渣土對(duì)C30混凝土性能的影響

王海良，李 超，榮 輝，宋偉俊，齊占國(guó)，李向海，邸志琨

(1.天津城建大學(xué),天津 300384；2.天津市土木建筑結(jié)構(gòu)防護(hù)與加固重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300384；3.中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司,天津 300300)

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渣土對(duì)C30混凝土性能的影響

王海良1,2，李 超1，榮 輝1，宋偉俊3，齊占國(guó)3，李向海3，邸志琨3

(1.天津城建大學(xué),天津 300384；2.天津市土木建筑結(jié)構(gòu)防護(hù)與加固重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300384；3.中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司,天津 300300)

針對(duì)天津地鐵盾構(gòu)施工生產(chǎn)的渣土大量堆砌、利用率和附加值低的現(xiàn)狀，將渣土作為礦物摻合料，研究了不同渣土摻量對(duì)C30混凝土工作性能、力學(xué)性能和抗?jié)B性能影響。結(jié)果表明：(1)隨著渣土摻量增加，混凝土坍落度呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)；(2)摻加渣土后，混凝土抗壓強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)組，當(dāng)渣土摻量為10%時(shí)，其28 d抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)組抗壓強(qiáng)度相近；(3)適量渣土摻量可以改善C30混凝土抗?jié)B性能，當(dāng)渣土摻量為水泥的15%時(shí)，抗?jié)B性能最佳。

渣土； 混凝土； 坍落度； 抗壓強(qiáng)度； 抗?jié)B性能

1 引 言

城市軌道交通如地鐵、輕軌等在施工建設(shè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量渣土，而大量的渣土在處理和運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多問(wèn)題，不僅會(huì)污染城市路面，影響路面景觀，而且渣土中的粉塵隨風(fēng)進(jìn)入空氣[1]，影響城市空氣質(zhì)量，以建設(shè)南昌地鐵1號(hào)線為例，全長(zhǎng)28.843公里，產(chǎn)生渣土約440萬(wàn)方，可以填滿(mǎn)4個(gè)水立方[2]。隨著我國(guó)地下軌道交通建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，渣土?xí)絹?lái)越多，處理也需要更大的空間，以往把郊區(qū)選為消納點(diǎn)，不僅破壞耕地，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成影響，而且易造成山體滑坡事件(如2015年12月20日，深圳光明新區(qū)發(fā)生滑坡事件，造成78人失聯(lián)，其中確認(rèn)58人遇難，22棟民宅和廠房被埋，塌方10萬(wàn)平方米)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外渣土處理的主要方式是堆棄、填埋和作為道路路基填料[3-6]，上述處理方式不僅污染環(huán)境、占據(jù)大量土地，而且利用率和附加值低。因此，為進(jìn)一步提高渣土綜合利用率和附加值，本文研究了磨細(xì)后渣土作為混凝土礦物摻合料的可行性，并初步研究了不同摻量渣土對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能和抗?jié)B透性能影響，同時(shí)采用掃描電鏡對(duì)不同渣土摻量下混凝土28 d微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以探明不同渣土摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能和抗?jié)B性能影響機(jī)理。

2 試 驗(yàn)

2.1 原材料

水泥：天津振興水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5水泥。

砂：河砂，細(xì)度模數(shù)2.8，堆積密度為1350 kg/m3，表觀密度2580 kg/m3。

石子：碎石，粒徑5～25 mm，堆積密度1420 kg/m3，表觀密度2710 kg/m3。

水：當(dāng)?shù)刈詠?lái)水。

外加劑：山東建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的聚羧酸外加劑，減水率35%。

渣土：采用天津地鐵6號(hào)線施工產(chǎn)生的渣土，烘干后采用球磨機(jī)將其磨細(xì)30 min，磨細(xì)后比表面積為19000 m2/kg，平均粒徑為11 μm，干密度1810 kg/m3，其化學(xué)組成和礦物組成如表1和圖1所示。由表1可知，渣土中氧化物主要是氧化硅、氧化鋁和氧化鈣。磨細(xì)后的渣土微觀形貌如圖2所示。由圖2可知，磨細(xì)后的渣土顆粒尺寸不一，呈不規(guī)則形貌。

