玉米秸稈灰生態(tài)多孔混凝土抗凍性能試驗(yàn)研究

許 鵬,王正君，魏凌傲，宮 瀅

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

中國是世界上最大的水泥生產(chǎn)國和消費(fèi)國，每年水泥消耗量約為24億t。由于水泥生產(chǎn)對(duì)環(huán)境和社會(huì)造成的影響，迫使相關(guān)從業(yè)人員尋找替代水泥的新材料。現(xiàn)有研究表明，玉米秸稈灰等農(nóng)業(yè)廢棄物的燃燒灰燼含有大量的游離態(tài)硅，有較高的火山灰活性，是潛在的水泥替代材料[1-3]。

在我國東北等高寒地區(qū)，凍融循環(huán)造成的混凝土破壞是工程實(shí)踐中十分常見的問題。溫度的變化使得混凝土中孔隙水結(jié)冰或融化，從而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹壓或滲透壓。溫度的往復(fù)循環(huán)，使混凝土內(nèi)部膨脹壓和滲透壓循環(huán)變化，在內(nèi)部產(chǎn)生大量裂縫，最終使混凝土破壞。因而，抗凍性是秸稈灰混凝土耐久性研究的重要指標(biāo)之一[4]，更是工程實(shí)際應(yīng)用中需要著重考慮的因素。

盡管已經(jīng)有秸稈灰替代水泥的研究，但是對(duì)混凝土耐久性的研究較少且沒有一致結(jié)論，更多的問題亟待解決。因?yàn)楹邶埥〉闹饕?jīng)濟(jì)作物是玉米，每年產(chǎn)生大量的玉米秸稈廢棄物，所以本次試驗(yàn)選取玉米秸稈作為研究對(duì)象具有一定的代表性和實(shí)際意義。本文旨在考慮不同玉米秸稈灰摻量(5%、10%、15%)的混凝土強(qiáng)度變化，與不摻的對(duì)照組進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，分析秸稈灰混凝土的抗凍性能，以及實(shí)際應(yīng)用的潛在可能。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)采用天鵝牌P·O42.5型水泥；粗骨料是粒徑控制在5～15 mm的碎石，表觀密度為2720；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.5，含泥量1.5%，表觀密度2617的偏細(xì)河沙；選用萘磺酸鈉甲醛縮合物的高效減水劑，減水率為25%～30%；秸稈灰實(shí)驗(yàn)室自行制取；水為可飲用的自來水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試件配合比

本次試驗(yàn)選取5%、10%、15%三個(gè)摻量摻入玉米秸稈灰制備混凝土，以不摻加秸稈灰的混凝土作為對(duì)照組，制取100 mm×100 mm×400 mm和100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件。本次試驗(yàn)水灰比為0.4，添加1.0%的高效減水劑。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，設(shè)計(jì)玉米秸稈灰混凝土配合比，如表1所示。

表1 玉米秸稈灰混凝土配合比

1.2.2 試件制備與養(yǎng)護(hù)

因?yàn)樯鷳B(tài)混凝土具有較多的粗骨料，而水泥和細(xì)骨料含量較小，傳統(tǒng)的制備方法拌和時(shí)阻力大，容易使粗骨料磨碎，且水泥砂漿包裹不均勻，也無法保證達(dá)到生態(tài)混凝土需求的孔隙率。因此本次試驗(yàn)參考相應(yīng)規(guī)范，經(jīng)過多次試驗(yàn)確定了混凝土試件的制備方法。制備方法為：

