不同降堿方式對生態(tài)混凝土性能的影響研究

蘇新文

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

公路運輸作為交通體系中不可或缺的重要部分，在近年來發(fā)展迅速?；炷敛牧媳粡V泛應(yīng)用于公路建設(shè)中，其在滿足公路建設(shè)的同時也給公路蒙上了一抹“灰色”，不僅不美觀也不利于綠色公路理念的推廣。隨著社會對環(huán)保的重視，公路建設(shè)領(lǐng)域開發(fā)出一種既滿足混凝土性能要求又滿足綠色理念的生態(tài)混凝土。生態(tài)混凝土是一種只由粗骨料、膠結(jié)材料和外加劑等組成，依靠膠結(jié)材料的膠結(jié)作用，與粗骨料共同作用而形成整體，并具有生態(tài)效果的新型環(huán)保產(chǎn)品[1]。

由于低堿度對生態(tài)混凝土的植生環(huán)境有利，而高堿性是水泥水化和硬化過程的必然結(jié)果，所以生態(tài)混凝土的降堿處理，一直以來都是學(xué)者們的研究熱點[2-3]。通常情況下，生態(tài)混凝土的降堿方式有物理方式、化學(xué)方式和其他方式：物理方式是從源頭出發(fā)，降低堿性物質(zhì)的析出；化學(xué)方式是以酸堿中和為原理，采用化學(xué)試劑中和孔隙中的堿性物質(zhì)；其他方式包含外摻料、農(nóng)藝法和土壤整治等。由于生態(tài)混凝土制備所需原材料、配合比和控制參數(shù)等各異，行業(yè)內(nèi)尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的降堿方式，不利于生態(tài)混凝土在護坡工程中的應(yīng)用。因此，本文在充分調(diào)研生態(tài)混凝土各類降堿方式的基礎(chǔ)上，分別采用物理、化學(xué)和外摻三種降堿方式，對生態(tài)混凝土開展降堿處理及性能測試，通過綜合分析不同降堿方式下生態(tài)混凝土性能變化，為工程技術(shù)人員優(yōu)選降堿方式提供依據(jù)。

1 降堿試驗

1.1 降堿概述

總體來說，生態(tài)混凝土屬于混凝土材料，而混凝土材料pH值偏高的原因主要可以歸結(jié)為水泥拌和后，礦物與水產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生氫氧化鈣，一部分氫氧化鈣在混凝土空隙中堆積，且氫氧化鈣中堿性的(OH)-2離子在綠植生存環(huán)境中致使pH值偏高，從而不利于栽培于生態(tài)混凝土中的植物生長。在降低生態(tài)混凝土堿度的同時，首要遵循的條件是保證混凝土強度滿足工程需求，如若降堿處理后混凝土的強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于降堿前的強度，則失去了混凝土穩(wěn)定邊坡、保證耐久性的作用。降堿方式的選擇還應(yīng)切實考慮經(jīng)濟效益和可操作性，在滿足需要的同時盡量選取現(xiàn)場操作容易的方式。本試驗分別采用物理方式、化學(xué)方式和摻料方式開展混凝土降堿處理。

項目背景為廣西融水至河池高速公路邊坡防護工程，該工程擬應(yīng)用低堿度生態(tài)混凝土作為邊坡防護材料。為了對邊坡防護工程所用生態(tài)混凝土降堿方式提供優(yōu)選參考，本試驗采用3種不同方式對生態(tài)混凝土進(jìn)行降堿處理，處理時以不同劑量對比降堿效果，選取各自最佳的降堿方案，隨后測試在最佳降堿方案下各對應(yīng)塊的抗壓強度，以研究不同降堿方式的效果。

1.2 試驗原材料

生態(tài)混凝土試驗所需水泥為P·O 52.5硅酸鹽水泥，各項組成參數(shù)滿足規(guī)范要求，如表1所示。由于生態(tài)混凝土基體屬大孔隙混凝土，所以粗骨料粒徑范圍在10～20 mm，具體性能指標(biāo)如表2所示，其各項參數(shù)符合規(guī)范要求。為達(dá)到更好的試驗效果，減水劑參考前人研究[4]，采用聚羧酸減水劑，減水率為25%。由于降堿工作控制參數(shù)精密，故經(jīng)過篩選和材料測試，生態(tài)混凝土降堿試驗原材料分為液體硅烷透明試劑、白色固體檸檬酸粉末和粉煤灰。

表1 水泥原材料主要化學(xué)成分表

表2 粗骨料性能指標(biāo)表

1.3 試件制備與測試

基于現(xiàn)場試驗經(jīng)驗，水灰比取0.32，減水劑用量為0.71，考慮生態(tài)混凝土需要將膠凝材料均勻包裹于骨料中，本試驗試件的制備流程為：將水泥充分?jǐn)嚢?0 s→緩慢加入水、外加劑→攪拌90 s→加入骨料→攪拌90 s→分層入?！鷵v插15～20次→振動5 s→養(yǎng)護1 d→觀察未分層、未沉底→脫?！鷺?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(20 ℃±2 ℃，95%濕度)養(yǎng)護28 d。期間所有操作流程嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)。

