高爐?；V渣對混凝土孔溶液離子濃度的影響

魏東

（1.宜昌高新產業投資控股集團有限公司，湖北 宜昌 443000；2.武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

0 引言

高爐?；V渣（Ground Granulated Blast Furnace Slag，GGBS）是煉鐵過程中形成的工業廢渣，其過程是以石灰等為溶劑，在高溫下氧化鐵被還原成金屬鐵，同時鐵礦石中的氧化硅和氧化鋁等雜質與溶劑結合成高爐?；V渣，最終與鐵水分離而獲得[1]。因此，高爐?；V渣中主要含有CaO、SiO2、Al2O3等氧化物，其總量占比高達90%以上。作為水泥混合材，高爐?；V渣已被普遍使用，其作用除降低成本、變廢為寶和調節構件強度等級外，還可改善水泥的顆粒級配和混凝土的性能[2]，在國內外大量工程中得到了廣泛的應用[3-4]。高爐?；V渣已成為水泥混凝土技術的重要發展方向之一，研究高爐?；V渣對混凝土的影響已成為研究的重點及熱點[5]。

混凝土孔溶液性質對混凝土耐久性的影響較大，目前測試方法很多，如無接觸電阻率法[6]、電通量法[7]和RCM法[8]等，這些測試方法與混凝土內部孔溶液性質密切相關，但測試結果僅表征混凝土的宏觀性能，其內部孔溶液性質的變化不可得知。已有研究[9]表明，水泥在前期（約前10 h內）水化階段，孔溶液中離子濃度改變會較大，其后孔溶液中離子濃度變化程度較小或逐漸趨向穩定。水泥水化演變過程比較復雜，高爐?；V渣的引入使混凝土的體系組分更加復雜，而且化學反應也復雜化[10]。因此，針對水泥-高爐?；V渣體系早齡期孔溶液離子濃度的研究變得尤為重要。

1 實驗

1.1 原材料和配合比

水泥：鎮江鶴林水泥廠P·Ⅰ52.5水泥，密度3029 kg/m3，比表面積340.7 m2/kg；高爐?；V渣（GGBS）：河南鞏義二電廠，S95級，密度 2800 kg/m3，比表面積 250 m2/kg；水：南京雙鹿點光源有限公司生產的蒸餾水。水泥和高爐?；V渣的主要化學成分見表1，蒸餾水的性能參數見表2，試驗配合比設計見表3。

表1 水泥和高爐?；V渣的主要化學成分 %

表2 蒸餾水的性能參數

表3 凈漿的質量配合比設計

1.2 實驗方法

1.2.1 混凝土中孔溶液提取

由于混凝土中孔溶液主要存在于漿體中，因此本文以水泥凈漿為實驗對象?；炷量兹芤簻y試針對1 h齡期，利用離心法提取漿體凝結硬化前（1 h）的孔溶液。具體步驟如下：新拌漿體置入離心管內，在20℃、相對濕度≥95%養護室內養護至1 h立即開始離心，離心機轉速設置為8000 r/min，處理時間為5 min，然后收集液體并置于低溫環境下密封保存，以備測試之用。針對漿體凝結硬化后（10 h、20 h和24 h）的孔溶液，試樣尺寸為 100 mm×100 mm×150 mm，在20℃、相對濕度≥95%養護室內養護，8 h齡期時利用鉆心取樣機進行鉆心取樣（φ80 mm×100 mm），如圖 1（a）所示。然后用保鮮膜密封繼續養護。養護至規定齡期取出，去除外層保鮮膜進行孔溶液高壓萃取試驗，裝置如圖1（b）所示。

