝產(chǎn)物CSH凝膠，降低混凝土的脆性。

Madhura Sridharan1CA等[21]用銅渣取代河砂，確定0%～100%的10個(gè)比例，因?yàn)?0%比例與0%所測(cè)出的強(qiáng)度差距不大，所以不考慮10%比例，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。隨著取代率的提高，銅渣混凝土的脆性基本上呈降低趨勢(shì)，并且7 d和28 d的混凝土脆性波動(dòng)不大。

Seyed Mohammad Rasoul Abdar Esfahania等[22]用不同百分比研磨顆粒高爐爐渣和銅礦渣制備混凝土混合料，作為水泥和天然細(xì)骨料的部分替代物，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10，圖11所示。圖10為0%研磨顆粒高爐爐渣取代率且不同銅礦渣取代率的拉壓比，圖11為不同研磨顆粒高爐爐渣取代率且銅礦渣取代率為50%的拉壓比。由圖10可得，隨著銅礦渣取代率的提高，銅渣混凝土的拉壓比基本上呈增大趨勢(shì)，當(dāng)取代率達(dá)到100%時(shí)，拉壓比達(dá)到最大，此時(shí)的7 d,28 d及90 d的拉壓比相差較大，銅渣混凝土的脆性存在波動(dòng)加劇的趨勢(shì)。由圖11可得，摻入高爐爐渣可以降低銅渣混凝土的脆性，且當(dāng)摻量達(dá)到60%時(shí)，拉壓比達(dá)到最大。

1.4 收縮

混凝土的收縮是由蒸發(fā)引起的水分損失或水泥水化引起的化學(xué)變化以及碳化引起的，一般來(lái)說(shuō)，混凝土的收縮被認(rèn)為發(fā)生在水泥漿基質(zhì)中[23]。收縮類(lèi)型很多，其中干縮、自生收縮和化學(xué)收縮是最常見(jiàn)的，雖然也存在一些其他類(lèi)型的收縮，例如碳酸化收縮，但它們對(duì)整體收縮的貢獻(xiàn)很小，可以忽略不計(jì)[24]。收縮是混凝土開(kāi)裂的主要原因，影響混凝土構(gòu)件的使用壽命和耐久性，降低混凝土的質(zhì)量。

Yasser Sharifi等[25]，進(jìn)行銅渣混凝土在不同齡期的干燥收縮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。一般來(lái)說(shuō)，收縮應(yīng)變?cè)谳^小的齡期才具有可比性，在干燥期的后期有相當(dāng)大的區(qū)別。根據(jù)圖12，可以看出收縮隨著銅礦渣取代率的增加而減少，并在取代率為30%時(shí)，達(dá)到最小值。

Gupta等[26]對(duì)含銅渣取代率為0%～60%的樣品一式三份進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以觀察干燥收縮現(xiàn)象?；旌衔镌诓煌g期下長(zhǎng)達(dá)448 d的長(zhǎng)期干燥收縮結(jié)果如圖13所示。添加銅渣后，混合物的干燥收縮率均降低，一般來(lái)說(shuō)收縮率在干燥期28 d前不具有可比性，在干燥期28 d后才能觀察到明顯的區(qū)別。10%,20%,30%,40%,50%和60%取代率的銅渣混凝土在28 d內(nèi)的干燥收縮率分別比對(duì)照混凝土低22.61%,32.61%,17.39%,13.04%,8.69%和2.17%。銅渣混凝土的長(zhǎng)期干燥收縮在224 d后變得穩(wěn)定，在448 d時(shí)，銅渣混凝土的收縮應(yīng)變分別為10.19%，16.35%，7.69%，4.23%，1.92%和0.96%。

Thomas等[27]用銅礦渣取代天然砂，根據(jù)0%～60%銅礦渣取代率和0.4,0.45及0.5三個(gè)水灰比進(jìn)行混凝土收縮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。當(dāng)水灰比為0.4，固化期為第7天時(shí)，對(duì)照組的收縮應(yīng)變值為3.5×10-5。當(dāng)銅礦渣的取代率在10%～30%范圍內(nèi)，銅渣混凝土收縮應(yīng)變值呈下降趨勢(shì)，當(dāng)取代率超過(guò)30%，銅渣混凝土的收縮應(yīng)變值開(kāi)始上升，當(dāng)取代率為60%時(shí)，應(yīng)變值達(dá)到5.9×10-5，這種因取代率不同，收縮應(yīng)變值發(fā)生改變的趨勢(shì)一直持續(xù)到91 d。當(dāng)水灰比為0.45及0.5時(shí)，銅渣混凝土的收縮應(yīng)變值的趨勢(shì)相同，都是在一定銅礦渣取代率的范圍內(nèi)，應(yīng)變值下降，超過(guò)范圍，應(yīng)變值上升。

