不同降碱方式对生态混凝土性能的影响研究

2022-10-22苏新文

西部交通科技 2022年7期

苏新文

(广西路桥工程集团有限公司，广西南宁 530200)

0 引言

公路运输作为交通体系中不可或缺的重要部分，在近年来发展迅速。混凝土材料被广泛应用于公路建设中，其在满足公路建设的同时也给公路蒙上了一抹“灰色”，不仅不美观也不利于绿色公路理念的推广。随着社会对环保的重视，公路建设领域开发出一种既满足混凝土性能要求又满足绿色理念的生态混凝土。生态混凝土是一种只由粗骨料、胶结材料和外加剂等组成，依靠胶结材料的胶结作用，与粗骨料共同作用而形成整体，并具有生态效果的新型环保产品[1]。

由于低碱度对生态混凝土的植生环境有利，而高碱性是水泥水化和硬化过程的必然结果，所以生态混凝土的降碱处理，一直以来都是学者们的研究热点[2-3]。通常情况下，生态混凝土的降碱方式有物理方式、化学方式和其他方式：物理方式是从源头出发，降低碱性物质的析出；化学方式是以酸碱中和为原理，采用化学试剂中和孔隙中的碱性物质；其他方式包含外掺料、农艺法和土壤整治等。由于生态混凝土制备所需原材料、配合比和控制参数等各异，行业内尚无统一标准的降碱方式，不利于生态混凝土在护坡工程中的应用。因此，本文在充分调研生态混凝土各类降碱方式的基础上，分别采用物理、化学和外掺三种降碱方式，对生态混凝土开展降碱处理及性能测试，通过综合分析不同降碱方式下生态混凝土性能变化，为工程技术人员优选降碱方式提供依据。

1 降碱试验

1.1 降碱概述

总体来说，生态混凝土属于混凝土材料，而混凝土材料pH值偏高的原因主要可以归结为水泥拌和后，矿物与水产生化学反应，其化学反应后产生氢氧化钙，一部分氢氧化钙在混凝土空隙中堆积，且氢氧化钙中碱性的(OH)-2离子在绿植生存环境中致使pH值偏高，从而不利于栽培于生态混凝土中的植物生长。在降低生态混凝土碱度的同时，首要遵循的条件是保证混凝土强度满足工程需求，如若降碱处理后混凝土的强度远远低于降碱前的强度，则失去了混凝土稳定边坡、保证耐久性的作用。降碱方式的选择还应切实考虑经济效益和可操作性，在满足需要的同时尽量选取现场操作容易的方式。本试验分别采用物理方式、化学方式和掺料方式开展混凝土降碱处理。

项目背景为广西融水至河池高速公路边坡防护工程，该工程拟应用低碱度生态混凝土作为边坡防护材料。为了对边坡防护工程所用生态混凝土降碱方式提供优选参考，本试验采用3种不同方式对生态混凝土进行降碱处理，处理时以不同剂量对比降碱效果，选取各自最佳的降碱方案，随后测试在最佳降碱方案下各对应块的抗压强度，以研究不同降碱方式的效果。

1.2 试验原材料

生态混凝土试验所需水泥为P·O 52.5硅酸盐水泥，各项组成参数满足规范要求，如表1所示。由于生态混凝土基体属大孔隙混凝土，所以粗骨料粒径范围在10～20 mm，具体性能指标如表2所示，其各项参数符合规范要求。为达到更好的试验效果，减水剂参考前人研究[4]，采用聚羧酸减水剂，减水率为25%。由于降碱工作控制参数精密，故经过筛选和材料测试，生态混凝土降碱试验原材料分为液体硅烷透明试剂、白色固体柠檬酸粉末和粉煤灰。

表1 水泥原材料主要化学成分表

表2 粗骨料性能指标表

1.3 试件制备与测试

基于现场试验经验，水灰比取0.32，减水剂用量为0.71，考虑生态混凝土需要将胶凝材料均匀包裹于骨料中，本试验试件的制备流程为：将水泥充分搅拌60 s→缓慢加入水、外加剂→搅拌90 s→加入骨料→搅拌90 s→分层入模→捣插15～20次→振动5 s→养护1 d→观察未分层、未沉底→脱模→标准状态(20 ℃±2 ℃，95%湿度)养护28 d。期间所有操作流程严格按照国家标准。

降碱处理时，第一组试验将28 d试件分别喷洒标准硅烷试剂1次、2次、3次、4次和5次；第二组试验将试件分别封闭、泡制于柠檬酸粉末加水配置的浓度为1%、2%、3%、4%和5%的液体中；第三组试验将粉煤灰以5%、10%、15%、20%、25%代替水泥制备试件。具体方案如表3所示。随后将3组试件分别用万能材料试验机和pH测定仪测定抗压强度和孔隙pH值，优选处于同一种降碱方式的最佳降碱方案，将3种降碱方式的最佳方案进行对比，分析不同降碱方式对生态混凝土的影响规律。其中，X0组为不采用任何降碱方式处理，其试件抗压强度为13.65 MPa，孔隙的pH值为12.15。

