过硫磷石膏矿渣水泥混凝土抗氯离子渗透性能的研究.pdf

全国中文核心期刊 杆 鲤 建魄 中 国 科 技 核 心 期 刊 边硫磷石青矿渣水泥混凝土 抗氯离子滢透II | E 的研究 郑俊杰 ， 黄赞 “ ， 水中和 ， 陈飞翔 ， 丁沙 ( 1 武汉理工大学 材料科学与工程学院 ， 湖北 武汉4 3 0 0 7 0 ； 2 武汉理工大学 硅酸盐建筑材料 国家重点实验室， 湖北 武汉4 3 0 0 7 0 ) 摘要 ： 以磷石膏为主要原料， 与矿渣、 钢渣等工业废渣和少量硅酸盐水泥熟料复合作为胶凝材料， 配制成过硫磷石膏矿渣水泥混凝土 ( E P S C C ) ， 对 比研 究了该混凝 土与矿渣 水泥、 普通硅酸盐水泥配制的混凝土的抗氯离子渗透 性能， 结合 MI P 、 S E M、 XR D对 其抗氯离子渗透性机 理进行 了分析 。 结 果表 明， E P S C C的氯离子扩散系数明显低于普通硅酸盐水泥混凝土 ( O P C C ) 和普通矿渣 水泥混凝土 ( P s C C ) ， 且该体系硬化浆 体的微观结构密实， 良 好的孔结构和水化产物对于氯离子的吸附和固化作用， 赋予过硫磷石膏矿渣水泥混凝土优异的抗氯离子渗透性能。 关键词 ： 混凝土； 水化产物； 微观结构； 孔结构； 固化吸附； 氯离子扩散系数 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编 号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 5 ) 1 0 0 0 2 9 0 5 Ch l o r i d e i o n p e r me a b i l i t y o f e x c e s s i v e - s u l f a t e p h o s p h o g y p s u m- s l a g - c e me n t t e r n a r y b l e n d e d c o n c r e t e Z H E N G J u n j i e ， HU AN G Y u n 1 , 2 S HU I Z h o n g h e ， C H E N F e i x i a n g ， D I NG S h a ( 1 S c h o o l o f Ma t e ria l s S c i e nc e a n d En g i n e e rin g ， Wu h a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， Wu h a n 4 3 0 0 7 0， Hu b e i ， C h i n a： 2S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f Si l i c a t e Ma t e rials ， Wu h a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o gy ， Wu h a n 43 0 0 7 0， Hu b e i ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n t h i s s t u d y ， e x c e s s i v e - s u l f a t e p h o s p h o g y p s u m- s l a g - c e me n t c o n c r e t e ( E P S C C ) Wa S p r e p a r e d w i t h a n e w t y p e o f t e r n a r y c e - me n t i t i o u s ma t e r i a l s ， i n wh i c h p h o s p h o gyp s u m， t h e ma i n r a w ma t e ria l ， wa s b l e n d e d wi t h s l a g o r s t e e l s l a g a nd s ma l l a mo u n t o f P o r t l a n d c e me n t c l i n k e r Th e c h l o rid e i o n p e r me a b i l i t y