(1)將所有的粗骨料和細(xì)骨料放到SJD-30L型單臥軸攪拌機(jī)中，再加1/3的水，拌和約0.5 min，使骨料充分潤濕。

(2)將全部的水泥和玉米秸稈灰加入其中，拌和約0.5 min，使骨料、水泥和秸稈灰充分混合，減少摩擦力。

(3)將水和外加劑全部加入其中，拌和約2 min，形成均勻度較好的拌和物。

這種方法可以滿足生態(tài)混凝土強(qiáng)度和孔隙率要求，也是一種較為有效的生態(tài)混凝土制備方法。在裝模時(shí)，將混凝土拌和物逐層均勻的裝入試模中，保證每層充分振搗、壓實(shí)后再進(jìn)行下一層填充，最后將填裝完畢的試模置于振動(dòng)臺(tái)震動(dòng)密實(shí)。然后，將試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 d后，取出放在(20±2 ℃)的蒸餾水中4 d，到28 d時(shí)取出進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2.3 制備秸稈灰

制備玉米秸稈灰使用的儀器為GLJZ-8-1800型馬沸爐。制取方法：首先，將坩堝、鋼鍋、不銹鋼絲網(wǎng)架等預(yù)熱，將馬沸爐升溫至600±5 ℃；其次，將玉米秸稈放置在不銹鋼絲網(wǎng)架上，燃燒2 h；最后，收集秸稈灰，將收集到的秸稈灰置于真空干燥器中冷卻，待用。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 混凝土性能檢測(cè)

玉米秸稈灰的顆粒粒度采用MS-3000型激光衍射儀測(cè)定。玉米秸稈灰分的化學(xué)組成由X射線熒光檢測(cè)器(XRF)檢測(cè)得到。燒失量(LOI)通過測(cè)量單位重量的干燥生物質(zhì)灰分在900 ℃加熱3 h后的質(zhì)量損失來確定。LOI計(jì)算為燒制期間質(zhì)量損失的百分比。

1.3.2 混凝土性能檢測(cè)

凍融循環(huán)試驗(yàn)參照國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)[5]，選用快凍法檢測(cè)本次試驗(yàn)制備的混凝土試件。

以3個(gè)試件為一組，將試件放在全自動(dòng)凍融試驗(yàn)箱的膠盒中，在膠盒外倒入一定量的防凍液。同時(shí)在膠盒內(nèi)加入一定量的蒸餾水，使試件被水完全浸沒。在試件經(jīng)過25次凍融循環(huán)后，取出瀝干，觀察其外觀，稱量其質(zhì)量。當(dāng)質(zhì)量損失達(dá)到5%時(shí)試驗(yàn)終止，此時(shí)混凝土完全被破壞。

因?yàn)榻斩捇疑镔|(zhì)混凝土尚無國家標(biāo)準(zhǔn)，所以本次試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2016)[6]，檢測(cè)混凝土試件的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)儀器為WE-1000D型混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 秸稈灰的特性

圖1顯示了玉米秸稈灰的粒度分布。分析圖1可得，D(10)為16.9 μm，D(50)為118 μm，D(90)為366 μm。檢測(cè)得到玉米秸稈灰比表面積為276.3 m2/kg。由此可知，雖然玉米秸稈灰可以直接用在混凝土中，但是灰樣中較大的顆?？赡軙?huì)減慢水泥水合反應(yīng)的速率。

由XRF檢測(cè)到的灰樣化學(xué)成分見表2?；覙又蠸iO2和Al2O3的總和大于70%，而Na2O+0.66K2O的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.6%，燒失量為6.41%，可以作為摻合料部分替代水泥制備混凝土。

圖1 玉米秸稈灰顆粒分布圖

圖2 玉米秸稈灰混凝土抗壓強(qiáng)度

表2 玉米秸稈灰化學(xué)組成、燒失量%

2.2 混凝土抗壓強(qiáng)度

經(jīng)過檢測(cè)混凝土的抗壓強(qiáng)度，如圖2所示。摻量為5%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度略有下降，而摻量為10%和15%時(shí)，混凝土的強(qiáng)度損失超過了8%以上。此時(shí)，混凝土的密實(shí)度會(huì)因此減少，對(duì)混凝土的抗凍性有較大的危害?；炷恋目箟簭?qiáng)度與秸稈灰摻量呈負(fù)相關(guān)，秸稈灰摻量對(duì)混凝土的強(qiáng)度有一定的影響。但摻量為5%時(shí)，混凝土試件強(qiáng)度與對(duì)照組相比較差異不大，可以滿足一般的工程需求。

