铁尾砂泡沫混凝土抗冻融性能及可靠性分析

朱利平,杜晓丽,邹天民

(安徽理工大学土木建筑学院,淮南 232001)

0 引 言

泡沫混凝土具有保温隔热性好、抗震性好、轻质高强、易加工、施工方便等优点[1-2],广泛应用于路堤填筑、隧道空隙填充、寒冷地区道路隔热层、挡土墙、建筑外墙、基坑回填等工程[3-5]。

目前,工业副产品被认为是开发生态友好和可持续的混凝土可行材料。许多国内外学者通过掺入工业废弃物(例如废弃贝壳[6]、高炉矿渣[7]、棕榈油灰[8]、甘蔗渣灰[9]等)提高泡沫混凝土的性能,取得了较好的效果。

铁尾砂作为工业副产品,长期堆放不仅会占用土地,还会造成环境污染[10-12],提高尾矿综合利用率特别是解决细粒铁矿尾矿处理和天然砂短缺的问题迫在眉睫。Hou等[13]和Zhao 等[14]研究表明天然砂和铁尾砂配制的混合砂可用于混凝土制备,在一定程度上能提升混凝土的性能。张玉琢等[15]研究表明,混凝土掺入铁尾砂后的抗渗性增强,抗弯强度虽然略低于普通混凝土,但仍达到了抗弯设计标准值。赵苏等[16]研究表明,随着铁尾砂掺量的增加,泡沫混凝土收缩率呈先增加后减小的趋势。王建辉等[17]研究表明,混凝土掺铁尾砂后,在硫酸盐干湿循环下的质量损失显著减少,抗压耐腐蚀系数明显增大。Zhu等[18]研究表明,以铁尾砂为细骨料,不同再生集料置换率配制的混凝土均表现出良好的力学性能。因此,铁尾砂泡沫混凝土有巨大的发展前景。

在我国西北地区,冬季持续时间长,气温低,昼夜温差大,泡沫混凝土要反复经历冻融循环作用。此外,盐渍土在西北地区分布广泛,其土壤含盐量较高,泡沫混凝土极易受到盐腐蚀、冻融循环双因素耦合影响,发生性能衰退和破坏[19-20]。

为此,本文制备了5组目标密度为900 kg/m3的不同铁尾砂掺量泡沫混凝土,对各组泡沫混凝土在硫酸盐环境下进行冻融循环试验,测试不同铁尾砂掺量的泡沫混凝土在不同冻融循环次数下的质量损失、强度损失及孔隙面积率变化,分析冻融循环结束后泡沫混凝土试件内部微观结构损伤。此外,以试件在一定试验周期内的质量损失和强度损失作为衡量指标,评选最优配合比,建立基于Wiener随机过程的可靠度函数,以此反映铁尾砂泡沫混凝土的可靠度与硫酸盐冻融循环损伤的关系,并预测试件剩余寿命。

1 实 验

1.1 材 料

水泥采用淮南八公山牌P·O 42.5级普通硅酸盐水泥,其成分及物理性质见表1。粉煤灰(fly ash, FA)采用淮南某发电厂Ⅰ级粉煤灰,其成分及物理性质见表1。天然砂采用淮河中砂,其物理性质见表2。铁尾砂采用淮南某铁矿生产的铁尾砂,其成分见表1,物理性质见表2,X射线衍射(XRD)谱见图1。

图1 铁尾砂的XRD谱Fig.1 XRD pattern of iron tailings sand

表1 水泥、粉煤灰和铁尾砂的成分和物理性质Table 1 Composition and physical properties of cement, fly ash and iron tailing sand

表2 细骨料的物理性质Table 2 Physical properties of fine aggregates

本文采用蛋白质基发泡剂,发泡剂的密度为1.03 g/cm3,发泡倍数为20倍,稀释倍数为25倍,泡沫密度为50 kg/m3。

1.2 试验设计

以铁尾砂掺量和硫酸盐环境下冻融循环次数为研究参数,共制备了5组目标密度为900 kg/m3的泡沫混凝土,铁尾砂代替砂子的比例分别为0%、10%、20%、30%和40%(质量分数,下同),相应的样品编号为A0、A1、A2、A3和A4,具体配合比见表3。由于铁尾砂具有较细的粒径和较大的比表面积,为了保证泡沫混凝土可工作性,微调水胶比(W/B)实现浆体均匀可铺展,具体配合比见表3。

