高钛重矿渣混凝土抗冻试验研究

廖 飞， 钟 菘 ， 王 伟

(1. 西华大学建筑与土木工程学院，四川成都 610039；2. 攀枝花学院四川省高校工业固态废弃物综合利用重点实验室，四川攀枝花 617000)

高钛重矿渣混凝土抗冻试验研究

廖 飞1,2， 钟 菘1,2， 王 伟2

(1. 西华大学建筑与土木工程学院，四川成都 610039；2. 攀枝花学院四川省高校工业固态废弃物综合利用重点实验室，四川攀枝花 617000)

本试验对高钛重矿渣混凝土抗冻性能进行研究,采用标准慢冻法对高钛重矿渣混凝土试块进行50次冻融循环。研究了不同粉煤灰取代水泥掺量,硅粉取代10 %水泥,钢渣取代全部粉煤灰三种情况对高钛重矿渣混凝土抗冻性能的影响，并与普通高钛重矿渣混凝土抗冻性能进行比较。试验研究表明:不同的配合比对高钛重矿渣混凝土的抗冻性能、质量损失和强度损失具有一定的影响,高钛重矿渣混凝土的抗冻性能符合GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的要求。

抗冻性能； 高钛重矿渣混凝土； 粉煤灰； 硅粉； 钢渣

攀西地区具备大量的高钛重矿渣砂、石，利用其制备特种混凝土具有以下几点重要意义：可以较大幅度降低成本；拓宽高钛重矿渣的应用领域；完善高钛重矿渣混凝土的系统性研究。用高钛重矿渣作为原材料制备抗冻性混凝土,不仅可以节约天然资源,还可以提高抗冻性混凝土结构的安全性和耐久性,具有明显的社会效益、经济效益和环保效益,有利于攀西地区城市建设的可持续发展[1]。高钛重矿渣混凝土在攀西地区的研究成果逐渐趋向成熟,研究的热点之一就是其抗冻性能问题,本文研究了高钛重矿渣混凝土的抗冻性能,对高钛重矿渣制备抗冻混凝土提供理论依据。

1 高钛重矿渣混凝土抗冻性能试验

1.1 原材料

骨料采用攀枝花环业公司生产的高钛重矿渣作为材料制备抗冻混凝土。

1.1.1 高钛重矿渣砂和细石

高钛重矿渣砂和高钛重矿渣细石性能指标见表1。

1.1.2 水泥与外加剂

水泥采用攀枝花瑞丰P.O42.5R水泥,其性能指标见表2。外加剂采用攀枝花吉源外加剂,减水率17.6 %,掺量占胶凝总量的1.64 %。

1.1.3 粉煤灰、硅粉和钢渣

粉煤灰、硅粉和钢渣性能指标见表3。

1.2 配合比

高钛重矿渣抗冻混凝土的配合比见表4。

1.3 试验设计方案

本试验采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块,每个编号制作9个试块,共计54个试块,每个编号分3组，每组3个试块,每个编号分别进行7 d抗压强度试验、28 d抗压强度试验和50次冻融循环后抗压强度试验。根据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[2]中对标准慢冻法的要求,冷冻期间试验箱的温度在-20 ℃～-18 ℃范围内;融化期间试验箱内浸泡混凝土的水温保持在18 ℃～20 ℃范围内。进行50次冻融循环后,测其质量损失和强度损失。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

通过对高钛重矿渣混凝土进行批量试验研究,得出了不同配合比混凝土的坍落度、7 d抗压强度、28 d抗压强度、50次冻融循环后的抗压强度及冻融循环后混凝土的质量损失和强度损失,其结果如表5、表6所示。

2.2 总粉料不变,粉煤灰掺量对高钛重矿渣混凝土抗冻性能的影响

有研究表明,水在毛细孔中的结冰温度和毛细孔径有关,如水在1 μm孔隙中的结冰温度为-2 ℃～-3℃,在0.1 μm孔隙中为-8 ℃～ -10℃,在小于0.1 μm孔隙中为-30 ℃～ -40 ℃。根据水银测孔仪测定,混凝土中凝胶孔大小约为0.001 μm,毛细孔尺寸为1.01～10.00 μm,毛细孔越细,冰点下降越多,所以高性能粉煤灰混凝土的抗冻性能之所以能升华,也是由于混凝土孔隙率减少以及剩余的孔隙尺寸变小,毛细孔变细的缘故。这是因为粉煤灰活性掺合料颗粒很小,很容易进入到水泥颗粒的孔隙中,堵塞混凝土中的毛细孔和大孔,并将大毛细孔细分成许多微细孔，使混凝土中大毛细孔的数量减少,孔隙孔径变小,水泥石中的毛细孔含冰而引起毛细孔扩散,产生渗透压[3]。根据上述冻融破坏机理,孔隙孔径越小,孔中存留的可结冰的水就会减少,为提高混凝土的抗冻性能,要求混凝土材料应具有高密实度、充水程度低、适量引气、低水灰比等特点。据此机理,当混凝土饱水程度较低时,混凝土在冻融循环过程中的破坏程度就会降低。所以掺了粉煤灰的混凝土其抗冻性能较好。

