刚性填埋场中混凝土耐化学介质及变形防渗性能研究.pdf

年 月云南化工 第 卷第 期 ，：刚性填埋场中混凝土耐化学介质及变形防渗性能研究谭文超，闫亚楠，杨金娣（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 ）摘要：刚性填埋场建设根据所处的地理位置、气候条件和使用特点，通常选择高性能混凝土。通过采用高掺粉煤灰、双掺粉煤灰和硅粉等方案进行 高性能混凝土配合比试验，对混凝土的耐化学介质、自生体积变形及防渗性能进行试验，并对结果进行对比分析。室内试验结果表明，综合考虑工程建设周期、填埋场渗漏问题、防介质腐蚀等因素，建议优先采用单掺 粉煤灰混凝土配合比进行施工。关键词：刚性填埋场；混凝土；耐化学介质；自生体积变形；防渗性能中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；随着混凝土应用范围的扩大，对其性能要求也不断提高 。掺合料粉煤灰可有效改善水泥基材料的微观结构，提高混凝土胶凝材料之间、胶凝材料与集料之间的密实性与黏聚性，不仅可有效提高混凝土力学性能和早期抗裂性能 ，且能改善混凝土热工性能。在酸碱盐介质共同存在的情况下对刚性填埋场的安全构成了很大的威胁 。在混凝土中掺入粉煤灰能够增强混凝土的防渗性能 。本文主要研究刚性填埋场中耐化学介质影响、自生体积变形及抗渗性能，从而确定最佳粉煤灰用量。配合比试验 原材料试验材料由水泥、粉煤灰、砂石骨料、外加剂、拌合用水等，其中水泥选用 普通硅酸盐水泥，主要化学成分见表 ，粉煤灰采用 级粉煤灰主要性能指标见表 ，砂石骨料的物理性能试验结果见表 。表 水泥的化学成份（）水泥品种 碱含量氯离子 要求 备注：碱含量 表 粉煤灰的品质试验结果粉煤灰细度（）需水量比 烧失量 含水量 抗压强度比 比重检测结果 级灰 级灰要求 级灰要求 年 月云南化工 第 卷第 期 ，表 砂石骨料的物理性能试验结果试验项目人工砂（）小石（）中石（）试验项目人工砂（）小石（）中石（）细度模数 坚固性 石粉含量 针片状 饱和面干密度（）超径 饱和面干吸水率 逊径 堆积密度（）泥块含量 无无无堆积空隙率 压碎指标 紧密堆积密度（）硫酸盐及硫化物含量 紧密空隙率 混凝土配合比及力学性能本课题混凝土配合比设计采用的是 二级配泵送混凝土，根据混凝土配合比基本参数的确定和水灰比强度曲线，选择具体的用水量具体的研究内容为：在水胶比为 条件下，、和 以及 粉煤灰 硅粉这几种方式，研究混凝土的性能随着掺合料种类、粉煤灰掺量、龄期等影响因素的发展。混凝土的配合比见表，抗压强度试验结果对比见图。表 混凝土配合比试验结果配合比编号水胶比 砂率 粉煤灰（）硅粉（）掺量材料用量（）水水泥粉煤灰硅粉砂石外加剂 坍落度 含气量 ：图 基准及单掺 、粉煤灰 硅粉混凝土抗压强度试验结果对比图表 表 及图 的混凝土配合比及力学性能试验结果表明：）在采用相同单位用水量的条件下，出机混凝土的状况均满足施工性能。）掺用粉煤灰和硅粉后能较好的发挥细颗粒填充作用，出机混凝土无离析，不泌水，和易性及粘聚力均较好。）采用不同掺量的粉煤灰后，混凝土力学性能均随着试验龄期的增长而增大，且粉煤灰掺量越大，后期强度值与基准混凝土的差距越来越小，充分体现了粉煤灰的水化活性。）在混凝土中掺加硅粉，能迅速在水泥水化作用产生的 （）的碱环境中发生火山灰反应，生成大量 凝胶，使水泥浆与骨料界面过渡区改善，并使孔结构细化引起强度增加，所以 粉煤灰混凝土中加入 硅粉后，早期强度明显高于单掺 粉煤灰混凝土，但随着龄期的增长，强度增长趋势变慢，以后优势不明显。混凝土耐化学介质性能 酸碱盐溶液对混凝土抗压强度的影响在刚性填埋场中，混凝土要抵抗危废渗出的酸 年 月云南化工 第 卷第 期 ，性、碱性、盐类化学介质对其的侵害。本研究依据 环氧树脂防水涂料 中“耐化学介质”相关规定。