2 降碱结果分析与讨论

2.1 硅烷试剂的影响

由于物理降碱方式处理后较长天数中，试块pH值不会随时间改变，所以本测试统一在生态混凝土试块28 d养护完成后，采用硅烷试剂分别喷洒1～5次，之后将各组混凝土试块进行抗压强度测试和孔隙pH值测定，结果如图1所示。从孔隙pH值测定结果可以看出：喷洒1～5次后，生态混凝土孔隙pH值显著降低，这可以说明硅烷试剂对生态混凝土的降碱有效；随着喷洒次数的增加，孔隙pH值有降低趋势；与未喷洒时的pH值12.15相比，喷洒次数为1～5次时，pH值分别为8.1、7.6、7.2、7.4和7.3，pH值稳定在7～8，且在3次喷洒后逐渐趋于稳定，这说明喷洒3次后，孔隙已经被硅烷试剂所产生的薄膜封闭，增加喷洒次数对孔隙pH值没有实质影响。从抗压强度测定结果可以看出：硅烷试剂的喷洒对生态混凝土抗压强度有所增强，随着喷洒次数的增加，抗压强度整体呈现先升高后趋于平稳的趋势：喷洒次数为1次时抗压强度为14.3 MPa，喷洒次数为2次时抗压强度为15.5 MPa，喷洒次数为3次时抗压强度为15.4 MPa，喷洒次数为4次时抗压强度为15.7 MPa，喷洒次数为5次时抗压强度为15.4 MPa；最大强度出现在喷洒次数为4次时，这说明喷洒4次是最佳的。综合对比pH值和抗压强度数据，可以看出喷洒次数在4次时，抗压强度和pH值最佳。

表3 三种降碱方式的试验方案表

图1 硅烷试剂不同喷洒次数下的试验结果曲线图

2.2 柠檬酸的影响

柠檬酸溶液降碱方式属于化学降碱方式，其可以中和生态混凝土孔隙中的(OH)-2基团，起到降碱作用。分别以1%、2%、3%、4%和5%浓度的柠檬酸处理生态混凝土试件，其孔隙pH值和抗压强度测定结果如图2所示。从孔隙pH值测定结果可以看出：柠檬酸溶液可以有效降碱，但随着柠檬酸溶液浓度的增加，pH值从1%时的9.4逐渐升高至5%时的10.9，说明浓度的增加对降碱效果起副作用，1%时的pH值是最佳的。而通过抗压强度测定结果的曲线可以看出：柠檬酸溶液对抗压强度有降低的作用，随着柠檬酸浓度的增加，抗压强度呈现先降低后升高的趋势，但抗压强度始终低于0%浓度的抗压强度13.65 MPa，其抗压强度最大值出现在5%浓度的12.1 MPa和1%浓度的11.4 MPa。这是由于柠檬酸浸泡后，水化物的结构和稳定性被破坏，导致抗压强度降低。综合比较孔隙pH值和抗压强度结果，说明1%浓度的柠檬酸降碱效果和抗压强度最佳。

图2 不同浓度柠檬酸浸泡后的试验结果曲线图

2.3 粉煤灰的影响

粉煤灰是广泛应用于混凝土制备中的一种矿物材料，可有效改善生态混凝土的工作性能和力学性能，当用其替代水泥外掺于生态混凝土后，其pH值和抗压强度结果如图3所示。从图3可以看出，粉煤灰的掺入可以明显改善生态混凝土的pH值，且随着粉煤灰掺量的增加，生态混凝土孔隙pH值也逐渐降低，达到了降碱效果；当掺量为5%时，孔隙pH值从0%的12.15降低至11.5，持续增大粉煤灰掺量到25%时，生态混凝土孔隙pH值降低至9.9，降低了18.5%。这是由于粉煤灰掺量提高的同时，水泥用量也逐渐降低，减少了水泥水化析出的碱性物质，从而使pH值降低。而掺入粉煤灰对生态混凝土抗压强度有明显提升，随着粉煤灰掺量的增长，生态混凝土抗压强度也逐渐升高，在粉煤灰掺量达到20%以后，抗压强度的升高趋于稳定：在20%掺量时达到15.69 MPa，25%时达到15.62 MPa，变化不大。由于粉煤灰的掺量可以有效降低生态混凝土水泥用量，所以综合考虑pH值和抗压强度数值，降碱效果最佳且抗压强度提升明显的最佳粉煤灰掺量为25%。

图3 添加不同掺量粉煤灰的试验结果图

2.4 不同降碱效果对比

根据3种不同降碱方式的测试结果，取A4、B1和C5为最佳降碱方案，即硅烷试剂喷洒4次、柠檬酸浓度为1%和粉煤灰掺量25%的降碱方案，开展不同降碱效果的对比。以抗压强度为纵轴、pH值为横轴，将3种最佳降碱方案的测试结果以横纵坐标的形式标注在同一图形中。由于规范规定生态混凝土降碱效果以pH值<10为宜，故以横坐标pH值为10绘制一条“pH值达标线”，该线左侧说明pH值满足工程需求。同时，纵坐标以未经降碱处理的X0组抗压强度值13.65 MPa绘制一条“抗压强度基准线”，若方案位于“抗压强度基准线”下方则视为抗压强度降低，位于上方则视为抗压强度提升，如后页图4所示。由图4可以看出，A4、B1、C5这3种方案均满足孔隙pH值要求，其中A4和C5方案在满足pH值要求的同时，抗压强度远高于降碱处理前，所以在抗压强度方面，A4和C5两组方案比B1方案效果更好；但A4和C5方案虽均满足pH值标准，但A4方案距离pH值达标线更远，降碱效果更佳。通过综合对比，A4方案在降碱效果和抗压强度表现上更为突出，但C5由于粉煤灰可以在一定程度上降低水泥用量，且降碱过程不增加生态混凝土的制备工序，经济效益方面更加突出。