2.3 混凝土抗凍性

質(zhì)量損失率可以表征混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損失、劣化的進(jìn)展，是混凝土結(jié)構(gòu)破壞的重要參數(shù)，由公式(1)計(jì)算得到:

(1)

式中：ΔWn i為n次凍融循環(huán)后第i個(gè)混凝土試件的質(zhì)量損失率，%；W0i為凍融循環(huán)試驗(yàn)前第i個(gè)混凝土試件的質(zhì)量，g；Wn i為n次凍融循環(huán)后第i個(gè)混凝土試件的質(zhì)量，g。

不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土各試件質(zhì)量，如圖3所示。分析圖3可知，混凝土試件的損失率與凍融次數(shù)呈正相關(guān)，即質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，原因是試件逐漸剝落。對(duì)照組混凝土試件在25次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率為0.5%；而摻加秸稈灰的混凝土損失率均超過1.0%。循環(huán)次數(shù)為75次時(shí)，摻加秸稈灰的試件損失率接近凍融試驗(yàn)損失率上限5.0%，而對(duì)照組質(zhì)量損失率僅有2.1%。未摻加秸稈灰的試件在凍融試驗(yàn)中有更好的性能表現(xiàn)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)100次后，試件大部分受到破壞，骨料大量剝落，表面有明顯的裂紋。破壞嚴(yán)重的試件，甚至產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。所有試件的強(qiáng)度均不能滿足試驗(yàn)要求，試驗(yàn)終止。分析整個(gè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)試驗(yàn)中摻加秸稈灰使混凝土質(zhì)量損失率顯著增加，但損失率與秸稈灰的添加量沒有明顯關(guān)系。這是由于混凝土凍融機(jī)理十分復(fù)雜,受多種因素影響，單一摻量因素并非是質(zhì)量損失率的主要影響因素。

圖3 不同摻量試件凍融循環(huán)質(zhì)量損失率

本次試驗(yàn)制取的混凝土具有多孔且孔隙較大的特點(diǎn)。在凍融循環(huán)25次時(shí)，具有較好的抗凍性，其原因是試件在凍結(jié)時(shí)由表面向內(nèi)逐漸凍結(jié)，尚未凍結(jié)的水向試件內(nèi)部較大的孔隙流動(dòng)，這起到了一定的保護(hù)作用。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，試件孔隙逐漸充滿水不再起保護(hù)作用。試件在凍融過程中產(chǎn)生裂縫，裂縫逐漸擴(kuò)大，直至混凝土從內(nèi)部破壞，如圖4所示。觀察圖4可知，混凝土內(nèi)部膠結(jié)處，在孔隙中膨脹力作用下失去了作用，最終出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

圖4 試件凍融破壞情況

3 結(jié) 論

經(jīng)過本次試驗(yàn)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗凍性的測(cè)量與分析，得出如下結(jié)論：

(1)本次試驗(yàn)采用新型方法制備生態(tài)多孔混凝土，混凝土有較好的強(qiáng)度和較大的孔隙。制備的混凝土較為致密，且不曾出現(xiàn)沉漿等不良現(xiàn)象。

(2)混凝土的抗壓強(qiáng)度與秸稈灰摻量呈負(fù)相關(guān)，摻量為5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度損失為1.3%，混凝土試件強(qiáng)度損失較小，可以滿足一般的工程需求。

(3)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)秸稈灰摻量與混凝土的抗凍性沒有明顯的關(guān)系，單一摻量因素對(duì)生態(tài)多孔混凝土質(zhì)量損失率的影響很小。

(4)生態(tài)多孔混凝土由于有較大孔隙，在凍融循環(huán)早期對(duì)混凝土起到一定的保護(hù)作用。在循環(huán)一定時(shí)間后，試件受膨脹力作用破壞了混凝土內(nèi)部膠結(jié)，使混凝土出現(xiàn)剝落斷裂。