of EP S CC wa s s t ud i e d b y MI P， S EM an d XRD， c o mp a r i n g wi t h o r di n a r y P o rt l a n d c e me n t c o n c r e t e ( OPC C) a n d o r d i n a r y P o r t l a n d c e me n t s l a g c o n c r e t e( PS CC )Th e r e s ul t s s h o w t h a t t h e c h l o rid e d i f f u s i o n c o e ffic i e n t o f EP SC C wa s s i g nific a n t l y l o we r t h an t h a t o f OP CC o r P S CC， d u e t o t h e d e n s e r mi c r o s t r u c t u r e of h y d r a t i o n pr o d u c t s ， r e fin e d p o r e s t r u c t u r e a n d a b s o r p t i o n a n d i mmo b i l i z a t i o n of c h l o rid e i o n b y h y d r a t i o n p r o d u c t s i n EP S CC Ke y wor d s： c o n c r e t e， h y d r a t i o n p r o d u c t s ， mi c r o s t r u c t u r e ， p o r e s t ruc t u r e ， c u rin g a d s o rpt i o n， c h l o rid e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t 磷石膏是磷化工企业湿法生产磷酸的工业副产品，主要 成分是 C a S 0 4 2 H 2 0 ， 是化学工业中排放量最大的固体废弃物 之一， 目前我国的磷石膏资源化利用率约 2 0 ， 大量堆积的 磷石膏造成了严重的生态环境问题【1 _。加快磷石膏的资源综 合利用己迫在眉睫。黄赞四 将磷石膏与矿渣复合， 添加少量硅 酸盐水泥熟料作为碱性激发剂，开发出一种 2 8 d 强度可达 4 2 5 级的新型水硬性胶凝材料过硫磷石膏矿渣水泥。陈 飞翔和丁沙嘲 以过硫磷石膏矿渣水泥为胶凝材料配制成了相 当于C 4 0 等级的过硫磷石膏矿渣水泥混凝土( E P S C C ) ， 为磷 基金项 目： 国家“ 8 6 3 肇 技计划项 目( 2 0 1 2 AA 0 6 A1 1 2 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 4 0 6 ； 修订 日期 ： 2 0 1 5 0 5 2 6 作者简介 ： 郑俊杰 ， 男， 1 9 9 2年生 ， 浙江 金华人 ， 硕 士研 究生。地址 ： 武 汉市洪 山区珞狮路 1 2 2号 ， E ma i l ： 1 5 1 9 1 9 7 3 2 0 q q t o m。 石膏的资源化利用开拓出一个新途径。 混凝土中氯离子引起的钢筋腐蚀是钢筋混凝土结构中常 见的耐久性问题，因此抗氯离子的渗透性能是评价混凝土耐 久性的一个主要指标。 陆建鑫14 采用R C P T 、 R C M和N E L 评价 方法研究了E P S C C 、 P S C C和 O P C C的抗氯离子渗透性能， 结 果表明， 其抗氯离子渗透性能为E P S C C O P C C P S C C ， E P S C C 的浆体和骨料的界面过渡区比P S C C和 O P C C更加密实均 匀， 提高了混凝土对C l 一 的扩散阻碍性能。 吴中伟和廉慧珍15 的 研究表明， 水泥水化产物A F t 和水化铝酸钙等对C l 一 有较大的 固化吸附能力， 有利于降低在混凝土中游离C l 一 的量， 提高混 凝土的抗氯离子渗透性能。 而在 E P S C C中水化产物对抗氯离 子渗透能力影响的研究尚未看到有关报道。