粒化高炉矿渣微粉对桥梁混凝土耐久性能影响

王 萌，陈 兵，张宗圣

（中交一公局第五工程有限公司，北京 100024）

引言

近年来，随着我国城市化进程不断推进以及基础建设行业快速发展，混凝土材料用量激增，导致不可再生的天然砂石资源面临枯竭。同时，因建筑物改建产生的数量庞大的废弃混凝土，主要被用作基层材料或直接掩埋、就地堆放，对环境污染大且造成资源浪费。将废混凝土经处理制备成再生混凝土不但可以解决天然砂石资源储量不足的问题，还能有效利用废弃混凝土，实现混凝土工业的可持续发展[1]。再生骨料由废弃混凝土经破碎、筛分制备而成，与天然骨料相比，具有表面附着旧砂浆和存在原始微裂缝等特征，导致呈现吸水率，孔隙率和压碎指标高、比重低[1-2,4,8]，进而影响混凝土力学性能和耐久性能[2]。研究表明，再生骨料强化处理技术可改善骨料品质，从而提高混凝土力学性能和耐久性能[3-6]。

高炉矿渣微粉（GGBS）是常用矿物掺合料之一，是冶炼生铁时高炉中排出的熔渣经水淬冷得到的副产物，具有潜在水化性，掺加到混凝土中能够在碱环境下得到激发发生水化反应[1]。LI等[2]发现GGBS可增强混凝土结合Cl-能力，提高混凝土抗氯离子渗透性能。GAO等[3]发现GGBS在混凝土养护前28 d火山灰活性最显著。CHENG等[4]研究表明，GGBS能够明显降低混凝土界面过渡区Ca（OH）2晶体含量和结晶尺寸，并指出双掺GGBS和粉煤灰能够有效降低界面过渡区缺陷，使混凝土抗侵蚀能力增强。宋力等[5]研究指出，粉煤灰与矿渣超复合叠加效应，能形成更低孔隙的水泥胶体，优化界面微观结构。WAYNE等[6]提出引入GGBS可以延缓混凝土微裂纹出现时间，提高混凝土耐久性能，并指出GGBS掺量最高可达50%。国内外学者关于向混凝土引入GGBS的研究主要集中于普通混凝土和再生混凝土，而关于GGBS对强化再生骨料制备的混凝土耐久性能鲜有研究。

1 原材料与试验

1.1 原材料

1.1.1 胶凝材料

（1）采用P·O42.5级普通硅酸盐水泥，主要物理性能指标见表1。（2）矿物掺合料包括粉煤灰、硅灰和粒化高炉矿渣微粉，主要技术指标见表2。

表1 水泥主要物理性能指标

表2 矿物掺合料主要指标

1.1.2 骨料

粗骨料选用5～20 mm连续级配天然碎石和再生骨料，为改善再生骨料品质，对其进行强化处理。处理方式：（1）水泥浆液强化[7]：分别配制水灰比1∶1的纯水泥浆液、掺30%粉煤灰的水泥浆液以及掺10%硅灰的水泥浆液，按再生骨料与浆液比1∶1，将骨料浸泡在水泥浆液中，待其初凝后取出晾干备用，三种水泥浆液强化处理后再生骨料分别编号为：RAE1、RA-E2和RA-E3。（2）碳 化：采 用CCB-70型碳化箱，碳化温度20 ℃±5 ℃、湿度60%±5%，CO2浓度为20%±5%，碳化一定时间后，将一部分再生骨料研碎后均匀摊开，喷洒1%浓度酚酞溶液，目测碳化样品变红区域小于5%即视为完全碳化，碳化处理后再生骨料编号为RA-E4。粗骨料主要性能指标见表3。细骨料采用细度模数为2.6天然河砂。

表3 粗骨料主要性能指标

1.1.3 外加剂

采用聚羧酸高性能减水剂，减水率高达25%以上，掺量为水泥质量的1.1%。

1.2 试验配合比

在前期试验基础上，配制C30混凝土，其中胶凝材料用量为340 kg/m3，GGBS以等质量方式取代水泥量（0%、10%、20%、30%、40%、50%和60%），再生骨料取代率为100%，砂率为40%，通过调整水灰比使混凝土坍落度控制在180～220 mm，混凝土配合比见表4。