降堿處理時，第一組試驗將28 d試件分別噴灑標(biāo)準(zhǔn)硅烷試劑1次、2次、3次、4次和5次；第二組試驗將試件分別封閉、泡制于檸檬酸粉末加水配置的濃度為1%、2%、3%、4%和5%的液體中；第三組試驗將粉煤灰以5%、10%、15%、20%、25%代替水泥制備試件。具體方案如表3所示。隨后將3組試件分別用萬能材料試驗機和pH測定儀測定抗壓強度和孔隙pH值，優(yōu)選處于同一種降堿方式的最佳降堿方案，將3種降堿方式的最佳方案進(jìn)行對比，分析不同降堿方式對生態(tài)混凝土的影響規(guī)律。其中，X0組為不采用任何降堿方式處理，其試件抗壓強度為13.65 MPa，孔隙的pH值為12.15。

2 降堿結(jié)果分析與討論

2.1 硅烷試劑的影響

由于物理降堿方式處理后較長天數(shù)中，試塊pH值不會隨時間改變，所以本測試統(tǒng)一在生態(tài)混凝土試塊28 d養(yǎng)護完成后，采用硅烷試劑分別噴灑1～5次，之后將各組混凝土試塊進(jìn)行抗壓強度測試和孔隙pH值測定，結(jié)果如圖1所示。從孔隙pH值測定結(jié)果可以看出：噴灑1～5次后，生態(tài)混凝土孔隙pH值顯著降低，這可以說明硅烷試劑對生態(tài)混凝土的降堿有效；隨著噴灑次數(shù)的增加，孔隙pH值有降低趨勢；與未噴灑時的pH值12.15相比，噴灑次數(shù)為1～5次時，pH值分別為8.1、7.6、7.2、7.4和7.3，pH值穩(wěn)定在7～8，且在3次噴灑后逐漸趨于穩(wěn)定，這說明噴灑3次后，孔隙已經(jīng)被硅烷試劑所產(chǎn)生的薄膜封閉，增加噴灑次數(shù)對孔隙pH值沒有實質(zhì)影響。從抗壓強度測定結(jié)果可以看出：硅烷試劑的噴灑對生態(tài)混凝土抗壓強度有所增強，隨著噴灑次數(shù)的增加，抗壓強度整體呈現(xiàn)先升高后趨于平穩(wěn)的趨勢：噴灑次數(shù)為1次時抗壓強度為14.3 MPa，噴灑次數(shù)為2次時抗壓強度為15.5 MPa，噴灑次數(shù)為3次時抗壓強度為15.4 MPa，噴灑次數(shù)為4次時抗壓強度為15.7 MPa，噴灑次數(shù)為5次時抗壓強度為15.4 MPa；最大強度出現(xiàn)在噴灑次數(shù)為4次時，這說明噴灑4次是最佳的。綜合對比pH值和抗壓強度數(shù)據(jù)，可以看出噴灑次數(shù)在4次時，抗壓強度和pH值最佳。

表3 三種降堿方式的試驗方案表

圖1 硅烷試劑不同噴灑次數(shù)下的試驗結(jié)果曲線圖

2.2 檸檬酸的影響

檸檬酸溶液降堿方式屬于化學(xué)降堿方式，其可以中和生態(tài)混凝土孔隙中的(OH)-2基團，起到降堿作用。分別以1%、2%、3%、4%和5%濃度的檸檬酸處理生態(tài)混凝土試件，其孔隙pH值和抗壓強度測定結(jié)果如圖2所示。從孔隙pH值測定結(jié)果可以看出：檸檬酸溶液可以有效降堿，但隨著檸檬酸溶液濃度的增加，pH值從1%時的9.4逐漸升高至5%時的10.9，說明濃度的增加對降堿效果起副作用，1%時的pH值是最佳的。而通過抗壓強度測定結(jié)果的曲線可以看出：檸檬酸溶液對抗壓強度有降低的作用，隨著檸檬酸濃度的增加，抗壓強度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，但抗壓強度始終低于0%濃度的抗壓強度13.65 MPa，其抗壓強度最大值出現(xiàn)在5%濃度的12.1 MPa和1%濃度的11.4 MPa。這是由于檸檬酸浸泡后，水化物的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性被破壞，導(dǎo)致抗壓強度降低。綜合比較孔隙pH值和抗壓強度結(jié)果，說明1%濃度的檸檬酸降堿效果和抗壓強度最佳。