为了进一步探究 E P S C C该体系的抗氯离子渗透性能的机理，本文采用 N T B u i l d 4 4 3 法， 对比了过硫磷石膏矿渣水泥与2 种硅酸盐水泥 N E W BUl L DI NG M ATE R I AL S 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 郑俊杰， 等： 过硫磷石膏矿渣水泥混凝土抗氯离子渗透性能的研究 分别配制成的混凝土抗氯离子渗透性能， 利用X R D重点分析 了C l _ 在E P S C C该体系中的固化吸附作用， 并结合M I P 和S E M 等分析，探讨了过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的水化过程和水 化产物、 微观结构发展与抗氯离子渗透性之间的关系。 1 试验 1 1 原材料 深灰色粉状固体， 密度为2 3 3 0 k g m ， ， 勃氏比表面积为8 9 m Z k g 。 原状磷石膏含水率为1 2 1 5 ， 容易粘连成团。 矿渣和钢渣： 取自 武汉钢铁集团公司。 矿渣的质量系数为 1 7 2 ， 2 8 d 活性指数为 1 0 9 ； 钢渣的碱度为2 9 7 。 熟料： 取自 葛洲坝水泥厂。 普通矿渣水泥( P S 3 2 5 ) 、 普通硅酸盐水泥( P O 4 2 5 ) ： 来 自华新水泥有限公司。 磷石膏： 取自 湖北省黄麦岭磷化工集团， 外观为浅灰色或 各胶凝材料的化学成分见表 1 。 表 1 各胶凝材料的化学成分 外加剂： 聚羧酸高效减水剂， 固含量4 0 ， 减水率3 5 。 粗骨料： 碎石； 细骨料： 河砂。骨料的物理性能见表2 。 表 2 粗、 细骨料 的物理性能 含泥量表观密度松 散堆积 密 紧密堆积密 孔 隙率 压碎值 ， ( k g m3 ) 度 ( k g , m 3 ) 度 ( k m ) 1 2 试验方法 1 2 1 过硫磷石膏矿渣水泥及混凝土的制备 过硫磷石膏矿渣水泥混凝土( E P S C C ) 是以过硫磷石膏矿 渣水泥( 4 5 磷石膏、 4 9 矿渣、 2 钢渣和4 熟料) 为胶凝材 料， 碎石为粗集料， 河砂为细集料， 掺入聚羧酸高效减水剂制 成的混凝土。 首先将4 5 磷石膏、 1 矿渣、 2 钢渣充分混合后， 外加 0 6 5 倍的水， 与适量陶瓷球一同放置在湿磨机中搅拌， 粉磨成 浆体， 陈化2 4 h 得到改性磷石膏浆。通过湿法粉磨工艺制备 改性磷石膏浆， 可省去磷石膏的烘干环节， 同时还能加入少量 钢渣粉、 矿渣粉进行改性， 减少磷石膏中的残余酸和有机物对 水泥性能的影响。将改性磷石膏浆按设定比例加入剩余的 4 8 矿渣和4 熟料得到过硫磷石膏矿渣水泥， 再按设计配合 比加入砂、 石、 减水剂和水， 搅拌均匀后配制成混凝土， 由于改 性磷石膏浆含有水分，因此在混凝土拌合加水时要扣除其中 的水量。 普通硅酸盐水泥混凝土( O P C C ) 和矿渣水泥混凝土( P S C C ) 也按照设计的配合比参照G B T 5 0 0 8 0 - - 2 0 0 2 普通混凝土拌 3 0 新型建筑材料 2 0 1 5 1 0 合物性能试验方法标准 的规定制备。 1 2 2 抗氯离子渗透性能测试方法 抗氯离子渗透性能按照N T B u i l d 4 4 3 法进行测试。 将拌 合好的混凝土在 1 0 0 m m x l 0 0 m m x l 0 0 m m立方体标准试模 中成型， 脱模后试块在养护至2 8 d 龄期后浸泡于饱和氢氧化 钙溶液中， 直至表面干状态的试件质量不再变化。 将试块保留 1 个相对暴露面，剩余5 个侧面均用环氧树脂密封后在浓度 为2 8 2 m o l L的氯化钠溶液中浸泡 3 5 d ，取出烘干后切去覆 有环氧树脂的表面， 并使用混凝土粉磨打磨机由侧面( 侵蚀暴 露面) 向内逐层打磨， 得到不同渗透距离的粉末， 再使用 8 4 8 T i t r i n o p l u s 全自动电位滴定仪分析其氯离子含量， 从而得到 氯离子浓度和扩散距离的关系。根据混凝土内部逐层的氯离 子浓度、 氯离子的扩散距离和扩散时间， 由菲克定律计算混凝 土中的氯离子扩散系数。氯离子扩散系数的计算公式见式 ( 1 ) 、 式( 2 ) ： C (x C s一 (C s- C I) e ft ( ) ) e 彻= d u 式中： C ， ) 暴露时间t 、 暴露面以下的深度 处实测的 氯化物浓度， m o l g ； C 厂暴露表面上的氯化物浓度， m o l g ； C 切片测得的初始氯化物浓度， m o l g ； 有效氯离子扩散系数， m 2 s 。 