严重酸雨环境下混凝土性能与环境性评价

摘要

酸沉降、酸雨是人类活动引起的严重环境污染。对生态环境和建筑带来极大危害，也加速混凝土结构的腐蚀，已列为世界严重公害前三位。我国酸雨地区达30％，酸雨pH值在5.6以下。而快速发展的水泥行业给环境带来严重的破坏。有效利用工业废渣、减小环境污染，配制严酷环境下高耐久混凝土是可持续循环经济的一个重要环节，也是建设节约型经济社会与可持续发展的必要保证。 本文针对上述问题，结合国家西部十大重点工程之一的重庆轻轨主体结构混凝土百年耐久性研究项目，对严重酸雨环境下的混凝土进行了研究，并对混凝土的环境性进行了评价，得出的研究结论和成果如下： (1) 高性能混凝土的可持续发展，应在其定义中增加环境协调性的新内容及评价方法，即对其使用的组分结合环境进行选择，要求生产过程、最终产品和再循环应用都应与环境相协调，加入新组分，进行环境修复，以实现与生态环境的良性循环与协调。并对发展高性能混凝土环境协调性的途径进行了分类。 (2) 重庆是世界酸雨污染代表地区之一，重庆空气污染特点主要表现为高浓度的二氧化硫污染，降水的pH最小值为2.85，降水的年平均值为4.14～4.76，酸雨pH平均值为4.14～4.55，酸雨频率范围为93.7％～34.7％。常年降雨水的pH值属于对混凝土强侵蚀及特强侵蚀作用范围。对象重庆轻轨这样的重要结构工程就必须进行酸雨对其耐久性的影响研究。 (3) 本文运用生命周期评价方法（LCA）进行了对掺加钛渣、锂渣与煅烧磨细煤矸石混掺以及掺复合TG粉的新型混凝土研究，并与同强度等级的混凝土的环境性进行了评价，由于这几种渣体的填充效应与增强效应，在相同强度等级时，水泥用量大幅度降低，未资源化的渣体大量使用，从而有效地改善了混凝土的环境性能。提高了混凝土的耐久性，延长了混凝土的使用年限，实现了混凝土与环境的协调。 (4) 结合严重酸雨地区的实际情况，采用周期浸泡和喷淋方法对混凝土进行耐酸性实验，根据混凝土的强度损失、重量损失与中性化深度，定性地评价混凝土的耐酸性。 (5) 由于钛渣、锂渣、TG复合渣矿物掺合料的火山灰效应、填充效应、强度效应与超叠加效应，掺加有钛渣、锂渣及TG粉的水泥，水化产物的火山灰反应，形成具有网络结构致密的C-S-H凝胶，改善了水泥石的孔结构，使水泥浆与集料界面变得密实。水泥石的总孔隙（孔径37.5 ? -75000 ?）与有害孔明显减少，毛细孔半径变小，凝胶孔增加。随着水化硬化时间的延长，水泥石的孔隙率、孔径分布及其物理状态也相应改善。 (6) 碱钛渣－矿渣混凝土90天强度达到88MPa，120天强度超过90MPa。用水泡钛渣作骨料的碱钛渣－矿渣混凝土，28天抗压强度为55 Mpa ，120天抗压强度超过80MPa。采用蒸汽、蒸压养护时，各组强度均超过标养90天的强度，其中碱钛渣增长率高达16.2％。碱钛渣－矿渣砂浆、混凝土试件的耐酸蚀能力比普通硅酸盐水泥砂浆、混凝土的耐酸蚀能力强。钛渣与硅灰都可使混凝土的抗氯离子渗透的性能得到提高。但碱钛渣－矿渣混凝土的抗氯离子渗透性能比碱矿渣混凝土差。用矿渣、钛渣作掺合料时，混凝土或砂浆试件的抗碳化性能降低。 (7) 煅烧煤矸石粉与锂渣复掺时，煅烧煤矸石与锂渣各掺10％，无论工作性还是强度，都是最好的。当煅烧煤矸石粉掺量为10％，锂渣为40％的L4组，虽然强度低于L1，但28天抗压强度达102MPa，180天抗压强度达到了113MPa。由于大量取代水泥（取代量达50％），使这两种利用率低的工业废渣资源化，其经济效益和环境效益非常显著。 (8) 煅烧煤矸石粉与钛渣复掺，煤矸石粉掺量10％，钛渣为20％的T2组，后期强度发展最好。28天抗压、抗折强度分别为10.8MPa、12.3MPa，180天抗压、抗折强度分别为123MPa、13.9MPa。 (9) 随TG复合粉的掺量增加，混凝土的早期强度有所降低，但最低的TG-50，3天的强度也达到79 Mpa，28天超过空白。这对减少水泥用量，节约水泥，减小混凝土的环境负荷非常有利。掺入碳纤维后，由于减少了混凝土中的裂缝出现，其抗压、抗折强度都有所提高。 (10) 掺TG复合矿物掺合料的混凝土试件，掺量增加，其耐酸性能增加，不过掺量在30％～50％之间变化不明显。掺30％ TG复合掺合料和12％苯丙乳液的混凝土试件的耐酸性能最好，这也印证了聚合物乳液可以提高混凝土的耐酸性。碳纤维的掺入，混凝土表面与内部裂缝明显减少，耐酸性、抗氯离子的渗透能力和耐人工海水浸-烘能力提高，能运用于严酷环境下的混凝土工程。 (11) 掺入TG复合矿物掺合料后，混凝土的碳化抗能力较空白的都有所下降。但只要水灰比小，强度高，掺TG复合矿物掺合料的混凝土的碳化性能是能够满足要求的。 (12) 使用利用率低未资源化的钛渣、锂渣、煤矸石粉、TG复合渣为矿物掺合料制备环境负荷小、水泥用量低的高强、超高强混凝土，它们能抵抗严酷环境、强酸雨及特强酸雨侵蚀对混凝土的危害。 (13) 研究上述混凝土的制备工艺、力学性能、耐久性能的基础，研究和探讨它们的微观结构、增强、抗化学侵蚀机理。