2 銅礦渣對(duì)混凝土耐久性的影響

銅渣混凝土要應(yīng)用于地鐵防水，那么其在防水抗?jié)B方面必須得到保障，除了單純的防水之外，還需考慮混凝土的耐久性問(wèn)題，銅礦渣對(duì)混凝土耐久性性能的影響可以從抗?jié)B性、抗碳化性、抗氯離子滲透能力三個(gè)方面展開(kāi)討論。

2.1 抗?jié)B性

混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B性是指混凝土結(jié)構(gòu)抵抗水滲入混凝土孔隙的能力，這種孔洞是由于在混凝土硬化期間混凝土的蒸發(fā)，以便在配制混凝土?xí)r獲得一定程度的結(jié)構(gòu)流動(dòng)性[28]。

摻入銅礦渣，可以提高混凝土的密實(shí)度，從而降低混凝土的吸水率，但當(dāng)銅渣含量過(guò)大時(shí)，混凝土表面吸水率降低，游離水含量增加，導(dǎo)致硬化混凝土中產(chǎn)生更多的空隙，混凝土抗?jié)B性能下降[29]。

Najimi等采用5%,10%和15%銅渣作為水泥替代，研究其抗?jié)B透性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。銅礦渣取代率為0%～10%的范圍內(nèi)，銅渣混凝土的滲透深度隨著銅礦渣取代率的提高而下降，且在取代率為10%達(dá)到最大。當(dāng)取代率為10%時(shí)，28 d和90 d滲透深度分別下降了35.71%和38.46%；當(dāng)銅礦渣取代率為15%時(shí)，28 d和90 d滲透深度分別下降了7.14%和7.69%。可以得出摻入銅礦渣有利于提高混凝土的抗?jié)B性能，但銅礦渣取代率超過(guò)一定范圍時(shí)，提高效果不顯著。

Abhishek等在銅渣混凝土達(dá)到56 d齡期時(shí)，對(duì)含有不同比例銅礦渣的混凝土進(jìn)行混凝土抗?jié)B性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖16所示。銅礦渣的取代率在0%～40%的范圍內(nèi)，銅渣混凝土的抗?jié)B性能得到了提升，當(dāng)取代率超過(guò)40%時(shí)，銅渣混凝土的抗?jié)B能力低于對(duì)照組。

Yasser Sharifi等對(duì)不同齡期、不同銅礦渣取代率的混凝土進(jìn)行吸抗?jié)B性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖17所示。當(dāng)銅礦渣取代率在0%～15%的范圍內(nèi)，銅渣混凝土的抗?jié)B性略低于或幾乎等于對(duì)照組混凝土，當(dāng)取代率高于15%時(shí)，銅渣混凝土的抗?jié)B能力大于對(duì)照組混凝土。在30 min～1 d內(nèi)，混凝土的吸水量大幅度上升，之后的吸水量變化不明顯，說(shuō)明銅礦渣可能填充了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)空間，促進(jìn)了毛細(xì)管孔隙和填料基質(zhì)的減少和不連續(xù)性。

Khalifa S等進(jìn)行了兩項(xiàng)測(cè)試，以評(píng)估用銅渣作為精細(xì)骨料替代品制成的混凝土的耐久性，測(cè)試結(jié)果如圖18～圖20所示。第一個(gè)測(cè)試是測(cè)量混凝土的表面吸水率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖18,圖19所示，第二個(gè)測(cè)試是測(cè)量混凝土中透水空隙體積的百分比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖20所示。

由圖18可得，所有組混凝土都表現(xiàn)出表面吸水率隨時(shí)間下降的趨勢(shì)。在前30 min內(nèi)，表面吸水速率下降較快，30 min之后，下降速率逐漸平緩。在整個(gè)測(cè)試時(shí)間內(nèi)，40%銅渣取代率的銅渣混凝土的表面吸水率最低，100%銅礦渣取代率的混凝土的表面吸水率最大。銅礦渣取代率在0%～40%的范圍內(nèi)，隨著銅礦渣含量的增加，混凝土的表面吸水率逐漸降低，取代率達(dá)到40%時(shí)，存在最小表面吸水率。

