環(huán)保節(jié)能型纖維混凝土制備及其性能研究?

季 強(qiáng)

（山西園區(qū)建設(shè)發(fā)展集團(tuán)有限公司，山西 太原 030012）

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，廢材循環(huán)利用成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)之一。楊靜等[1]提出了環(huán)保型混凝土的概念、分類標(biāo)準(zhǔn)，以及環(huán)保型混凝土應(yīng)具備的性能，為混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展提出建設(shè)性的觀點(diǎn)。劉夢(mèng)溪等[2]對(duì)可恢復(fù)植被的環(huán)保混凝土、作為輕質(zhì)保溫材料的加氣混凝土，及利用廢舊聚苯乙烯泡沫塑料顆粒作為輕骨料制備輕質(zhì)混凝土吸聲板進(jìn)行研究，徐文遠(yuǎn)等[3]分析了發(fā)展減輕環(huán)境負(fù)荷型和生態(tài)型混凝土對(duì)城市發(fā)展建設(shè)的必要性。陳景等[4]對(duì)環(huán)保混凝土性能與制備工藝展開研究。

混凝土是目前使用最為廣泛的材料之一，而廢水是目前急需循環(huán)利用的廢材之一[5-7]。將兩者結(jié)合配制環(huán)?；炷粒鹾暇G色環(huán)保的概念。朱之恒等[8]研究了攪拌站廢水對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間、混凝土坍落度、抗壓強(qiáng)度、濕容重的影響。李小玲等[9]分析了在相同水灰比和相同膠凝材料條件下，不同摻量廢水對(duì)凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度的影響。侯旭林等[10]研究了廢棄水泥材料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、干縮性能與塑性變形方面的影響。楊欣華等[11]分析了5 個(gè)地區(qū)6 家混凝土攪拌站的廢水廢漿性能。歐陽孟學(xué)等[12]選取混凝土攪拌站某一時(shí)期的生產(chǎn)廢水，將之摻入混凝土中，制備C20～C40 強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。上述研究發(fā)現(xiàn)，在混凝土中摻入廢水會(huì)降低混凝土自身性能。為此，不少研究者通過在混凝土中摻入礦物摻合料，以提升混凝土性能[13-22]。

本文綜合上述方法，以廢水為混凝土拌合水設(shè)計(jì)研制高性能混凝土，通過對(duì)比廢水拌制和自來水拌制的混凝土性能，分析廢水對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間、坍落度和抗壓強(qiáng)度的影響；并在混凝土中摻入木纖維，以進(jìn)一步提升廢水拌制的混凝土的凝結(jié)時(shí)間、坍落度和抗壓強(qiáng)度，研究得出木纖維的最佳摻量，為環(huán)?；炷恋闹苽涮峁├碚撘罁?jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

水泥選用北京市藍(lán)寶新技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的P.O.52.5水泥，其化學(xué)組成成分如表1所示；粗、細(xì)骨料均由深圳市綠發(fā)鵬程環(huán)保科技有限公司提供，其中粗骨料粒徑在10～20 mm之間，其堆積密度約為1 511 kg/m3，表觀密度約為2 361 kg/m3，壓碎指標(biāo)為6%；細(xì)骨料粒徑在0～10 mm之間，其堆積密度約為1 633 kg/m3，表觀密度約為2 594 kg/m3；水為普通飲用水或廢水，廢水由某市廢水處理廠提供。使用上述試驗(yàn)原材料配制混凝土，如表2所示。對(duì)配制的混凝土進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后（溫度20 ℃、相對(duì)濕度95%以上），進(jìn)行性能測(cè)試，普通飲用水拌制的混凝土檢測(cè)結(jié)果如表3所示。為提高廢水混凝土性能，如凝結(jié)時(shí)間、坍落度和抗壓強(qiáng)度，在廢水混凝土中分別摻入體積含量0%、0.5%、1%、2%、3%的木纖維，該木纖維由鄭州利興化工產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)，其長度約為2～6 mm，密度為930 kg/m3。

1.2 設(shè)備

坍落度測(cè)試儀，河北華旺試驗(yàn)設(shè)備有限公司；萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，長春市智能儀器設(shè)備有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

按照表2 的配合比及GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》制備尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方體試件，共計(jì)18 塊。其中3 塊試件為普通飲用水制備而成，作為對(duì)照樣，性能參數(shù)取其平均值如表3 所示。另外15 塊混凝土試件為廢水制備而成，按照5 種配合比分別進(jìn)行試驗(yàn)。初凝時(shí)間、終凝時(shí)間按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，即分別根據(jù)混凝土貫入阻力為3.5、28 MPa時(shí)的時(shí)間確定[21-22]。采用坍落度測(cè)試儀與萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)試坍落度與抗壓強(qiáng)度，其中坍落度測(cè)試參照GB 50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》，抗壓強(qiáng)度測(cè)試參照GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[23-25]。

表1 水泥成分Tab.1 Composition of cement

表2 混凝土配合比Tab.2 Proportion of concrete / (kg·m-3)

表3 混凝土基本性能(普通飲用水制備)Tab.3 Basic properties of concrete (preparation of ordinary drinking water)

2 結(jié)果與分析

2.1 凝結(jié)時(shí)間變化

分別測(cè)試摻入0%、0.5%、1%、2%、3%木纖維的廢水拌制的混凝土凝結(jié)時(shí)間，結(jié)果如圖1 所示。未摻入木纖維時(shí)，用廢水拌制的混凝土初凝和終凝時(shí)間分別為4.9 h和10.5 h，比普通飲用水拌制的混凝土初凝和終凝時(shí)間長（見表3），分別為1.09 倍和1.04 倍。這主要因?yàn)閺U水中存在大量的化學(xué)成分，使水泥中的化學(xué)反應(yīng)改變，減緩了水泥水化的反應(yīng)過程，減緩了凝結(jié)時(shí)間。