圖2 不同濃度檸檬酸浸泡后的試驗結(jié)果曲線圖

2.3 粉煤灰的影響

粉煤灰是廣泛應(yīng)用于混凝土制備中的一種礦物材料，可有效改善生態(tài)混凝土的工作性能和力學(xué)性能，當(dāng)用其替代水泥外摻于生態(tài)混凝土后，其pH值和抗壓強度結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，粉煤灰的摻入可以明顯改善生態(tài)混凝土的pH值，且隨著粉煤灰摻量的增加，生態(tài)混凝土孔隙pH值也逐漸降低，達(dá)到了降堿效果；當(dāng)摻量為5%時，孔隙pH值從0%的12.15降低至11.5，持續(xù)增大粉煤灰摻量到25%時，生態(tài)混凝土孔隙pH值降低至9.9，降低了18.5%。這是由于粉煤灰摻量提高的同時，水泥用量也逐漸降低，減少了水泥水化析出的堿性物質(zhì)，從而使pH值降低。而摻入粉煤灰對生態(tài)混凝土抗壓強度有明顯提升，隨著粉煤灰摻量的增長，生態(tài)混凝土抗壓強度也逐漸升高，在粉煤灰摻量達(dá)到20%以后，抗壓強度的升高趨于穩(wěn)定：在20%摻量時達(dá)到15.69 MPa，25%時達(dá)到15.62 MPa，變化不大。由于粉煤灰的摻量可以有效降低生態(tài)混凝土水泥用量，所以綜合考慮pH值和抗壓強度數(shù)值，降堿效果最佳且抗壓強度提升明顯的最佳粉煤灰摻量為25%。

圖3 添加不同摻量粉煤灰的試驗結(jié)果圖

2.4 不同降堿效果對比

根據(jù)3種不同降堿方式的測試結(jié)果，取A4、B1和C5為最佳降堿方案，即硅烷試劑噴灑4次、檸檬酸濃度為1%和粉煤灰摻量25%的降堿方案，開展不同降堿效果的對比。以抗壓強度為縱軸、pH值為橫軸，將3種最佳降堿方案的測試結(jié)果以橫縱坐標(biāo)的形式標(biāo)注在同一圖形中。由于規(guī)范規(guī)定生態(tài)混凝土降堿效果以pH值<10為宜，故以橫坐標(biāo)pH值為10繪制一條“pH值達(dá)標(biāo)線”，該線左側(cè)說明pH值滿足工程需求。同時，縱坐標(biāo)以未經(jīng)降堿處理的X0組抗壓強度值13.65 MPa繪制一條“抗壓強度基準(zhǔn)線”，若方案位于“抗壓強度基準(zhǔn)線”下方則視為抗壓強度降低，位于上方則視為抗壓強度提升，如后頁圖4所示。由圖4可以看出，A4、B1、C5這3種方案均滿足孔隙pH值要求，其中A4和C5方案在滿足pH值要求的同時，抗壓強度遠(yuǎn)高于降堿處理前，所以在抗壓強度方面，A4和C5兩組方案比B1方案效果更好；但A4和C5方案雖均滿足pH值標(biāo)準(zhǔn)，但A4方案距離pH值達(dá)標(biāo)線更遠(yuǎn)，降堿效果更佳。通過綜合對比，A4方案在降堿效果和抗壓強度表現(xiàn)上更為突出，但C5由于粉煤灰可以在一定程度上降低水泥用量，且降堿過程不增加生態(tài)混凝土的制備工序，經(jīng)濟效益方面更加突出。

圖4 不同降堿方式的效果對比結(jié)果圖

3 結(jié)語

為研究物理方式、化學(xué)方式和外摻方式對生態(tài)混凝土的降堿效果，采用噴灑硅烷試劑1～5次、置于檸檬酸濃度1%～5%溶液中、摻入粉煤灰5%～25%等方案，測試其孔隙pH值和試件抗壓強度，提出適用于工程領(lǐng)域的最佳降堿方案，結(jié)果表明：

(1)噴灑硅烷試劑降堿時，隨著噴灑次數(shù)的增加，孔隙 pH值有降低趨勢，抗壓強度整體呈現(xiàn)先升高后趨于平穩(wěn)的趨勢，噴灑次數(shù)在4次時，抗壓強度和pH值最佳。

(2)采用檸檬酸溶液降堿時，隨著檸檬酸溶液濃度的增加，降堿效果逐漸變差，抗壓強度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，1%濃度的檸檬酸降堿效果和抗壓強度最佳。

(3)采用外摻粉煤灰降堿時，隨著粉煤灰摻量的增加，降堿效果逐漸明顯，且抗壓強度有明顯提升，降堿效果最佳且抗壓強度明顯提升的最佳粉煤灰摻量為25%。

(4)綜合對比3種降堿方式的最佳方案，采用硅烷試劑噴灑4次的方案在降堿效果和抗壓強度表現(xiàn)上更為突出，而采用粉煤灰25%摻量時在經(jīng)濟效益方面表現(xiàn)突出。