圖20顯示了不同摻量的銅渣混凝土在28 d固化時(shí)透水空隙含量的體積比。結(jié)果表明，隨著銅渣含量的增加，滲透性空隙的百分比略有下降，當(dāng)銅礦渣取代率為50%時(shí)，滲透性空隙的百分比達(dá)到最低。雖然當(dāng)銅礦渣取代率超過(guò)50%時(shí)，滲透性空隙的百分比呈上升趨勢(shì)，但100%銅礦渣取代率的混凝土的空隙百分比仍小于或基本接近對(duì)照組混凝土。

2.2 抗碳化性

混凝土的碳化會(huì)造成混凝土中鋼筋被銹蝕，進(jìn)而造成整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的破壞，縮短建筑物的使用壽命。在混凝土中添加粉煤灰的作用就在于將水化熱降低，使得混凝土耐久性得以提升，并產(chǎn)生滾珠效應(yīng)，使得混凝土的工作性得到有效提升[31]?？固蓟阅苁窃u(píng)價(jià)混凝土質(zhì)量好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，與粉煤灰、礦粉等摻合料類(lèi)似，屬于火山質(zhì)的銅礦渣能夠提高混凝土的抗碳化能力。銅渣粉的早期活性低，重金屬成分可與水化產(chǎn)物生成沉淀物覆蓋水泥顆粒，對(duì)水化熱的抑制作用明顯，因此摻入銅礦渣可以提高混凝土抗碳化能力[32]。

Moura等[33]在相對(duì)濕度(68±2)%，溫度(21±2)℃，CO2質(zhì)量濃度5%的條件下，研究了外摻銅渣粉對(duì)碳化深度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。無(wú)論是0.5水灰比還是0.6水灰比，摻入20%的銅礦渣，都能延緩混凝土的碳化深度的發(fā)展進(jìn)程。當(dāng)水灰比為0.5時(shí)，摻入20%的銅礦渣，其210 d和240 d的碳化深度分別為0 mm和1 mm，而0.6水灰比，摻入20%的銅礦渣時(shí)，210 d和240 d的碳化深度分別為7.5 mm和13.5 mm?？傻贸?，適當(dāng)降低水灰比可以延緩銅渣混凝土的碳化發(fā)展進(jìn)程。

表4 外摻20%銅渣粉后的碳化深度變化

Mavroulidou等[34]采用20%,40%,60%及80%的銅礦渣取代率在不同水灰比的情況下進(jìn)行酚酞測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)是基于混凝土高堿性這一特點(diǎn)，如果混凝土沒(méi)有發(fā)生碳酸化，則用酚酞溶液噴涂混凝土?xí)r，會(huì)出現(xiàn)鮮艷的紫色。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可得出大多數(shù)混凝土幾乎沒(méi)有顯示出碳酸化的跡象，除了一些局部碳酸化，主要是在微裂紋或聚集體周?chē)?，?shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 銅渣混凝土的碳化平均深度

Sharma[35]等用銅礦渣取代細(xì)骨料，用偏高嶺土取代粉煤灰，進(jìn)行混凝土碳化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖21所示。

由圖21可得對(duì)照組混凝土即未摻入銅礦渣、偏高嶺土的混凝土在每個(gè)測(cè)試時(shí)期的碳化深度都大于實(shí)驗(yàn)組。在4周、8周、12周和16周的測(cè)試中，對(duì)照組的碳化深度分別為21.30 mm,26.50 mm,31.50 mm和36.40 mm。如果在對(duì)照組中摻入10%的偏高嶺土取代粉煤灰，即可得到OFM-CS0實(shí)驗(yàn)組，該組在4周、8周、12周和16周的測(cè)試中，碳化深度分別減少了18.31%，7.17%，5.40%和7.69%。導(dǎo)致碳化深度變化的原因可能是偏高嶺土可以發(fā)生火山灰反應(yīng)，其與水泥水化反應(yīng)中生成的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成致密的C-S-H凝膠，致密微觀結(jié)構(gòu)的形成導(dǎo)致混凝土孔隙率降低，提高了混凝土抗CO2滲透能力。

