雙摻陶瓷拋光粉及粉煤灰混凝土的優(yōu)化配比

張 眾，張 靜，紀(jì)道景

(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.中鐵十四局集團(tuán)第三工程有限公司，山東 濟(jì)寧 2721002)

陶瓷磚拋光廢粉是陶瓷墻地磚在研磨拋光過程中排放的廢粉.2010年中國(guó)墻地磚產(chǎn)量達(dá)70億m2[1]，每生產(chǎn)1m2拋光磚即可產(chǎn)生廢粉1.9kg (干料)左右，大部分被堆存或填埋.優(yōu)質(zhì)粉煤灰雖然被充分利用，但大量經(jīng)風(fēng)選、電選后的粗粉煤灰大多被低值利用或堆存.

目前，在陶瓷廢棄物用于混凝土方面，研究多集中于陶瓷燒成品、陶瓷半燒成品廢物破碎或粉磨后，用作混凝土的粗、細(xì)骨料，或者用作水泥混合材、混凝土礦物摻加料[2];而將陶瓷磚拋光廢粉直接用作混凝土礦物摻加料的研究極少[3]，且摻量較低.由于粗粉煤灰更易對(duì)混凝土的強(qiáng)度、耐久性，特別是質(zhì)量控制造成影響，更多的研究集中于低水泥用量的砌體砌塊，或者粗粉煤灰的機(jī)械、化學(xué)激化改性處理，以及分選加分級(jí)粉磨[4]等，以優(yōu)化粗粉煤灰的粒徑分布、含碳量、及粒形等物性指標(biāo).大量研究取得了顯著成果，但也存在應(yīng)用面窄、摻量小、或者投入大，利用的費(fèi)效比高等問題.研究發(fā)現(xiàn)，陶瓷雖經(jīng)短時(shí)高溫煅燒，仍具極好的火山灰活性[5].利用拋光磚粉比表面積大，顆粒形態(tài)不規(guī)則的特點(diǎn)，可獲得兼具粘聚性、保水性和流動(dòng)性的混凝土[6].對(duì)于相當(dāng)數(shù)量的燒失量、堿含量指標(biāo)符合規(guī)范要求的粗灰，具有骨料和反應(yīng)劑的雙重特點(diǎn)[7]，能提供較惰性微集料更好的物理及水化反應(yīng)產(chǎn)物充填作用.

在礦物摻加料以大摻量用于混凝土方面，迄今已有大量研究.使用高效減水劑、礦物改性、或摻加納米材料等，在改善和提高混凝土的流變性、早期強(qiáng)度及耐久性方面取得了大量成果[8- 9].研究表明，借助不同功能型高效減水劑、或表面活性劑的疊加作用，立足于具體礦物的基本物理化學(xué)特性檢測(cè)，以降低水膠比，結(jié)合礦物摻加料的微集料效應(yīng)和形態(tài)效應(yīng)，可以改善混凝土的強(qiáng)度及工作性、降低水泥用量，是進(jìn)一步制備高性能混凝土的有效途徑.大摻量復(fù)摻陶瓷拋光廢粉和粗粉煤灰，優(yōu)化配比后用作混凝土摻加料，可以降低水泥用量，有益于工業(yè)固體廢棄物的高效利用和環(huán)境保護(hù).

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

(1)水泥：淄博中昌特種水泥有限公司生產(chǎn)的P·HSR42.5級(jí)高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥.

(2)砂：沂源天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.97.

(3)粗粉煤灰：華能辛店電廠，比表面積2.541 9 m2/g，需水量比114.7%，粒徑分布中位數(shù)117 μm.

(4)陶瓷拋光粉：淄博某陶瓷廠拋光磚粉，比表面積15.41 m2/g，需水量比107.9%，粒徑分布中位數(shù)28.3 μm.

(5)石子：碎石，粒徑在5～20 mm，D(5～10 mm)∶D(10～20 mm)=1∶2.

(6)減水劑：巴斯夫SP8-CN型聚羧酸高效減水劑.

(7)水：飲用水.