圖1 鉆芯取樣和高壓萃取裝置

1.2.2 混凝土孔溶液離子測試

利用電感耦合等離子體發射光譜儀測試混凝土孔溶液的鉀、鈉、鈣、硫、硅和鋁濃度（20℃）；利用精密pH計測試液相的pH值（20℃）。

2 結果與分析

2.1 孔溶液中Na+、K+濃度和pH值變化

水泥-高爐?；V渣體系液相中Na+、K+濃度和pH值隨水化時間的變化見圖2。

圖2 液相中Na+、K+濃度和pH值隨水化時間的變化

水泥熟料與水接觸，開始發生水泥水化反應，水泥顆粒中堿性氧化物快速溶解，孔溶液中K+和Na+濃度快速上升，且較快達到飽和狀態。隨著水化時間的延長，水泥-高爐?；V渣體系會產生具有吸附作用的C-S-H凝膠[11]，但吸附量低于水泥顆粒溶解釋放鉀的速率，因此孔溶液中K+濃度不斷上升。同時，水泥-高爐?；V渣體系水化反應過程中水分不斷被消耗和水化過程中存在不斷的水分蒸發，同時C-S-H凝膠對孔溶液中堿離子的吸附作用也不斷趨于飽和。Na+濃度隨著水化時間延長不斷增大，Na+濃度變化趨勢與K+類似。已有研究表明[11]，pH值的變化主要受堿離子濃度的影響，與Na+、K+濃度呈類似變化規律。隨著高爐?；V渣摻量的不斷增加，孔溶液中Na+和K+濃度及pH值均呈現下降的趨勢，而且降低程度是依次增加。因為水泥-高爐?；V渣體系體系中水化速率主要由水泥和高爐?；V渣中離子的溶出速率決定[12]，高爐?；V渣摻入到水泥中起物理稀釋作用[13]，降低孔溶液的離子濃度。在40%高爐?；V渣摻量情況下，孔溶液中Na+和K+濃度及pH值被降低的程度范圍分別依次為35.4%～64.8%、49.0%～79.8%和2.4%～4.0%，可見相比K+濃度和pH值，高爐?；V渣摻量40%對Na+離子影響程度最大。

2.2 孔溶液中Ca2+和濃度變化

水泥-高爐?；V渣體系液相中Ca2+和濃度隨水化時間的變化見圖3。

由圖3可見，水泥-高爐?；V渣體系與水接觸，膠凝材料中的硫酸鹽及活性含鈣礦物會快速溶解。隨著水化時間的延長，孔溶液中Ca2+和濃度先上升后下降，基本在10 h左右時Ca2+和濃度達到峰值，10 h后濃度逐漸降低是因為水泥-高爐?；V渣體系中生成鈣礬石消耗孔溶液中Ca2+和。與高爐?；V渣對K+和Na+濃度的影響規律類似，隨著高爐?；V渣摻量的增加，Ca2+和濃度逐漸降低。摻量為40%的水泥-高爐?；V渣體系出現的峰值不夠明顯，可能原因是峰值處于開始測試時間（1 h）前。隨后，隨著時間的延長，Ca2+和濃度逐漸降低。在高爐?；V渣摻量為40%的情況下，孔溶液中Ca2+和濃度降低程度范圍分別依次為70.0%～99.9%和45.6%～71.4%，可見相比孔溶液中濃度，40%高爐?；V渣摻量對Ca2+濃度影響程度最大。

2.3 孔溶液中和濃度的變化

3 結論

（1）隨水化時間延長，孔溶液中 K+、Na+、濃度和 pH值逐漸上升；Ca2+和濃度先上升后降低，10 h左右均達到峰值濃度呈類似變化。

（2）隨高爐?；V渣摻量增加，孔溶液中 K+、Na+、Ca2+、和濃度及pH值呈現降低的變化規律。

（3）高爐?；V渣摻量40%情況下，高爐?；V渣對孔溶液中 K+、Na+、Ca2+、和濃度及 pH值的影響程度范圍依次是：35.4%～64.8%、49.0%～79.8%、70.0%～99.9%、45.6%～71.4%、-8.0%～-60.0%、56.9%～99.3%和2.4%～4.0%。