在實(shí)驗(yàn)組OFM-CS0中摻入銅礦渣取代細(xì)骨料，可得出后5組實(shí)驗(yàn)組，由圖21可得出隨著銅礦渣取代率的提高，混凝土的碳化深度逐漸降低。對(duì)于100%銅礦渣取代率的實(shí)驗(yàn)組，其在4周、8周、12周和16周的測(cè)試中，碳化深度的下降幅度分別為38.49%,38.33%,40%和44.50%。

2.3 抗氯離子滲透

Sandra等[36]的研究中，指出摻入銅礦渣可以降低有效水灰比，從而降低氯離子的滲透率。Alexander等[37]認(rèn)為氯離子滲透率的降低與孔結(jié)構(gòu)的改變以及氯離子和鋁酸鹽發(fā)生反應(yīng)有關(guān)。Najimi等使用銅礦渣代替5%～15%的水泥后，28 d時(shí)混凝土抗氯離子滲透性提高了2.1%，90 d時(shí)最多提高了10.6%，作者指出銅礦渣發(fā)生的火山灰反應(yīng)填充了孔隙，使微觀結(jié)構(gòu)更加致密。Boakye采用將試塊在5 mol/L的NaCl溶液中浸泡24 h后測(cè)電 導(dǎo)率的方式進(jìn)行的氯離子電導(dǎo)實(shí)驗(yàn)中，2.5%,5%,10%及15%的銅礦渣使混凝土導(dǎo)電率分別降低了17%,25%,38%及46%，作者指出這是銅礦渣水化產(chǎn)物吸附氯離子以及氯離子進(jìn)行離子交換轉(zhuǎn)化成低導(dǎo)電率物質(zhì)所致。

Gong,W(Gong,Wei)等[38]在混凝土試件的兩端涂上環(huán)氧樹(shù)脂，確保Cl-只能從試件的側(cè)面滲透，然后在10%濃度的氯化鈉溶液中浸泡試樣1個(gè)月。該試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有利用電勢(shì)加速氯離子的遷移過(guò)程，氯離子滲入混凝土主要是由初始毛細(xì)管吸力后氯離子自然遷移引起的。最后，在混凝土開(kāi)裂面噴灑0.1 mol/L硝酸銀溶液測(cè)量Clˉ的滲透深度,Cl-含量低的混凝土呈棕色，含量高的混凝土呈白色。

因未通過(guò)電勢(shì)加速氯離子滲透，該實(shí)驗(yàn)通過(guò)加熱混凝土試樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖22所示。

當(dāng)溫度在0 ℃～200 ℃時(shí)，氯離子的滲透深度隨著溫度的升高而顯著增加，當(dāng)溫度超過(guò)200 ℃時(shí)，滲透深度變化不明顯。當(dāng)溫度低于100 ℃，即處于正常環(huán)境溫度時(shí)，可看出摻入20%銅礦渣的混凝土的Cl-滲透深度低于對(duì)照組，當(dāng)銅礦渣取代率過(guò)高，即達(dá)到40%時(shí)，混凝土的Cl-滲透深度高于對(duì)照組。

3 結(jié)語(yǔ)

從混凝土力學(xué)性能和耐久性兩方面來(lái)分析銅渣混凝土，可以得出以下結(jié)論：

1)銅礦渣會(huì)導(dǎo)致混凝土早期強(qiáng)度的降低，但強(qiáng)度的降低會(huì)隨著齡期的延長(zhǎng)而減弱。可以通過(guò)降低銅礦渣的取代率、降低水灰比、使用熟石灰等堿性激發(fā)劑和摻入粉煤灰等礦物粉體來(lái)緩解早期強(qiáng)度的下降，提升銅渣混凝土的力學(xué)性能。

2)摻入適量的銅礦渣可以降低混凝土的脆性和干燥收縮，但超過(guò)范圍，銅礦渣對(duì)混凝土脆性和收縮的降低效果不明顯，且還會(huì)產(chǎn)生不利的影響，如增大脆性和促進(jìn)混凝土收縮。

3)銅礦渣可以提高C-S-H凝膠的含量，改善孔隙結(jié)構(gòu)，降低混凝土表面吸水率，提高混凝土的抗?jié)B性、抗碳化能力以及抗氯離子滲透能力，有利于提高混凝土的耐久性。

由上述結(jié)論得出銅渣混凝土可以應(yīng)用于地鐵防水，但在具體配置銅渣混凝土?xí)r，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定水灰比、外加劑等不定因素。