将水泥、粉煤灰、砂和铁尾砂混合干拌2 min,随后加入水搅拌均匀,用发泡机制备的泡沫(50 kg/m3)混合搅拌,直至浆体表面不再出现白色泡沫,然后放入涂油的模具中。

1.3 试验方案

制备180个尺寸为100 mm×100 mm ×100 mm立方体试块,在标准养护条件(相对湿度RH≥95%,温度为(20±2) ℃)下养护28 d。

采用高低温交变湿热试验箱进行冻融循环试验,首先在(-18±3) ℃的环境下冷冻8 h,结束后在(18±3) ℃的5%(质量分数)硫酸钠溶液中浸泡4 h,以此为一个循环。A0、A1、A2、A3和A4每组的循环次数均为0、20、40、60、80、100、120次,试验要求溶液液面高出试件表面20～30 mm,每个月更换一次溶液以保证硫酸钠溶液的浓度。每20次冻融循环后,测定试件的质量、强度和孔隙面积率,冻融循环结束后进行扫描电子显微镜(SEM)和XRD测试分析。此外,根据试验结果,以质量损失、抗压强度损失为衡量指标,选取最优配比,以Weiner函数研究其可靠性,对该配比下试件抗冻融的寿命进行预测。

2 结果与讨论

2.1 质量损失

质量损失率一定程度上可以反映泡沫混凝土的损伤程度,其计算公式如式(1)所示。

(1)

式中:W表示质量损失率,%;M0、Mn分别表示未冻融循环和第n次冻融循环后试件的质量,kg。

各组铁尾砂泡沫混凝土的质量损失率与冻融循环次数的关系如图2所示。随着冻融循环次数的增加,5组试件的质量均呈先增大后减小的趋势。大约在冻融循环20次时,泡沫混凝土质量最大,随着循环次数继续增加,质量逐渐减小。质量改变的主要原因是硫酸盐侵蚀和表面水泥砂浆剥落。冻融循环初期,硫酸盐与泡沫混凝土反应,生成了钙矾石(3CaO·Al2O3·CaSO4·31H2O)、石膏(CaSO4·2H2O)等膨胀矿物[21],反应产物在孔隙内逐渐沉积,导致质量增加。随着冻融循环次数的增加,泡沫混凝土孔壁持续受到冻胀压力作用,内部微细裂纹逐渐累积并发展成互相连通的裂缝,从而造成孔贯通及表面水泥砂浆剥落。同时,在硫酸盐的侵蚀作用下,孔壁受到的膨胀压力加剧,脱落的质量大于增加的质量,导致试件整体质量逐渐降低。

图2 试块质量损失率与冻融循环次数的关系Fig.2 Relationship between mass loss rate and freeze-thaw cycles of test block

普通泡沫混凝土的质量损失率明显高于掺有铁尾砂的泡沫混凝土,这是由于铁尾砂颗粒较细,泡沫混凝土内部气孔数量和直径减小、固体基质增加,泡沫混凝土更密实,阻碍了硫酸盐的侵入。然而,铁尾砂与砂浆的附着力较差,铁尾砂的含量过度会降低结构的完整性,增加有害孔隙的数量,从而导致质量损失率增高。20%铁尾砂掺量泡沫混凝土的质量损失率最小,A4各组试件的质量损失率均高于A2,由大到小依次为A0、A4、A1、A3、A2。

2.2 抗压强度损失

相对抗压强度可以反映泡沫混凝土经过冻融循环后的强度损失,计算公式如式(2)所示。

K=(ft/f0)×100%

(2)