其中溶液配置为：）酸性溶液：在（）时，配制 化学纯硫 酸（）溶 液，经 酸 度 计 测 试 的 值为 ；）碱性溶液：在（）时，在 化学纯氢氧化钠（）溶液中，加入 （）试剂，达到过饱和状态，经酸度计测试的 值为 ；）盐溶液：化学纯氯化钠（）溶液，经酸度计测试的 值为 。本次选择 粉煤灰掺量的配合比成型，选择浸泡酸碱盐溶液养护和标准条件养护两种情况，对抗压强度进行了对比，试验结果见表 及图 。表 浸泡试验力学性能结果配合比编号粉煤灰掺量抗压强度 浸泡后抗压强度衰减率 标养 备注 标准养护 溶液 溶液 溶液说明：“”表示标准养护 后，继续在溶液中养护，实际龄期为 ；强度衰减率均为与同龄期的标准养护试件抗压强度比。图 酸碱盐溶液对混凝土抗压强度影响观察浸泡酸碱盐溶液后的混凝土抗压强度试件，表面均未发现开裂、起皮、剥落现象。从试验结果可知：浸泡酸碱盐溶液后，混凝土的抗压强度均低于标准养护的试件，三种溶液中衰减速度排序为：酸性溶液 碱性溶液 盐溶液，分析原因为：酸类腐蚀：混凝土体现本身呈碱性，在酸性环境下容易受到侵蚀并导致性能的逐渐劣化，具体表现为水化产物中的 （）发生酸性溶解，孔隙率增加，导致强度会持续下降。强碱腐蚀：水泥熟料中的铝酸盐（）遇到强碱（、）会发生反应生成铝酸钠溶于水，其与空气中的 反应生成碳酸钠，在混凝土毛细管中结晶膨胀，可能引起混凝土疏松、开裂。盐类腐蚀：硫酸盐类腐蚀较为严重，本次试验采用的是 ，故该溶液浸泡后混凝土的强度降低较少。不同酸性溶液对混凝土抗压强度的影响使用分析纯硝酸和硫酸钠共配置 种酸性溶液，用硫酸钠控制硫酸根离子的浓度，硝酸来调节 的大小，具体见表 。针对不同 值，不同硫酸根离子浓度的酸性溶液，研究 粉煤灰混凝土经过标准养护室养护 后在受到侵蚀后的抗压强度变化试验结果见表 及图 。表 酸性溶液配制情况序号 值大小硫酸根离子浓度 表 酸性介质腐蚀后混凝土抗压强度试验结果序号酸性介质条件抗压强度 标养 （浸泡 ）备注 ，基材混凝土采用 粉煤灰掺量 年 月云南化工 第 卷第 期 ，图 不同酸性溶液对混凝土抗压强度的影响由试验结果可知：）混凝土试件经 种酸性溶液腐蚀后，早期的抗压强度均大幅度降低，其中随着 值的变大，试件强度降低幅度变小。）龄期后，除 号溶液浸泡的试件持续下降外，其余四种环境下的强度有一定程度的增加，原因分析：这四种溶液中都含有 ，与水泥石中的 （）发生反应，生成石膏 ，进而生成水化硫铝酸钙（钙矾石、），可能是硫酸盐生成物的逐渐形成，增加了混凝土密实度，所以使得强度增加；但是 号溶液中没有硫酸根离子，也就没有硫酸盐产物形成，在侵蚀过程中没有固体产物来填充混凝土孔隙，是单纯地经受酸腐蚀，混凝土结构中的孔隙率增加，所以强度持续下降 。）本次采用 粉煤灰掺量的混凝土经不同酸性环境测试后，虽抗压强度值均有不同程度的降低，但未出现混凝土表层掉块等结构失稳现象，说明该配合比条件下的混凝土在一定程度上能抵挡酸性环境腐蚀。混凝土变形防渗性能 混凝土自生体积变形性能试验严格按照有关规定进行，自生体积变形试模为密封的试件桶，用铁皮桶加工而成，其尺寸为 、高度为 ，试验前在密封桶内壁衬一层厚约 的橡皮板来隔离混凝土，成型时将事先率定好的差动式电阻应变计垂直固定在试件桶中心，混凝土拌和物中粒径超过 的骨料需用湿筛法剔除，成型试件前后，量测应变计的电阻及电阻比，混凝土拌和物分三层装入密封桶内，并振密实；试件成型后将密封桶的盖板紧贴试件端部盖好，周边及应变计电缆出口处采用石蜡密封，并量测应变计的电阻及电阻比，将试件放置在 的恒温水箱，按成型后 、，各量测应变计电阻及电阻比 次，以后每天量测 次至两周，然后每周量测 次，半年之后每月量测 次。测量采用水工比例电桥测量应变计的电阻及电阻比，一般以成型后 应变计的测值为基准值。混凝土的自生体积变形试验结果见表 ，曲线见图 。表 混凝土自生体积变形试验结果（）配合比编号 备注 基准 粉煤灰 粉煤灰图 混凝土自生体积变形曲线表 及图 自生体积变形试验表明：）基准水泥混凝土和粉煤灰混凝土的自生体积变形均呈现收缩的趋势。）