表1 渣土化學(xué)組成Tab.1 Main composites of muck /%

由圖1可知，渣土的礦物組成主要是石英、礬土和硅鋁酸鹽等礦物。

圖1 渣土礦物組成Fig.1 Mineral composition of muck

圖2 渣土的微觀形貌Fig.2 Microstructure of muck

2.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

用于研究渣土摻量對(duì)C30混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度、等強(qiáng)度下渣土摻量對(duì)C30混凝土抗?jié)B性能影響的配合比分別見(jiàn)表2、表3。

表2 摻有渣土的C30混凝土配比Tab.2 Mixture ratio of concrete with muck

表3 等強(qiáng)度下?lián)接性恋腃30混凝土配比Tab.3 Mixture ratio of concrete with muck under the same strength

2.3 試驗(yàn)方法

混凝土坍落度、抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性能試驗(yàn)方法分別按《普通混凝土拌合物試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080-2002)、《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)和《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)進(jìn)行。

采用日本JMS-7800F掃描電鏡對(duì)不同渣土摻量下混凝土28 d微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以探明不同渣土摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能和抗?jié)B性能影響機(jī)理。

3 結(jié)果與討論

3.1 渣土火山灰活性

表4顯示的是磨細(xì)后渣土火山灰性試驗(yàn)結(jié)果。由表4可知，磨細(xì)后的渣土不具有火山灰活性。

表4 渣土火山灰性Tab.4 Volcanic ash activity of muck

3.2 渣土摻量對(duì)混凝土工作性的影響

圖3 渣土摻量對(duì)C30混凝土工作性的影響Fig.3 Influence of muck contents on workability of concrete for C30

圖3所示為不同渣土摻量對(duì)C30混凝土坍落度的影響:由圖3發(fā)現(xiàn)，混凝土初始坍落度隨著渣土摻量增加而逐漸降低，由對(duì)照組的205 mm一直降低至摻量15%時(shí)的15 mm。造成上述現(xiàn)象的原因一方面可能由于渣土等量代替水泥后，因其表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水泥顆粒，其吸水性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水泥顆粒所致;另一方面可能是由于渣土顆粒具有較強(qiáng)的吸附聚羧酸系減水劑中Polycarboxylates(PC)分子的能力以及PC分子在渣土片層中間的插層作用，從而使PC分子大量消耗于渣土中，這樣作用于水泥的PC分子會(huì)大量減少，進(jìn)而使得混凝土的坍落度降低[7]。

此外，由圖3還可以看出，摻加渣土使混凝土坍落度損失受到很大影響:當(dāng)渣土摻量為5%時(shí)，混凝土的坍落度損失嚴(yán)重，約損失90 mm;當(dāng)渣土摻量增至10%時(shí)，0.5 h后的混凝土變?yōu)楦捎残曰炷?，坍落度完全損失。產(chǎn)生上述現(xiàn)象同樣是由于渣土吸水性強(qiáng)所致。

3.3 渣土摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

圖4 渣土摻量對(duì)C30混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Influence of muck contents on compressive strength of concrete for C30

圖4所示為不同渣土摻量對(duì)C30混凝土抗壓強(qiáng)度的影響;渣土摻入會(huì)不同程度地降低C30混凝土抗壓強(qiáng)度，即其28 d的抗壓強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)組。另外，還由圖4可以看出，隨著渣土摻量增多，C30混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律呈現(xiàn)為先降低后增加再降低趨勢(shì)，即：當(dāng)渣土摻量為5%時(shí)，C30混凝土3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度相對(duì)于基準(zhǔn)對(duì)照組分別降低了16.8%、25.4%和30.6%；當(dāng)渣土摻量增加至10%時(shí)，則發(fā)現(xiàn)C30混凝土早期(3 d和7 d)抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)對(duì)照組分別增加了10.2%、4.9%，但在28 d時(shí)，其抗壓強(qiáng)度降低了3.5%。而渣土摻量繼續(xù)增加至15%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度分別降低了1.3%、17.4%和24.2%。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是由于渣土顆粒摻入引起的水泥摻入量與其微集料填充效應(yīng)雙重作用的結(jié)果。當(dāng)渣土摻量為5%時(shí)，由于水泥用量的減少造成其抗壓強(qiáng)度低于基準(zhǔn)組，而當(dāng)渣土摻量為10%時(shí)，盡管水泥用量繼續(xù)減少，但由于渣土的微集料填充效應(yīng)發(fā)揮更大，從而使其摻量下的混凝土微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，進(jìn)而使其強(qiáng)度更高。當(dāng)渣土摻量為15%時(shí)，則由于渣土微集料填充效應(yīng)所帶來(lái)的增強(qiáng)效果小于水泥用量減少造成的抗壓強(qiáng)度損失，從而使其該摻量下的混凝土抗壓強(qiáng)度再次降低。