式中:K为相对抗压强度,%;ft、f0分别为第t次冻融循环后和未冻融循环试件的抗压强度,MPa。

各组铁尾砂泡沫混凝土的相对抗压强度与冻融循环次数的关系如图3所示。由图3可知,随着冻融循环次数的增加,试件的抗压强度总体呈下降趋势。这是因为冻胀力和膨胀矿物削弱了试件内部颗粒的结合并恶化了内部结构[22-23]。由图3还可以看出,铁尾砂泡沫混凝土的强度损失低于普通泡沫混凝土。在冻融循环前期,铁尾砂对泡沫混凝土的抗冻融性能的改善效果并不明显,随着冻融循环次数增加,抗冻融性能得到了显著提升。120次冻融循环后,A1、A2、A3和A4的抗压强度损失较A0分别提高了7.3%、10.2%、4.8%和1.9%。这可能是因为:1)细粒径铁尾砂可以改善颗粒级配,更好地填充泡沫混凝土内部孔隙,并优化孔隙结构,有效防止泡沫混凝土内部裂隙的扩展,使得混凝土抗冻性能显著提升[24]。2)高浓度铁离子的存在也对强度产生了积极的影响。3)铁尾砂中的无定形活性物质与水泥水化过程中产生的过量Ca(OH)2二次反应,产生C-S-H凝胶,使得混凝土强度增加[25]。随着铁尾砂掺量的继续增加,铁尾砂泡沫混凝土强度下降,这是由于过量的铁尾砂使泡沫混凝土内部黏结减弱、毛细管孔数量增加,从而加剧了硫酸盐侵蚀。

图3 试块相对抗压强度与冻融循环次数的关系Fig.3 Relationship between relative compressive strength and freeze-thaw cycles of test block

泡沫混凝土的外观也清晰地反映了泡沫混凝土的强度损失情况。图4为各组试件120次冻融循环后的表观形貌。由图4可以看出,所有试样表面均形成一层白色晶体,普通泡沫混凝土表面更粗糙,边缘劣化程度更高,孔隙合并更多。在试验期间,所有试块的外表面均未出现明显裂缝。

图4 泡沫混凝土120次冻融循环后的表观形貌Fig.4 Morphologies of foam concrete after 120 freeze-thaw cycles

值得注意的是,Na2SO4虽然与泡沫混凝土反应生成了石膏等膨胀矿物,泡沫混凝土质量增加,但抗压强度并未增强,这可能与泡沫混凝土的多孔结构有关。

2.3 孔隙面积率

泡沫混凝土主要由气相和固相两部分构成,含有大量气孔,气孔结构和孔隙特征的差异直接影响泡沫混凝土的性能[26-28]。孔隙面积率可以直观地反映泡沫混凝土中的气孔分布情况。孔隙面积率用图像法测得,即使用显微镜处理系统对图像进行分析,将图像进行二值化处理,并对处理后的图像进行统计计算[29]。泡沫混凝土的SEM照片和二值化照片见图5。

图5 泡沫混凝土的SEM照片和二值化照片Fig.5 SEM image and binary image of foam concrete

泡沫混凝土孔隙面积率与冻融循环次数的关系如图6所示。孔隙面积率随着冻融循环次数的增加明显增大,但增大程度不同。冻融循环初期,普通泡沫混凝土孔隙面积率增速较快,铁尾砂泡沫混凝土增速较慢。这是因为,铁尾砂的掺入会改善颗粒级配,使内部的孔隙分布更加均匀,从而降低冻融早期孔隙面积率。但随着冻融循环次数的增加,铁尾砂泡沫混凝土与普通泡沫混凝土试件内部均逐渐产生微裂缝,孔隙面积率均逐渐增加。

图6 试块孔隙面积率与冻融循环次数的关系Fig.6 Relationship between pore area rate and freeze-thaw cycles of test block