表4 混凝土配合比

1.3 试验方法

1.3.1 工作性能

依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB50080—2002）规定，采用坍落度表征混凝土工作性。

1.3.2 力学性能

依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB50081—2002）规定，测试混凝土试件抗压强度和抗折强度，试件尺寸分别为150 mm×150 mm ×150 mm和150 mm×150 mm×550 mm。

1.3.3 耐久性能

依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（BG/T50082—2009）规定，采用接触法测定试件收缩性能，试件尺寸为100 mm×100 mm×515 mm，试件在3 d龄期从标准养护室取出并置于恒温、恒湿室测初始长度，此后养护至待测龄期测试试件收缩值。采用RCM法测试混凝土氯离子扩散系数，试件尺寸为Ф100 mm×50 mm。试样养护26 d后从标准养护室取出，在60 ℃烘箱中干燥48 h，留下一个侧面并以10 mm为间距做好标记，其余面用石腊密封，放入碳化箱进行试验。

1.3.4 微观结构分析

许沁自然不是一般的女人，一般的女人也做不了老板。许沁很精明，玉敏碰壁在她的预料之中。许沁也没有找王立，她要亲自找葛局长。许沁这么做，是经过深思熟虑的，她相信她能够说服葛局长。

采用S4800环境扫描电子显微镜（ESEM）观测再生混凝土微观结构。收集测完28 d力学性能的CAM碎块，将其磨成直径约5 mm，高度约3 mm小块，测试前对试样喷金处理，测试温度为20 ℃。

2 结果与分析

2.1 GGBS掺量对混凝土收缩性能影响

GGBS掺量对混凝土收缩性能影响试验结果见图1。

图1 不同龄期下GGBS掺量对强化处理再生混凝土收缩值影响

随着GGBS掺量的增加，改性再生混凝土收缩值不断降低，当GGBS掺量大于40%时，试件收缩值降低幅度减少。结果表明，为改善再生混凝土收缩性能，确定GGBS最佳掺量为40%。在四种强化处理方式中，水泥浆+30%粉煤灰对改善试件收缩效果最佳，而纯水泥浆改善效果最小。因为混凝土试件干燥收缩主要取决于试件与外界环境湿度差，两者湿度差越大，湿交换越多，故试件收缩值越大。向混凝土中引入GGBS，可作为辅助胶凝材料，提高混凝土黏聚性和保水性，使试件早期湿度交换减小，而且GGBS中活性SiO2和A12O3含量较高，能与水化产物Ca（OH）2发生二次水化反应，生成水化产物填充混凝土孔隙结构，使试件孔隙率和平均孔径减小，进而提高其密实度，降低收缩值。经水泥浆液强化处理的再生骨料，可发挥内养护作用，增强再生骨料之间表面机械咬合作用，强化混凝土界面过渡区，提高混凝土界面弹性模量与抗干缩变形能力[9]。而掺加30%粉煤灰的水泥浆液的火山灰效应、微集料填充效应以及二次水化反应效果更佳，故RAC-E2试件表现出最小的收缩值。而经碳化处理的再生骨料会生成无定型硅胶和碳酸钙晶体，填充再生骨料孔隙结构，使结构致密，降低混凝土的干燥收缩[10]。

2.2 GGBS掺量对混凝土抗氯离子渗透性能影响

GGBS掺量对混凝土抗氯离子渗透性能影响试验结果见图2。

图2 GGBS掺量对改性再生混凝土氯离子扩散系数影响

由图2可知，改性再生混凝土氯离子扩散系数均比未强化混凝土低。随着GGBS掺量增加，混凝土抗氯离子侵蚀性能均增强，GGBS掺量为40%时，氯离子扩散系数降低最为显著，当GGBS掺量超过40%后，氯离子扩散系数降低较为平缓，表明此时混凝土内部已达到最优内部结构[11]。结果表明，为改善再生混凝土抗氯离子渗透性能，确定GGBS最佳掺量为40%。经水泥浆+硅灰（RAC-E3）和水泥浆+粉煤灰（RAC-E2）处理的再生骨料混凝土抗氯离子渗透系数较其他系列混凝土更低。因为水泥浆液中掺入的硅灰和粉煤灰等矿物掺合料和GGBS相互激发在再生骨料界面发生二次水化和微集料叠加效应[12]，降低孔隙率和改善孔径分布，使混凝土更加密实，且GGBS掺入能够提高混凝土中friedel盐含量，进一步提高混凝土抗氯离子渗透性。

