炼钢金属硅粉(混凝土制品泛碱治理研究)

Posted 2023-06-01

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炼钢金属硅粉(混凝土制品泛碱治理研究)

颜凡，金强等砼话

0　引言

多孔混凝土制品中的水溶性组分随水蒸发沉淀在材料表面，形成白色盐状物质，这种泛碱现象常出现于混凝土制品表层，俗称“析白”“泛白”“泛霜”。泛碱现象在混凝土工程施工中出现的比例高达30%以上，对混凝土及其制品的外观、结构性能和质量等级的评定与验收产生不利影响。由于制品中碱性物质释放缓慢，受天气影响容易在制品表面及内部循环，造成泛碱现象反复出现，目前还没有彻底的解决方法。

国内外关于混凝土制品的泛碱问题已有较广泛研究，但鲜有对钢渣混凝土制品表面泛碱问题的研究。钢渣作为炼钢的副产品，由于冶炼过程中加入了石灰、轻烧白云石、石灰石等材料，加之炉衬侵蚀，导致其包含的碱性物质含量较高，在使用钢渣作为混凝土拌合骨料时，钢渣与水泥中的碱性物质同时释放，易造成钢渣混凝土制品出现泛碱现象。

本文基于国内外治理混凝土制品泛碱的研究，阐述混凝土制品泛碱的危害、产生原理及预防治理方法，从而为治理钢渣混凝土制品泛碱提供思路。

1　国内外混凝土制品表面泛碱研究

国外对建材表面泛碱的研究可追溯至19 世纪。Dow C和Glasser F P就波兰特水泥建筑材料中泛碱主要成分碳酸钙的形成机理开展了相关研究。Nour Sghaier等人进行了NaCl溶液在多孔介质模型中的蒸发实验，研究了泛碱物质层对多孔介质干燥动力学的影响，并提出，初次泛碱时，由于泛碱物质的多孔特性而产生的毛细泵吸作用及溶解盐对水活性的影响，会导致水蒸发速率提高，二次泛碱时，泛碱物质层作为水蒸发扩散的障碍，会显著降低水的蒸发速率。Sidney Mindess, J. Francis Young和David Darwin认为混凝土内部可溶物发生明显的渗滤才导致泛碱现象，而水中各种溶解盐的总量决定了可溶物渗出速率，一般来说采用软水的侵蚀情况比硬水更严重，此外水中各种可溶盐的溶解度与水温密切相关，故水温也会影响盐碱的析出。

国内对泛碱问题的研究起步晚、发展快，对混凝土泛碱的研究多集中于装饰砼。东南大学的Bin Xue等人通过图像分析、热重分析和渗透性测试等手段，发现某些微生物可以捕捉大气中的CO2与水泥基材料中的Ca(OH)2反应，从而降低水泥基材料中的Ca(OH)2并提高其致密性。研究结果表明，当微生物用量达到胶凝材料的4%时，在微生物对水泥基材料的生物矿化作用下，水泥基墙板的泛碱面积比例可由30%下降至5%，同时墙板的抗压、抗折强度达到最高。天津大学的高向东等人通过X射线衍射仪分析发现，路面砖泛碱物质主要成分为70.8% NaHCO3、10.5%无水Na2SO4等其他物质。

1.1　泛碱造成的危害

混凝土制品表面泛碱主要带来以下危害：在外观质量方面，制品泛碱会破坏其表面色泽、图案，影响制品的美观及铺装效果，对工程评定验收带来不利影响。在力学性能方面，随着制品内部孔隙中可溶性盐碱类物质在制品表面持续聚集，内部原有的稳定平衡状态被破坏，胶凝性化学组分随之破坏分解，制品强度相应损失。此外，当泛碱物质主要成分为Na2SO4或Ca(OH)2时，随着它们在制品表面不断析出，导致混凝土内部孔隙率增加，会提高其渗透性能，进一步加重制品泛碱状况。混凝土制品泛碱严重时，混凝土表层组织结构会遭到破坏，抗渗、抗冻、抗碳化性能降低，制品的耐久性下降。