1 2 _3 混凝土的坍落度和强度 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 郑俊杰， 等： 过硫磷石膏矿渣水泥混凝土抗氯离子渗透性能的研究 按照G B T 5 0 0 8 0 - - 2 0 0 2 普通混凝土拌合物 It,土q - z月 bb 试验方 法 测试混凝土的坍落度， 并在 1 0 0 m m x l 0 0 m m x l 0 0 m m标 准试模中成型， 脱模后在标准养护条件下养护至2 8 d 龄期进 行力学性能测试。 1 2 4 X R D、 S E M和 MI P测试 将试块破碎后立即取中间碎块磨细浸泡在无水乙醇中脱 水并进行微观测试。 X R D分析仪器为日 本R I G A K U的D m a x R B型X射线衍射仪， 扫描速度 1 0 ：E m i n ， 步长0 0 2 ， 电流3 0 m A ， 电压3 5 k V 。S E M分析所用仪器为J S M一 5 6 1 0 L V扫描电 子显微镜， 分辨率3 n m ， 加速电压3 0 k V ， 工作距离6 m m ， 放 大倍数 1 8 3 0 0 0 0 0 倍( 连续、 可调) ， 加速电压0 5 3 0 k V 。 M I P 分析采用美国9 2 0 0 型自动汞压仪( M I C R O M E R I T I C S A U T O P O R E 9 2 0 0 ) 。 2 结果与分析 2 1 混凝土的坍落度及其物理性能 过硫磷石膏矿渣水泥混凝土( E P S C C ) 、 矿渣水泥混凝土 ( p s c c ) 和普通硅酸盐水泥混凝土( O P C C ) 的配合比及坍落 度、 抗压强度测试结果见表3 。 表 3 混凝土的配合比及坍落度、 抗压强度测试结果 由表3 可以看出， E P S C C的2 8 d 抗压强度达到了C 4 0 强 度等级。 相同胶材用量和水灰比条件下， 水化至3 d时， E P S C C 的抗压强度最低， O P C C强度最高， P S C C强度居中； 达到2 8 d 龄期时， O P C C的强度最高， E P S C C的强度其次， 而P S C C的强 度最低。 由此可见， E P S C C的水化速度慢， 早期强度低， 但是随 着水化龄期的延长和水化的发展， 其强度发展速度不断提高。 2 2 氯离子扩散系数和氯离子分布曲线 不同混凝土的氯离子分布曲 线如图1 所示。 图 1 氯 盐环境下 混凝 土内部氯离子分布 曲线 从图1 可以看出， 3 种混凝土中氯离子的浓度都随着渗 透深度而下降， 而渗透距离超过4 m m后， 过硫磷石膏矿渣水 泥混凝土的氯离子浓度最低。 根据氯盐环境下混凝土内部氯离子分布曲线， 通过式( 1 ) 、 式( 2 ) 计算得到E P s C C 、 O P C C 、 P S C C的氯离子扩散系数分别 为3 0 9 8 1 0 - l z , 4 2 2 0 x 1 0 - 1 2 , 6 3 1 2 x 1 0 m 2 s ， E P S C C的氯离子 扩散系数最低。虽然E P S C C的强度低于O P C C ， 但其氯离子 扩散系数却最小， 氯离子在E P S C C中扩散速度低于O P C C 。 2 3 MI P分析 3 种混凝土在养护2 8 d 后，用压汞仪分析混凝土内部的 孔隙率及孔径分布， 孔结构分析结果如图2 所示。 、 、 删 划 图 2 3种混凝土的孔结构分析 由图2 ( a ) 可见， E P S C C与P S C C的累计进汞量大致相同， 且比O P C C高，这说明O P C C的孔隙率比E P S C C 和P S C C更 小； 同时参照图2 ( b ) 可知， E P S C C的最可几孔径在 1 0 n m以 下， 这部分孔属于凝胶孔， 而P S C C和O P C C的最可几孔径在 2 0 5 0 n m ， 属于过渡孔的范畴。由此可见， E P S C C比P S C C和 N E W BUI L DI NG MAT E RI AL S 31 o 加 掩 M 挖 8 6 4 一 嚣 目 e 。 一 蠖 褪 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m