由原材料可見，陶瓷拋光粉雖然比表面積較大，但需水量并未大幅增加.此外，粗粉煤灰的需水量并未超出相關(guān)規(guī)范的上限，復(fù)摻陶瓷拋光粉和粗粉煤灰的粒徑分布不同，復(fù)摻也易于發(fā)揮填充和解絮作用. 由表1可見，陶瓷拋光廢粉中SiO2和Al2O3含量較高，較粗灰理論上具有更好的潛在活性{蘇達(dá)根, 2009 #736;蘇達(dá)根, 2009 #736}.同時(shí)，當(dāng)量堿含量較高，用于有活性集料及有堿含量控制要求的混凝土?xí)r，存在導(dǎo)致堿骨料反應(yīng)的可能性；但在大摻量下，有利于混合材和摻合料中玻璃質(zhì)中富鈣相和富硅相的分解，增加顆粒表面的水化凝膠體，改善拌合物可能存在的泌水、板結(jié)、抓底現(xiàn)象[10].粗粉煤灰的含碳量不高，CaO含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))>10%，具有更好的凝膠性，但較大摻量時(shí)可能存在安定性問題[11].

表1 礦物摻加料的化學(xué)特性(質(zhì)量/%)Tab.1 Chemical properties of mineral admixtures(mass/%)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

按質(zhì)量比7∶3摻入陶瓷拋光廢粉和粗粉煤灰，使近似S.T級(jí)配的硅酸鹽水泥復(fù)合摻加礦物摻加料時(shí)，膠凝材料的顆粒級(jí)配趨近于理論上更具適應(yīng)性的Fuller級(jí)配.試配中，隨摻量的增加，改變水膠比、膠凝材料用量及減水劑用量，綜合考慮粘聚性、保水性、流動(dòng)性及強(qiáng)度.配合比見表2.表2中試件編號(hào)b與編號(hào)a為同一摻量，只是通過變更配合比參數(shù)，以對(duì)工作性進(jìn)行調(diào)整，b編號(hào)試件的工作性趨向預(yù)期.

混凝土拌合時(shí)，考慮聚羧酸減水劑性能對(duì)用水量及摻量較高的敏感性[12]，嚴(yán)格量測(cè)材料的含水率，同時(shí)滿足復(fù)合摻加料的含水量要求.先投入石子、砂、水泥、陶瓷廢粉、粗粉煤灰，攪拌(約0.5 min)，再均勻加入半數(shù)拌合水繼續(xù)攪拌約1 min，之后投入摻加減水劑的剩余水，攪拌約2～3 min.出料后將拌合物人工翻拌2～3次，綜合目測(cè)評(píng)定后澆筑試件，試件的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm.

表2 PFC混凝土的配合比Tab.2 Mix ratios of PFC concrete

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 工作性

礦物摻合料的微集料效應(yīng)通常隨摻量增加而增強(qiáng)，而活性效應(yīng)一般隨摻量的增加而降低.為此，優(yōu)化配比時(shí)，在增加礦物摻加料摻量時(shí)，隨礦物摻量的增加，降低水膠比并改變膠凝材料用量或減水劑用量，以達(dá)成各齡期強(qiáng)度的改善，以及預(yù)期一致的工作性.試件制備時(shí)，參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352-2006)，觀測(cè)拌合物的流動(dòng)性、粘聚性、保水性及抹面性能，對(duì)不同摻量下拌合物的工作性進(jìn)行綜合目測(cè)評(píng)判.

在各摻量的設(shè)計(jì)配合比下，在0～60%的摻量范圍內(nèi)，調(diào)整后的PFC混凝土，塌落度保持在14～17 cm范圍內(nèi).用搗棒在做完塌落度的試樣的一側(cè)輕打，試樣均可保持原狀周邊均勻逐漸下沉，沒有剪切塌落現(xiàn)象，粘聚性較好.但50%摻量時(shí)，C-50a存在石子離析現(xiàn)象，塌落度偏小，C-50b僅增加膠凝材料用量后，粘聚性得以較好的改善，塌落度提升為14 mm.