2.4 微观结构

通过SEM和XRD分析各组试件在冻融循环后的劣化程度。图7为120次冻融循环后不同掺量的铁尾砂泡沫混凝土的微观形态。可以发现,各组试件内部结构呈疏松絮状,各个试件孔隙中均出现了石膏和钙矾石,这与泡沫混凝土质量的增加相吻合。当硫酸盐与泡沫混凝土反应的产物填充孔隙时,产生了膨胀应力,在冻胀力和膨胀应力共同作用下,出现了大量裂缝。与A0相比,A1和A2试件的裂缝较小,裂缝宽度较窄,长度较短。但与A2相比,A4表面不平整,孔隙增多,表面比较粗糙,完整性较差,这表明随着铁尾砂掺量继续增加,泡沫混凝土的微观结构损伤程度加剧。这是因为高掺量的铁尾砂使泡沫混凝土孔隙减小,而小孔隙相对于大孔隙受到反应产物的影响更大,大孔隙有更多空间容纳石膏和钙矾石,延迟孔隙填充,减小膨胀应力。这一结果也与抗压强度的测试结果相一致,表明随着铁尾砂掺量的继续增加,泡沫混凝土的性能劣化程度更高。

图8为120次冻融循环后泡沫混凝土的XRD谱。XRD谱证实了上述结果,并表明在硫酸盐环境下冻融循环120次后,泡沫混凝土中出现了石膏和钙矾石。

图8 120次冻融循环后泡沫混凝土的XRD谱Fig.8 XRD patterns of foam concrete after 120 freeze-thaw cycles

2.5 可靠性分析

Wiener退化过程模型是基于性能退化数据进行可靠性评估的模型,可以较为准确地描述硫酸盐环境冻融循环作用下铁尾砂泡沫混凝土性能劣化全过程[30]。

基于Wiener退化过程,以质量损失与抗压强度为评价指标,以铁尾砂泡沫混凝土抗冻性能的最优配合比,即铁尾砂的替代率为20%时,建立试件的可靠度模型并预测剩余寿命。

由Wiener过程的性质可知

Δx～N(μΔt,σ2Δt)

(3)

根据《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》(GB/T 50082—2009),当试件质量损失达到5%或抗压强度损失达到25%时,混凝土试件达到破坏标准。本文计算质量损失达到失效阈值时,Df取值0.05;计算抗压强度损失达到失效阈值时,Df取值0.25。

某时刻概率密度似然函数为

(4)

对式(4)取对数,对μ和σ2求偏导数,可以得到μ和σ2的极大似然估计为

(5)

(6)

因此,可靠度点估计为

(7)

式中:Δx表示试件在相邻时刻的耐久性退化量,Zij表示第i个试件在第j次的退化量,tij表示第i个试件的第j次测试的时间,μ为漂移系数,σ为扩散系数,mi为第i个样本的监测次数,Df为试件的失效阈值。

图9 试件冻融循环可靠度曲线Fig.9 Reliability curves of freeze-thaw cycle of specimen

由图9可知,以质量损失为衡量指标时,冻融循环363次左右的试件完全失效;以抗压强度为衡量指标时,冻融循环300次左右的试件完全失效。在冻融初期,可靠度基本保持不变,随着试验进行,可靠度大幅度降低,以抗压强度为衡量指标所对应的可靠度下降得更快,这表明对于铁尾砂泡沫混凝土抗压强度损失比质量损失更为敏感。因此,最优配比下的铁尾砂泡沫混凝土能够经受硫酸盐环境下300次冻融循环作用。

3 结 论

1)铁尾砂能明显提高泡沫混凝土的抗冻融能力,掺量为20%时,泡沫混凝土的抗冻融性能最好,掺量为40%时,抗冻融能力与普通泡沫混凝土最为接近。

2)随着冻融循环次数的增加,各组试件的质量均呈先增加后减小的趋势,在冻融次数为20次左右时,试件的质量最大;抗压强度和孔隙面积率呈下降趋势。抗压强度与孔隙面积率的回归拟合较好,可以用抗压强度来衡量泡沫混凝土的内部损伤。

3)硫酸盐和冻融循环的共同作用改变了泡沫混凝土的微观形貌,随着冻融次数的增加,在冻胀力和膨胀应力的共同作用下,内部孔隙连通形成裂缝,抗压强度降低。

4)基于Wiener退化过程可以发现,抗压强度相对于质量损失对泡沫混凝土的冻融损伤更为敏感。最优配合比下的铁尾砂泡沫混凝土能够经受约300次冻融循环。