通过试验,由图1可以看出,当粉煤灰的掺量在20 %左右时,高钛重矿渣混凝土经50次冻融循环后的强度损失和质量损失较小。增加粉煤灰掺量,轻度损失不多,而节约水泥多,经济效益好。这表明了在高钛重矿渣混凝土中加粉煤灰，能有效提高高钛重矿渣混凝土的抗冻性能。

2.3 硅粉对高钛重矿渣混凝土抗冻性能的影响

硅粉是一种颗粒极细、活性很高的掺合材料,其主要成分是无定形的SiO2,由于其活性比较高,当与高效减水剂混合掺入混凝土中时,硅粉与Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙凝胶体，填补水泥颗粒间的空隙，改善界面结构体系及粘结力,从而提高混凝土的密实度,增强混凝土的抗冻性能[4]。

高钛重矿渣混凝土中掺入硅粉后,从其结构上看,虽然水泥石的空隙率与不掺时大体相同,但其大孔隙及毛细孔隙大量减少,而超细孔隙增加,超细孔隙对水有极强的吸附作用,使水的冰点降低,从而延缓了冻融破坏的过程,降低了破坏应力。正是由于强度的提升及结构体系的改善,从而提高了高钛重矿渣混凝土的抗冻性能(图2)。

2.4 钢渣对高钛重矿渣混凝土抗冻性能的影响

磨细的钢渣具有较好的火山灰质活性,其主要成分是CaO,可与水泥水化析出的Ca(OH)2发生二次反应,生成低碱的CSH水化产物,水化反应释放的热量降低,从而提高混凝土的后期强度及混凝土的耐久性[5]。当磨细的钢渣与高钛重矿渣粉混掺后,其活性变得更好。这是因为混掺后可起到相互活化的作用,发挥更好的复合效应,从而改善混凝土的力学性能。

水结冰时体积增大9 %,其破坏作用主要有:冰胀压力作用、水压力作用和显微析水作用。孔隙中水的冰点随孔隙直径的减小而降低,水结冰时的破坏作用,主要发生在充满了水的较大孔隙中。当孔隙中充满水并快速结冰时,孔隙中将产生较大的冰胀压力,使毛细孔壁受到拉应力作用,导致混凝土材料被拉裂破坏。高钛重矿渣混凝土中掺入钢渣粉后,能有效的填充高钛重矿渣内部的大空隙,减小冰胀压力的大小及破坏作用程度。如图3所示,钢渣能有效改善高钛重矿渣混凝土的抗冻性能。

3 结论

(1)粉煤灰掺量在10 %～30 %之间时,增加粉煤灰掺量,轻度损失不多,而节约水泥多,经济效益好。粉煤灰掺量在20 %左右时,高钛重矿渣混凝土经50次冻融循环后的强度损失和质量损失比普通高钛重矿渣混凝土小。表明了在高钛重矿渣混凝土中加粉煤灰,能有效提高高钛重矿渣混凝土的抗冻性能。

(2)硅粉取代10 %水泥时,高钛重矿渣混凝土的质量损失由冻融前的0.357 %变为冻融后的0.196 %，强度损失由冻融前的4.51 %变为冻融后的3.62 %。硅粉混凝土与普通混凝土相比,不仅力学性能好,而且抗冻融50次循环后硅粉混凝土质量损失和强度损失都低于普通混凝土。因此,硅粉是一种抗冻融性能好的耐久性材料。

(3)钢渣取代全部粉煤灰时,高钛重矿渣混凝土的质量损失由冻融前的0.357 %变为冻融后的0.225 %,强度损失由冻融前的4.51 %变为冻融后的4.02 %。钢渣代替粉煤灰,可以提高高钛重矿渣混凝土的强度,同时,经50次冻融循环后,掺钢渣的高钛重矿渣混凝土试块的质量损失和强度损失都低于普通高钛重矿渣混凝土,所以钢渣能有效改善高钛重矿渣混凝土的抗冻性能。

(4) 硅粉取代10 %水泥时,高钛重矿渣混凝土的质量损失为0.196 %,强度损失为3.62 %,是不同粉煤灰取代水泥掺量、硅粉取代10 %水泥、钢渣取代全部粉煤灰和普通高钛重矿渣混凝土四种情况中,对高钛重矿渣混凝土的质量损失和强度损失最少的。

[1] 黄双华,陈伟,孙金坤.高钛高炉渣在混凝土材料中的应用[J].新型建筑材料,2006(11):71-73.

[2] GB/T 50082-2009 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S].

[3] 刘爱新.粉煤灰混凝土的性能及应用[J].混凝土,2001(12):6-8.

[4] 杨坪,彭振斌.硅粉在混凝土中的应用探讨[J].混凝土,2002(1):11-13.

[5] 孙家瑛.钢渣微粉对混凝土抗压强度和耐久性的影响[J].建筑材料学报,2005(2):63-66.

廖飞(1990～)，男，硕士研究生，研究方向为岩土工程。

TU528.59

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[定稿日期]2017-03-11