隨著復(fù)合摻量的增加，PFC混凝土的易插搗性變化明顯，是需進(jìn)行配合比調(diào)整的主要原因.0%摻量時(shí)，極易插搗，棍度為上.在40%摻量下，C-40a較不易插搗，倒塌落度筒時(shí)，混凝土有部分粘在筒壁上，塑性粘度較大，棍度為中.C-40b提高水膠比0.3后，混凝土易鏟易插搗，大幅改善了混凝土的塑性粘度，棍度為上.50%及60%摻量時(shí)，C-50a和C-60a混凝土呈現(xiàn)板結(jié)僵化的形態(tài)，插搗阻滯感強(qiáng)，棍度為下.而C-50b在C-50a的基礎(chǔ)上增加了膠凝材料用量，C-60b在C-60a的基礎(chǔ)上降低水膠比0.1，同時(shí)增加膠凝材料用量后，拌合物的僵硬現(xiàn)象明顯改善，棍度為中.可見，采用較大礦物摻量后，拌合物的屈服強(qiáng)度和塑性黏度易隨配合比參數(shù)變化，出現(xiàn)一定的板結(jié)、僵硬現(xiàn)象.

除60%摻量，其他各摻量下修正配合比后，用鏝刀抹面4～5次，則可以使混凝土表面平整無蜂窩，可抹面性為中，滿足預(yù)期.但在50%摻量下的C-50a配比及60%的配比下，用鏝刀抹面7～8次，仍難使混凝土表面平整無蜂窩，可抹面性為下.C-50b增加膠凝材料后，可抹面性得到改善.對(duì)于60%摻量時(shí)的拌合物，可抹面性差，表明拌合物內(nèi)聚力低，也可能是因?yàn)樯奥噬缘偷木壒?

在保水性方面，0摻量時(shí)，當(dāng)坍落度筒提起后有較多稀漿從底部析出，保水性多量，內(nèi)聚力低.其他各摻量下，僅有少量水從底部析出，保水性滿足預(yù)期.

雙摻礦物摻加料總量從0增加至60%時(shí)，水膠比從0.57降低至0.24，水泥用量從286.24 kg/m3降低至217.5 kg/m3，并總體上保持了拌合物一致的工作性.

試驗(yàn)表明，隨著礦物摻加量的增加，在首先以降低水膠比以控制混凝土強(qiáng)度目標(biāo)的前提下，可以通過變化配合比參數(shù)達(dá)到可接受的混凝土的工作性目標(biāo).總體對(duì)于混凝土工作性而言，膠凝材料用量、漿骨比、減水劑的減水率、減水劑用量是其中具有交互作用的重要的配合比參數(shù).

2.2 膠凝材料用量

剔除工作性不滿足預(yù)期的配合比后，膠凝材料用量及水膠比隨摻量的變化如圖1所示.隨著摻量的增加，水膠比約呈線性下降，以保證預(yù)期的各齡期強(qiáng)度，此時(shí)膠凝材料用量隨之增加，但在摻量大于40%后，為保證工作性滿足要求，膠凝材料用量增加的幅度增大.在0～40%摻量之間，膠凝材料用量?jī)H增加28%，但在摻量40%～50%及50%～60%之間，增加幅度分別達(dá)21%和23%.

圖1 PFC混凝土膠凝材料用量、水膠比隨摻量的變化Fig.1 Changes of cementitious material contents and ratios of water to cementitious material with mixed contents of PFC concrete

結(jié)合表3的塌落度可見，一定摻量下，膠凝材料用量和水膠比對(duì)塌落度的交叉影響非常顯著.復(fù)合摻量為40%時(shí)，C-40a的膠凝材料用量雖較C-40b多9%，但由于水膠比低0.3，塌落度未隨膠凝材料的增加而增加，反而大幅降低了60%.可見，為改善PFC混凝土的強(qiáng)度而降低水膠比時(shí)，易導(dǎo)致混凝土工作性的劣化.但在合理的水膠比及減水劑用量下，增加膠凝材料用量，可明顯改善PFC混凝土的工作性.