為進(jìn)一步解釋渣土對(duì)C30混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，研究了不同渣土摻量下混凝土的28 d微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 渣土摻量對(duì)C30混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響(a)0;(b)5%;(c)10%;(d)15%Fig.5 Influence of muck content on microstructure of concrete for C30(a)0;(b)5%;(c)10%;(d)15%

由圖5可知，未摻渣土?xí)r，混凝土微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)大量的網(wǎng)絡(luò)狀C-S-H凝膠。當(dāng)渣土摻量為5%時(shí)，其微觀結(jié)構(gòu)中除網(wǎng)絡(luò)狀C-S-H凝膠外，還出現(xiàn)了大量針狀A(yù)Ft晶體以及少量球狀物質(zhì)(渣土顆粒)，并且孔隙增多。當(dāng)渣土摻量為10%時(shí)，出現(xiàn)較多量的渣土顆粒并且混凝土的微觀結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，這可能是由于渣土顆粒的加入起到的微集料填充效應(yīng)所致。當(dāng)渣土摻量為15%時(shí)，混凝土的孔隙增多，這有可能是由于水泥量大量減少，導(dǎo)致水泥生成的水化產(chǎn)物大量減少，而渣土顆粒不能完全填充由于水化產(chǎn)物減少所導(dǎo)致的孔隙增多所致。

3.4 渣土摻量對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響

圖6所示為不同渣土摻量對(duì)C30混凝土抗?jié)B性能的影響。由圖6可以看出，隨著渣土摻量的增加，混凝土的抗?jié)B性能變化規(guī)律呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，即：當(dāng)渣土摻量為5%、10%和15%時(shí)，滲水高度相對(duì)于基準(zhǔn)組分別降低了43%、82%和86%；而當(dāng)渣土摻量為20%時(shí)，滲水高度反而增加了27%。這表明當(dāng)渣土摻量為15%時(shí)，混凝土的抗?jié)B性能最好。

造成上述不同渣土摻量對(duì)C30混凝土抗?jié)B性能影響規(guī)律的原因可能是由于渣土顆粒摻入引起的水泥摻入量與其微集料填充效應(yīng)雙重作用的結(jié)果。當(dāng)渣土摻量為5%、10%、15%時(shí)，盡管水泥用量繼續(xù)減少，但由于渣土的微集料填充效應(yīng)發(fā)揮更大，從而使其摻量下的混凝土微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，抗?jié)B性能更好。當(dāng)渣土摻量繼續(xù)增加至20%時(shí)，則由于渣土微集料填充效應(yīng)無(wú)法彌補(bǔ)其水泥用量減少造成的級(jí)配不良，密實(shí)度差，從而使其該摻量下的混凝土抗?jié)B性能減弱。

圖6 渣土摻量對(duì)C30混凝土滲水高度的影響Fig.6 Influence of muck contents on penetration height of concrete for C30

為進(jìn)一步解釋渣土摻量對(duì)C30混凝土抗?jié)B性能的影響，研究了不同渣土摻量下混凝土的28 d微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)渣土摻量為0(基準(zhǔn)組)時(shí)，混凝土微觀結(jié)構(gòu)中孔隙較多，存在網(wǎng)絡(luò)狀的C-S-H等物質(zhì)。而當(dāng)摻加渣土后，發(fā)現(xiàn)混凝土微觀結(jié)構(gòu)相比基準(zhǔn)組，孔隙減少，針棒狀物質(zhì)減少，這有可能是由于水泥用量減少而造成的AFt物質(zhì)減少，同時(shí)由于渣土顆粒填充水泥顆?？障端隆．?dāng)渣土摻量增加至15%時(shí)，發(fā)現(xiàn)其微觀結(jié)構(gòu)(相比基準(zhǔn)、摻量為5%、10.0%和20.0%)孔隙最少，結(jié)構(gòu)最為密實(shí)，其它的渣土摻量相對(duì)于15%來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)都要疏松。渣土摻量為20%時(shí)，可能因?yàn)樵撂畛涞牟煌耆瑢?dǎo)致水泥顆粒級(jí)配之間的級(jí)配不良、密實(shí)度差，渣土的微集料填充作用較弱，導(dǎo)致孔隙率較大，進(jìn)而影響了渣土的微觀結(jié)構(gòu)，從而影響了渣土混凝土的抗?jié)B性能。研究結(jié)果表明，渣土摻量為15%時(shí)混凝土抗?jié)B性能最好。