2.3 GGBS掺量对混凝土抗碳化性能影响

GGBS掺量对混凝土抗碳化性能影响试验结果见图3。可以看出：（1）早期（7 d龄期）时，未强化再生混凝土碳化深度受GGBS掺量增长显著，而改性再生混凝土随GGBS掺量增加碳化深度增长较小，但掺量超过40%，碳化深度增长加快。早期混凝土抗碳化性能受密实度和混凝土中碱含量影响，掺入的GGBS火山灰效应能显著降低混凝土中Ca（OH）2含量且水化生成的C-S-H凝胶又与CO2反应吸附更多碱离子，进一步降低混凝土pH值，而未经强化再生混凝土密实度比强化再生混凝土差，CO2更易进入混凝土，使混凝土抗碳化性能显著降低[13]。（2）后期（28 d龄期）时，GGBS掺量为40%时，掺硅灰与粉煤灰强化的再生骨料混凝土碳化深度较其他强化处理增长明显，但增长幅度不大。因为此时混凝土已达到最优内部结构[10]，混凝土抗碳化性能主要受碱含量影响，水泥浆液中矿物掺合料与GGBS在界面处相互激发的火山灰效应较好，碱含量进一步降低而引起碳化深度增长[14]。GGBS掺量的进一步增加，使混凝土最优内部结构破坏以及碱含量的继续降低，加快混凝土碳化。因此，为改善再生混凝土抗碳化性能，确定GGBS最佳掺量为40%。

图3 GGBS掺量对改性再生混凝土抗碳化性能影响

2.4 微观结构分析

混凝土微观结构形貌测试结果见图4。

图4 强化处理再生骨料混凝土微观结构

（1）由图4（a）可见，未强化处理的再生骨料混凝土内部存在一定数量针棒状钙矾石（AFt）和层片状氢氧化钙（CH），微观结构疏松多孔。（2）由图4（b）可见，水泥浆液改性处理的再生骨料混凝土界面处生成大量棒状的AFt和絮状C-S-H凝胶，增加了混凝土密实度，且矿物掺合料的掺入，进一步填充再生骨料孔隙以及后期的二次水化使界面结构更优化，效果更好。（3）由图4（c）可见，经碳化处理的水化产物生成板条状或纤维状碳酸钙（文石和方解石），填充了再生骨料孔隙结构，使孔隙率降低，结构更加致密。（4）由图4（d）可见，GGBS的引入使再生混凝土中大量针状钙矾石和板状Ca（OH）2的含量与晶体尺寸明显减小，火山灰反应生成大量絮状C-S-H凝胶填充了孔隙结构，使孔隙率和孔径显著减小，混凝土结构更加致密，耐久性更好。

3 结语

通过研究再生骨料强化处理技术和粒化高炉矿渣微粉掺量对混凝土收缩性能、抗氯离子渗透性能以及抗碳化性能等影响，并利用SEM分析了混凝土微观结构。得到结论：（1）四种强化处理技术对混凝土耐久性能改善效果排序为水泥浆+粉煤灰＞水泥浆+硅灰＞碳化处理＞纯水泥浆。（2）再生骨料经强化处理后对混凝土耐久性虽有一定改善作用，但掺入GGBS会使再生混凝土收缩值和氯离子渗透性降低，在最佳掺量40%时，混凝土后期抗碳化性能有所降低，但降低幅度不大。（3）GGBS可降低再生混凝土中Ca（OH）2含量和尺寸，优化混凝土孔隙结构，增加密实度，提高其耐久性能。