混凝土的收缩均随着粉煤灰掺量的增加而降低。）基准混凝土和粉煤灰混凝土的自生体积变形，均在 以后趋于稳定。混凝土的防渗性能混凝土的抗渗性，是指混凝土抵抗压力水渗透的能力。混凝土渗水的原因，是由于内部的孔隙形成连通的渗水通道，这些孔道除产生于施工振捣不密实及裂缝外，主要是来源于水泥浆中多余水分蒸发而留下的毛细孔、水泥浆泌水所形成的孔道及骨料下部界面聚积的水隙。抗渗性差的混凝土，水分容易渗入内部，这样，若有冰冻作用或环境水中含有侵蚀性物质时，混凝土容易受到冰冻或侵蚀渗透破坏。如果混凝土的水胶比较小，混凝土密实性好，混凝土的孔隙就较少，可提高混凝土的抗渗能力。）抗渗性能试验方法按照规范规定用逐级加压法进行试验，六个试件为一组，试验龄期为 ；试验时，水压从 开始，以后每隔 增加 水压，并随时注意观察试件端面情况，当每组六个试件有三个试件表面 年 月云南化工 第 卷第 期 ，出现渗水时，或加至规定压力（设计抗渗等级）在 内六个试件中表面渗水试件少于三个时，即可停止试验，并记下此时的水压力。结果处理：六个试件中四个未出现渗水时的最大水压力表示，卸下抗渗试件，劈开测量渗水高度，试验结果取六个试件劈裂后渗水高度的平均值为代表值。）抗渗试验结果不同组合的石粉混凝土抗渗试验结果见表 。相对渗透系数参照以下公式计算：式中：为相对渗透系数，；为试件的平均渗水高度，；为水压力，以水柱高度表示，；水压力以水柱高度表示为 ；为恒压时间，；为混凝土的吸水率，可取 。本次混凝土渗透试验采用的是逐级加压法，每级恒压时间为 。表 混凝土抗渗试验结果配合比编号水压力（）平均渗水高度 （）抗渗等级相对渗透系数 （）试验龄期备注 基准 粉煤灰 粉煤灰表 中混凝土抗渗试验结果表明：基准混凝土、掺用粉煤灰混凝土均能满足 渗水压力 的要求；渗水高度随着粉煤灰掺量的增加而降低，说明粉煤灰的微集料效应使混凝土内部填充更为密实，减少了渗水通道，提高了抗渗能力。小结）从混凝土的和易性及施工性能上来看，粉煤灰混凝土、粉煤灰与 硅粉双掺混凝土出机无离析，不泌水，和易性及粘聚力均较好。）从混凝土的力学性能来看，粉煤灰掺量越高的混凝土，短龄期时强度较基准混凝土消减较快，但是 及以后强度增幅较大，基本与基准混凝土持平；粉煤灰与硅粉双掺混凝土强度略优于 粉煤灰混凝土，但是 以后两者相当。）粉煤灰混凝土在浸泡酸碱盐溶液后，各龄期混凝土抗压强度试件表面均未发现开裂、起皮、剥落现象，目测未出现结构失稳的情况。）从混凝土自生体积变形性能来看，掺用粉煤灰后，混凝土的各项性能均有所改善，特别是随着粉煤灰掺量的增加而性能更优。）粉煤灰混凝土的渗水高度明显优于基准混凝土及 粉煤灰混凝土；粉煤灰混凝土水化龄期越长，生成凝胶的 逐渐降低，水化产物 聚合度提高，提升抗渗性能、抗冻性能等。针对刚性填埋场混凝土重点关注的渗透问题，优先推荐 粉煤灰掺量的方案进行混凝土自身防渗。）通过室内试验结果，综合考虑工程建设周期、填埋场渗漏问题、防介质腐蚀等因素，建议优先采用单掺 粉煤灰混凝土配合比进行施工，有特殊需求部位可选择粉煤灰与硅粉（或其它矿物掺和料）双掺。参考文献：黄士元 高性能混凝土发展的回顾与思考 混凝土，（）：郑大轩，李洁文，郭文彪 粉煤灰品质及掺量对混凝土性能影响试验研究 当代化工，（）：刘杰 粉煤灰掺量对混凝土抗冻性能的试验研究 工程建设，（）：韩国锋，王雪妮 一种高性能混凝土矿物掺合料制备研究 当代化工，（）：程云虹，黄菲，徐龙硕，等 陶泥对混凝土抗冻性能影响 哈尔滨工业大学学报，（）：白庭河，贾国静，徐文豪，等 酸碱综合腐蚀条件下混凝土的防护研究 辽宁化工，（）：杨凯 粉煤灰在高碱地区混凝土施工中的应用 工程建设，（）：收稿日期：基金项目：贵州省科技计划项目（黔科合支撑 号），中国电力建设股份有限公司科技项目（）。作者简介：谭文超（），男，贵州贵阳人，本科，副高，主要研究方向为环境污染与治理。