圖7 渣土摻量對(duì)C30混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響(a)0;(b)5%;(c)10%;(d)15%;(e)20%Fig.7 Influence of muck contents on microstructure of concrete for C30

4 結(jié) 論

通過(guò)渣土摻量對(duì)C30混凝土工作性、力學(xué)性能和滲透性能的影響研究，得到了渣土摻量對(duì)C30混凝土工作性、力學(xué)性能以及滲透性能的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)隨著渣土摻量的增加，混凝土的初始坍落度和坍落度損失逐漸降低，在不改變用水量和外加劑用量前提下，加入混凝土中的渣土摻量不宜超過(guò)10%;

(2)隨著渣土摻量的變化，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，渣土摻量從5%增加至15%時(shí)，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)對(duì)照組相比，其強(qiáng)度分別降低了30.6%、3.5%和24.2%;

(3)等強(qiáng)度C30混凝土抗?jié)B性能隨著渣土摻量的增加先增強(qiáng)后減弱，當(dāng)渣土摻量分別為5%、10%、15%時(shí)，滲水高度相對(duì)于基準(zhǔn)組分別降低了43%、82%、86%；當(dāng)渣土摻量為20%時(shí)，滲水高度反而增加了27%，摻加適量渣土可以改善C30混凝土的抗?jié)B性能，當(dāng)摻量在15%左右時(shí)試件抗?jié)B性能最好。

[1] 姚如青.杭州市建筑渣土管理主要問(wèn)題與改進(jìn)對(duì)策[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,2014,39(5):160-163.

[2] 沈澈清,封 云.地鐵1號(hào)線渣土可推11個(gè)八一廣場(chǎng)[EB/OL].http://jiangxi.jxnews.com.cn/system/2013/05/24/012435387.shtml,2013-05-24.

[3] 劉 衛(wèi).南昌復(fù)合地盾構(gòu)渣土改良技術(shù)[J].隧道建設(shè),2015,35(5):455-462.

[4] 李 琴,孫可偉,蔣卓吟.固化劑固化建筑渣土試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào),2012,31(5):1247-1251.

[5] 王 芳,徐竹清,嚴(yán)麗雪,等.堿渣土工程試驗(yàn)方法及其工程土特性研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2007,29(8):1212-1214.

[6] 姚志雄.建筑渣土填料路用性能的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2010,40(s1):773-777.

[7] 巨浩波.砂石含泥量對(duì)聚羧酸系減水劑性能的影響及抗泥劑的合成研究[D].西安:陜西科技大學(xué)學(xué)位論文,2014.

Influence of Muck on Mechanical Properties of C30 Concrete

WANGHai-liang1,2,LIChao1,RONGHui1,SONGWei-jun3,QIZhan-guo3,LIXiang-hai3,DIZhi-kun3

(1.Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China;2.Tianjin Key Laboratory of Civil Structure Protection and Reinforcement,Tianjin 300384,China;3.China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group.Co. Ltd,Tianjin 300300,China)

At present, the muck from subway exits pile, low utilization and low added value, therefore, the influence of different contents of muck as admixtures on workability， mechanical properties and impermeability of C30 concrete are studied in this paper. The experimental results indicate that the slump decrease gradually with the increasing of muck contents. The compressive strengths of concrete is smaller than the reference group with the increasing of muck contents. The compressive strength of concrete at 28 days is similar with the reference group when the content of muck is 10% of cement contents. A moderate amount muck contents can improve the impermeability of C30 concrete, when admixture of muck content is 15%, the concrete impermeability is the best.

muck;concrete;slump;compressive strength;impermeability

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題資助(2014BAL03B03);天津城建大學(xué)科研啟動(dòng)項(xiàng)目(05140403)

王海良(1966-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師.主要從事大跨橋梁施工過(guò)程控制及新型結(jié)構(gòu)體系開(kāi)發(fā)等研究.

TU528

A

1001-1625(2016)09-3030-06