1.2　泛碱产生机理

按照生成过程的不同，泛碱可分为初次泛碱和二次泛碱两种类型。水泥中的C3S、C2S水化成C-S-H的同时，大量的Ca(OH)2随之生成，溶于水的Ca2+迁移至制品表面接触空气中CO2反应生成CaCO3附着在制品表面，呈白色盐霜状，见图1。除Ca2+外，水泥中还存有Na+、K+等可溶组分，它们一般通过表面结晶和内部结晶两种结晶方式在多孔水泥基材料中析出，往往发生表面结晶时才会在制品表面产生白色物质，形成泛碱。有学者用灯芯效应解释泛碱现象，认为在混凝土的一面处于潮湿环境，而另一面相对干燥的情况下，混凝土内部可溶碱性物质析出过程类似于灯芯燃烧，研究者将这种情况下溶液在混凝土中传输的过程称为灯芯效应。

重庆交通大学邢李进等人利用SEM扫描电镜和X射线衍射仪对砂浆表面的泛碱物质进行观察分析。在扫描电镜下发现砂浆表面存在许多的菱形矿物结构，是典型的方解石晶体CaCO3，见图2。X射线衍射仪分析发现泛碱物质化学组分主要是氢氧化钙和碳酸钙，此外还有钠、钾硫酸盐等一些可溶性盐类物质。

1.3　泛碱防治方法

针对泛碱产生的条件，可采取相应的措施预防治理泛碱。目前，通常采取化学方法和物理方法抑制混凝土泛碱，见图3。也有少量利用微生物对混凝土进行生物矿化以减轻泛碱的研究，是一种较新颖的思路。

对于已出现泛碱现象的制品，蒋亚军等人采取了以下措施：1）使用高压水枪对出现泛碱的混凝土制品表面直接冲洗；2）配置低浓度盐酸清洗；3）喷涂罩面保护剂。研究发现前两种方法效果不理想，且对制品表面有一定的破坏作用，后一种方法效果不错，但会产生额外成本。

2　结论

通过调研，发现国内外关于处理混凝土泛碱问题的文献众多，但仅针对水泥、外加剂、含碱金属氧化物低的原材料，涉及建筑装饰外墙、清水混凝土、烧结砖等方面，未见关于钢渣材料制品所做的泛碱处理研究。通过研究泛碱产生的环境条件及机理，可从以下角度预防和治理钢渣混凝土制品的表面泛碱。

1）改进配方将混凝土内部Ca(OH)2反应固定下来。钢渣混凝土制品表面泛碱物质成分主要为CaCO3，通过改进配方使得混凝土中Ca(OH)2与新掺入的粉煤灰、硅粉等活性混合材反应生成C-S-H、CaCO3等物质而固定下来。

2）从原材料入手，控制碱性物质的摄入。由于炼钢的特性，钢渣中的氧化钙、氧化镁等碱性物质含量较高，可以提前预处理以释放其中的碱性物质，再将其作为混凝土骨料，并采用可溶碱性物质含量低的水泥、砂石细骨料等原材料，从源头控制碱性物质的摄入。

3）改进生产工艺流程，如优化骨料颗粒级配，改善混凝土孔隙结构，减少可溶性碱性物质从混凝土中析出。改进养护方式，如降低干燥速度、CO2养护等，让Ca(OH)2在混凝土内部生成CaCO3固定下来。

4）适当使用外加剂对混凝土进行憎水处理，隔绝可溶碱性物质传输通道。憎水处理一般有表面处理和整体处理两类方式，整体处理是在混凝土拌和过程中掺加防水性物质包裹在骨料表面，使得混凝土中碱性物质难以进入溶液中，表面处理是在成型后的混凝土表面喷涂防水层，使得碱性物质难以随水分迁移至表面。