牛粪灰对水工混凝土抗氯盐侵蚀性能的影响研究

李时媛

(朝阳市凌河治理保护工程质量监督站，辽宁 朝阳 122000)

1 概述

生物质能源目前仍旧是我国广大农村地区的重要能源形式，由于其具有良好的生态属性，因此具有良好的发展空间。但是，大量的生物质燃烧产生的灰渣也是重要的环境污染源，这也成为阻碍生物质产业未来发展的重要因素。我国作为农业大国，生物质能源十分丰富，特别是随着养殖业和畜牧业的发展，牛粪污染问题也日渐突出。牛粪作为一种高热量的物质，是重要的生物质燃料，其燃烧产生的牛粪灰杂质少且不含有毒、有害物质，是较为理想的混凝土掺加料。相关研究显示，在混凝土中掺入一定量的牛粪灰可以有效改善其力学性能和抗冻性。另一方面，随着我国经济的迅速发展，特别是水利水电建设的不断推进，混凝土等建筑材料的消耗量迅速增加，并催生了水泥需求量的增加和价格的上涨。因此，在混凝土中掺加牛粪灰等生物质材料，不仅可以在一定程度上改善混凝土的性能，提高水利工程的质量和耐久性，还可以减少水泥生产中的二氧化碳排放，有利于我国碳中和目标的实现。基于此，此次研究通过室内试验的方式，探讨牛粪灰对水工混凝土抗氯盐侵蚀性能的影响，以便沿海和盐渍区水利工程建设提供有益的支持和借鉴。

2 材料与方法

2.1 试验材料

水泥是水工混凝土制作过程中所使用的主要胶凝材料，其质量和参数对混凝土的性能存在直接影响。研究中根据试验的环境以及牛粪灰混凝土制作的实际需求，选择方北水泥有限公司出品的P.O42.5普通硅酸盐水泥。该品种水泥的堆积密度为1.016g/cm3，比表面积为3650cm2/g表观密度为3000kg/m3，各项技术指标均满足相关施工规范的要求。

此次试验选择的细骨料为大凌河河沙。在试验中将样本砂晒干，然后利用直径5mm和0.16mm的标准筛过筛，去除粒径在5mm以上和0.16mm以下的粗颗粒和细颗粒。经计算，筛分后的细度模数为3.29，为中砂，其含泥量和坚固性等其余指标均满足JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》规定。

此次使用的细骨料为人工玄武岩碎石，其粒径范围为4.5～26.5mm，各项性能指标均满足试验要求。

此次试验使用的牛粪灰来自朝阳市凌北奶牛养殖基地，将晒干后的牛粪在实验室的马沸炉中进行充分燃烧，之后获得牛粪灰，其表观为絮状，其中夹杂有部分片状物，结构之间存在较多的孔隙。经样品测定，其堆积密度为0.365g/cm3，比表面积为4390cm2/g，密度为1050kg/m3。

试验用减水剂为聚羧酸减水剂，推荐掺量为2.5kg/m3，试验用水为普通自来水，满足JGJ 63—2006《混凝土拌合养护用水标准》的用水要求。

2.2 试件制作

此次试验以水工混凝土中常用的C30混凝土进行配合比设计，并对牛粪灰的掺量进行调节，确定0%、5%、10%、15%和20%等5种不同牛粪灰掺量试验方案。试验采用的是100mm×100mm×100mm的立方体试模以及底面直径100mm，高100mm的圆柱形试模。在试件制作之前首先将称量好的各种原材料倒入搅拌机搅拌30s，然后均匀加水和减水剂搅拌120s。取适量搅拌好的混凝土加入立方体模具并放在振动台上振动，在振动的同时逐渐加入混凝土拌合物，在混凝土拌合物加满并振动密实之后将上表面抹平静置24h拆模编号，然后将试件转移到标准养护室养护至试验规定龄期。