雙摻礦物摻加量從0增至60%，在設(shè)定的能夠滿足強(qiáng)度目標(biāo)的水膠比下，隨摻量的增大而按一定規(guī)律增加膠凝材料用量，可以滿足塌落度的設(shè)計(jì)目標(biāo)；而且根據(jù)目測(cè)綜合評(píng)定，總體上拌合物在工作性的其他方面也可達(dá)成預(yù)期目標(biāo).

2.3 減水劑用量

通常隨礦物摻量的增加，減水劑的復(fù)合減水率會(huì)隨之變化，對(duì)減水劑的用量產(chǎn)生影響[13]. 此外，礦物摻加料的不同種類、粒徑范圍分布和顆粒形態(tài)也會(huì)影響減水率.由表2可見，對(duì)于類似工作性的混凝土拌合物，隨著膠凝材料用量的增加，減水劑用量也大幅增加.在配合比設(shè)計(jì)中，表現(xiàn)為隨著摻量的增加、水膠比的降低，減水劑用量的大幅增加. 去除塌落度不符合預(yù)期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，不同礦物摻量下，PFC混凝土的減水劑用量及水膠比的變化如圖2所示.圖2中減水劑用量為占膠凝材料的質(zhì)量百分比.

圖2 PFC混凝土減水劑用量、水膠比隨摻量的變化Fig.2 Changes of water reducing admixture contents and ratios of water to cementitious material with mixed contents of PFC concrete

由圖2可見，聚羧酸減水劑用量隨復(fù)合摻量的增加非線性增長(zhǎng)，摻量大于40%后，增速加大，變化趨勢(shì)類似于膠凝材料用量.在0～40%摻量之間，減水劑用量較0摻量?jī)H增加140%，但在摻量40%～50%及50%～60%之間，較40%和50%摻量增加幅度分別達(dá)39%和48%.60%摻量時(shí)，較0摻量增加了393%.

對(duì)于減水劑用量的大幅增加，一方面是由于陶瓷拋光廢粉的粒徑小，比表面積較大，減水劑會(huì)優(yōu)先被吸附于較小的陶瓷粉顆粒[14]，因此需要更多減水劑分子提供位阻斥力，分解漿體中顆粒的絮凝結(jié)構(gòu)，排出其中的自由水.另一方面，粗粉煤灰較差的形態(tài)效應(yīng)不利于拌合物的流動(dòng)性，同時(shí)，相對(duì)較高含量的碳粒，對(duì)減水劑及水分的吸附作用也會(huì)隨摻量的增加而愈加明顯.

相對(duì)大摻量單摻粉煤灰而言，膠凝材料中陶瓷拋光廢粉的摻入提高了漿體的堿含量，促進(jìn)了誘導(dǎo)前期的水化，降低了聚羧酸減水劑的延遲作用；從而增加了漿體的塑性粘度，不易失去漿體對(duì)粗細(xì)集料的包裹性.由于部分水化物對(duì)聚羧酸減水劑具有更強(qiáng)的吸附作用，從而易于保持減水性能.此外，陶瓷粉及粗粉煤灰超細(xì)及較粗顆粒的摻入，必然改善了膠凝材料的顆粒級(jí)配，增加了拌合物的體積穩(wěn)定性，在一定程度上也降低了不穩(wěn)定大氣泡生成的數(shù)量.因此，隨著膠凝材料的增加，盡管減水劑用量也隨之大幅增加，但很大程度上改善了高減水劑用量下拌合物易出現(xiàn)的板結(jié)泌水現(xiàn)象.

總體而言，變化減水劑用量，可以達(dá)成大摻量摻加、混凝土工作性、以及強(qiáng)度預(yù)期的多目標(biāo)控制.但由圖2可見，單獨(dú)使用某種乙烯基共聚物聚羧酸減水劑時(shí)，可能存在減水劑用量高的問題.

2.4 混凝土強(qiáng)度

雙摻陶瓷拋光粉及粗粉煤灰混凝土(PFC)的各齡期強(qiáng)度見表3.