此外，伴隨木纖維摻量的增加，混凝土的凝結(jié)時(shí)間逐漸減小。當(dāng)木纖維的體積摻量為3%時(shí)，混凝土的初凝時(shí)間為3.8 h，終凝時(shí)間為9.2 h；當(dāng)木纖維摻量為2%時(shí)，混凝土初凝時(shí)間為3.9 h，終凝時(shí)間為9.4 h；當(dāng)木纖維摻量為1%、0.5%時(shí)，混凝土初凝時(shí)間分別為4.4、 4.6 h，終凝時(shí)間分別為9.8、10.2 h。纖維的摻入能夠加速水泥的水化和硬化，使新拌混凝土能在較短時(shí)間內(nèi)保持塑性，起到快凝的效果。

對(duì)比用廢水與飲用水分別攪拌配制的混凝土凝結(jié)時(shí)間可知，當(dāng)摻入量為0.5%以上的木纖維時(shí)，二者凝結(jié)時(shí)間性能相當(dāng)。因此，摻入0.5%的木纖維可以改善廢水混凝土的性能，實(shí)現(xiàn)廢物利用。

圖1 凝結(jié)時(shí)間的變化Fig.1 Variation in condensation time of concrete

2.2 坍落度變化

對(duì)未摻入木纖維及不同木纖維摻量的廢水拌制的混凝土坍落度進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖2 所示。由圖2可見，未摻入木纖維時(shí)，廢水?dāng)嚢枧渲频幕炷? d和28 d的坍落度分別為97 mm和86 mm，大于普通飲用水?dāng)嚢枧渲频幕炷撂涠取Ｖ饕蛟谟?，廢水中存在的氯離子和硫酸根離子等腐蝕性化學(xué)成分會(huì)滲透至混凝土內(nèi)部，使混凝土內(nèi)部孔隙發(fā)生改變、破壞，混凝土孔隙率變大，坍落度隨之增大。

由圖2 可得出，隨著木纖維摻量的增加，混凝土坍落度逐漸減小。木纖維摻量分別為3%、2%、1%、0.5%時(shí)，混凝土養(yǎng)護(hù)7 d后的坍落度分別為81、86、90、94 mm，養(yǎng)護(hù)28 d后的坍落度分別為70、75、79、83 mm。這是因?yàn)槔w維的摻入能夠填補(bǔ)混凝土的內(nèi)部孔隙，提高混凝土的密實(shí)性，進(jìn)而減少了混凝土的坍落度。

對(duì)比廢水與飲用水（表3）攪拌配制而成的兩種混凝土坍落度，當(dāng)木纖維摻入量大于1%時(shí)，廢水?dāng)嚢枧渲贫傻幕炷撂涠刃阅苤笜?biāo)好于用飲用水?dāng)嚢枧渲瞥傻幕炷痢Ｒ虼?，利用廢水時(shí)，可摻入1%的木纖維來改善混凝土的性能，使其與普通混凝土的耐久性能相當(dāng)。

圖2 坍落度的變化Fig.2 Variation in slump strength of concrete

2.3 抗壓強(qiáng)度

對(duì)未摻入木纖維及不同木纖維摻量的廢水拌制混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖3 所示。未摻入木纖維時(shí)，由廢水?dāng)嚢枧渲贫傻幕炷? d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別為29.8 MPa和42.5 MPa，均小于普通飲用水?dāng)嚢枧渲贫傻幕炷粒ū?）。這是因?yàn)閺U水中雜質(zhì)含量多，破壞了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度。

隨著木纖維摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度也逐漸增大。當(dāng)木纖維摻量分別為0.5%、1%、2%、3%時(shí)，混凝土養(yǎng)護(hù)7 d后的抗壓強(qiáng)度分別為33.2、36.5、39.1、41.3 MPa，養(yǎng)護(hù)28 d后的抗壓強(qiáng)度分別為46.7、49.2、52.6、54.4 MPa。纖維屬于活性礦物摻合料，能夠加快混凝土內(nèi)部水泥水化，即火山灰反應(yīng)，從而提高混凝土的密實(shí)性，增大混凝土的抗壓強(qiáng)度。

對(duì)比廢水與飲用水?dāng)嚢枧渲贫傻膬煞N混凝土的抗壓強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)木纖維摻量大于2%時(shí)，二者抗壓強(qiáng)度值相當(dāng)。因此，摻入2%的木纖維可以保證廢水混凝土與普通混凝土的力學(xué)性能相同，從而實(shí)現(xiàn)廢物循環(huán)利用。

圖3 抗壓強(qiáng)度的變化Fig.3 Variation in compressive strength of concrete

3 結(jié)論

研究廢水作為混凝土攪拌水二次利用，為減少廢水對(duì)混凝土性能的損失，在混凝土中摻入不同量的木纖維，通過與普通自來水?dāng)嚢璧幕炷翆?duì)比，分析混凝土的凝結(jié)時(shí)間、坍落度和抗壓強(qiáng)度的變化，得到以下結(jié)論：隨著木纖維摻量的增加，廢水拌制的混凝土凝結(jié)時(shí)間和坍落度逐漸減小，抗壓強(qiáng)度逐漸增大。從凝結(jié)時(shí)間角度，木纖維的摻入量大于0.5%時(shí)，可獲得與普通自來水拌制的混凝土相同的性能。對(duì)于坍落度與抗壓強(qiáng)度，木纖維的摻入量應(yīng)分別大于1%和2%。綜合試驗(yàn)結(jié)果，考慮到混凝土的抗壓強(qiáng)度是工程結(jié)構(gòu)中重要的性能指標(biāo)之一，因此建議木纖維摻量在2%以上。