2.3 试验方法

此次研究中混凝土试件的抗氯盐侵蚀试验主要针对不同7d、14d和28d龄期条件下的氯离子迁移系数、氯离子浓度以及抗压强度进行测定。目前，混凝土的氯离子扩散系数测试方法主要在室内进行，包括典型自然扩散法和加速扩散法。由于氯离子迁移系数加速扩散法的试验周期段，试验操作比较方便，因此此次研究选择氯离子迁移系数加速扩散法进行测定。在测定过程中先将圆柱形试件在真空饱水机中饱水24h，再将其劈裂为两个大小相同的半圆柱体，在清理残渣后静置15min，然后滴入0.1mol/L的硝酸银溶液，待显色反应结束之后，利用电子游标卡尺测量10个测试点的氯离子侵蚀深度，将其均值作为最终试验结果。对不同牛粪灰掺量方案水工混凝土试件测试其氯盐侵蚀后的抗压强度和电阻率数值。测量方式按照相关施工规范进行，这里不再敷述。测试时每组方案测量三个试件，以其均值作为最终结果。

3 试验结果与分析

3.1 抗压强度

对不同牛粪灰掺量方案下水工混凝土的氯盐侵蚀后的抗压强度进行测量，获得7d、14d和28d龄期的抗压强度值，结果见表1。为了更直观反映牛粪灰对水工混凝土氯盐侵蚀作用下抗压强度的变化特征，研究中以表中的数据为依据，绘制出抗压强度随牛粪灰掺量的变化曲线，结果如图1所示。由试验结果可以看出，在混凝土中掺加一定量的牛粪灰可以提升氯盐侵蚀作用下的抗压强度，具有一定的工程意义。究其原因，主要牛粪灰为典型的絮状物，在混凝土中掺入少量的牛粪灰可以提升混凝土内部结构的密实性，减少混凝土内部较大的空隙和裂缝结构，有效阻碍渗流通道。但是，大幅增加牛粪灰的含量反而会降低混凝土的抗压强度，原因是牛粪灰本身就具有疏松多孔的特征，因此大量增加牛粪灰的含量会导致其内部孔隙的增多，从而降低混凝土的抗压强度。另一方面，掺加牛粪灰对14d和28d龄期的抗压强度值影响相对较大，对7d龄期抗压强度的影响十分有限。从试验的具体结果来看，掺加5%的牛粪灰可以最大限度提升水工混凝土在氯盐侵蚀条件下的抗压强度。

表1 抗压强度试验结果

图1 抗压强度变化曲线

3.2 电阻率

对不同牛粪灰掺量方案下水工混凝土的氯盐侵蚀后的电阻率进行测量，获得7d、14d和28d龄期的电阻率值，结果见表2。以表中的数据为依据，绘制出电阻率随牛粪灰掺量的变化曲线，结果如图2所示。由试验结果可以看出，在不同混凝土龄期条件下，氯盐侵蚀后的混凝土试件电阻率随着牛粪灰掺量的增加呈现出先减小后增加的变化特点。其中，牛粪灰掺量对14d和28d龄期的电阻率影响较大，对7d龄期的电阻率影响较小。从具体的试验结果来看，当牛粪灰掺量为5%—10%时，电阻率值小于未掺加牛粪灰的混凝土，而掺量为5%时的电阻率值最小。

表2 电阻率试验结果

图2 电阻率随牛粪灰掺量变化曲线

3.3 氯离子迁移系数

对不同牛粪灰掺量方案下水工混凝土的氯盐侵蚀后的氯离子迁移系数进行试验和计算，获得7d、14d和28d龄期的氯离子迁移系数值，结果见表3。以表中的数据为依据，绘制出氯离子迁移系数随牛粪灰掺量的变化曲线，结果如图3所示。由试验结果可以看出，混凝土试件的氯离子迁移系数随着龄期的增长不断降低，随着牛粪灰掺量的增加呈现出先降低后升高的变化特点。从具体的计算结果来看，当牛粪灰的掺量为5%和10%时，氯离子迁移系数小于未掺加牛粪灰的方案，其牛粪灰掺量为5%时的氯离子迁移系数最小。

表3 氯离子迁移系数试验结果

图3 氯离子迁移系数变化曲线

4 结论

此次研究通过室内试验的方式，探讨了牛粪灰对水工混凝土抗氯盐侵蚀性能的影响，获得的主要结论如下：

(1)在水工混凝土中掺加一定量的牛粪灰可以提高氯盐侵蚀一条件下水工混凝土的抗压强度，降低电阻率和氯离子迁移系数。

(2)掺加牛粪灰能够有效改善混凝土的抗冻性能，具有一定的工程应用价值。

(3)牛粪灰掺量为5%时的抗压强度最大，电阻率和氯离子迁移系数最小，为最佳掺量比。