表3 各齡期PFC混凝土的強(qiáng)度Tab.3 The strength of PFC concrete at various ages

表中編號(hào)意義同表2.結(jié)合表3、表2可見，C-40b與C-40a的單位用水量不變，均為摻量40%的PFC混凝土，但將水膠比由0.32增為0.35.雖然C-40b的3 d及7 d強(qiáng)度C-40a混凝土略有下降，但28 d強(qiáng)度基本相同，并未因水膠比的增大而降低.此外，C-40b配比下不僅水泥用量較前者降低了約8.6%，而且結(jié)合前述工作性的比較可知，C-40b的工作性獲得了大幅改善.對(duì)比摻量為50%的兩種配合比可見，二者水膠比相同，但C-50b的膠凝材料用量(或水泥)增加了約5.7%，盡管各齡期強(qiáng)度較前者略有下降，但工作性同樣獲得很大改善.C-60b較C-60a降低了水膠比，提高了膠凝材料用量，各齡期強(qiáng)度變化不大.可見，水膠比和膠凝材料用量對(duì)于PFC混凝土的強(qiáng)度有交互性影響.

隨著雙摻摻量的增加，降低水膠比后，PFC混凝土的各齡期強(qiáng)度、水膠比與摻量的關(guān)系如圖3所示.圖3中剔除了工作性不滿足預(yù)期的配合比，強(qiáng)度比為各摻量下不同齡期強(qiáng)度與0摻量相應(yīng)強(qiáng)度的比值.

圖3 PFC混凝土各齡期強(qiáng)度、水膠比隨摻量的變化Fig.3 Changes of strength of PFC concrete at various ages and ratios of water to cementitious material with mixed contents

優(yōu)化配比后，在降低水膠比后，各摻量混凝土的不同齡期強(qiáng)度均可高于普通混凝土.此外在3種不同齡期的強(qiáng)度中，3 d強(qiáng)度的增幅在40%摻量范圍內(nèi)最大，在40%摻量下達(dá)到最大值.隨著摻量的繼續(xù)增加，增幅迅速下降.7 d強(qiáng)度的增幅在摻量超過40%后，繼續(xù)緩慢增大，在50%摻量后，增幅才轉(zhuǎn)為下降，但下降的速度小于3 d強(qiáng)度的增幅下降速度.28d強(qiáng)度的增幅在50%摻量時(shí)取得最大值，類似于7 d強(qiáng)度.在60%摻量時(shí)增幅轉(zhuǎn)為小幅下跌，下跌的幅度遠(yuǎn)小于7 d強(qiáng)度下降的幅度.

圖3中水膠比與摻量的關(guān)系表明，隨摻量的增加，可以按近似線性的關(guān)系降低水膠比，以改善PFC混凝土的各齡期強(qiáng)度.

研究表明，通過調(diào)整配合比參數(shù)，低水膠比下的PFC混凝土可達(dá)到預(yù)期較好的工作性.降低水膠比后，不僅能大幅改善混凝土的早期強(qiáng)度，而且也能提高28d強(qiáng)度.陶瓷拋光廢粉和粗粉煤灰灰雙摻可以大摻量用于混凝土.應(yīng)該指出，混凝土配比和工作性、強(qiáng)度的關(guān)系，必然和材料的粒徑分布、物理化學(xué)成分、以及不同功能型高效減水劑的性能有較大的相關(guān)性.

3 結(jié)論

(1) 雙摻陶瓷拋光廢粉和燒失量、需水量比適當(dāng)?shù)拇址勖夯业幕炷粒梢栽谳^大的水膠比范圍內(nèi)，保持良好的工作性，但減水劑用量增加幅度大.

(2)以混合最大堆積密度確定粗細(xì)集料比例后，以近似線性趨勢(shì)降低水膠比，可以大幅改善PFC混凝土的早期強(qiáng)度.變化膠凝材料用量及減水劑用量，可以獲得各齡期強(qiáng)度及工作性有較大程度改善的混凝土.

(3)雙摻陶瓷拋光廢粉和粗粉煤灰，在60%的摻量范圍內(nèi)，可以通過水膠比的大幅降低以降低水泥用量，并提高廢粉的高效利用水平.

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