基于貝殼細(xì)料的低強(qiáng)度填充材料性能研究

王建剛，曾波，張金喜，楊玉杰，孫景鳳

（1.北京都市綠源環(huán)?？萍加邢薰?固廢研發(fā)中心，北京 102601；2.北京工業(yè)大學(xué) 交通工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

0 引言

我國(guó)貝類產(chǎn)品種類繁多，且產(chǎn)量巨大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年貝類產(chǎn)量達(dá)數(shù)千萬(wàn)t，位居世界第一[1]。與之伴隨產(chǎn)生的是大量的廢棄貝殼，每年可達(dá)1000萬(wàn)t以上。大量的廢棄貝殼由于得不到有效處理與消納而被作為固體垃圾隨意丟棄，不但占用大量土地資源，還污染環(huán)境，在一定程度上對(duì)人們的健康問(wèn)題也帶來(lái)一定威脅。

隨著環(huán)保要求的提高及人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，廢棄貝殼的再生循環(huán)利用研究受到廣泛關(guān)注。貝殼的主要成分為碳酸鈣，具備一定的附加值。目前，除少量作為裝飾品以外，貝殼還可以用于土壤修復(fù)、重金屬提取、污水處理、食品醫(yī)藥、各種添加劑等領(lǐng)域，如制備土壤改良劑、殺菌劑、吸附劑、催化劑與生物填料等[2-4]。此外，還有少數(shù)研究將貝殼替代天然砂制備水泥混凝土或水泥砂漿[5-7]，但不足之處在于替代率較低，資源化利用量較少。有研究表明[8]，當(dāng)貝殼替代天然砂的比率超過(guò)3.0%時(shí)，水泥混凝土或砂漿的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)一定程度的下降，當(dāng)替代率達(dá)到8.0%時(shí)，其工作性能損失顯著。

廢棄貝殼的資源化利用方式不斷增多，但均因?yàn)樵偕寐实?、深加工成本高、需要清洗煅燒等?fù)雜工藝而普遍存在實(shí)際消納量不足、市場(chǎng)需求低等問(wèn)題。同時(shí)在實(shí)際工程中因回填壓實(shí)不足問(wèn)題而導(dǎo)致的各類道路病害問(wèn)題較為嚴(yán)重。本研究將廢棄貝殼再生細(xì)料應(yīng)用于低強(qiáng)度水泥基填充材料中，通過(guò)測(cè)試其工作性能與力學(xué)性能來(lái)評(píng)價(jià)貝殼細(xì)料用于道路、市政等回填工程中的可行性。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，初、終凝時(shí)間分別為140、180 min，3、28 d抗壓強(qiáng)度分別為29.2、53.8 MPa，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求；粉煤灰：F類Ⅲ級(jí)，細(xì)度（0.045 mm方孔篩篩余）為35%，需水量比110%，燒失量15%，符合GB/T 1596—2005《用于水泥與混凝土中的粉煤灰》的要求；減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率20%，固含量為（20±1）%；水：自來(lái)水；貝殼細(xì)料：廢棄貝殼經(jīng)破碎篩分后制得，粒徑小于4.75 mm，其細(xì)度模數(shù)為2.0，屬于細(xì)砂，吸水率2.63%，堆積密度1237 kg/m3，表觀密度2732 kg/m3。貝殼細(xì)料的篩分結(jié)果見(jiàn)圖1，XRD圖譜見(jiàn)圖2。

圖1 貝殼細(xì)料的篩分曲線

圖2 貝殼細(xì)料的XRD圖譜

由圖1可知，貝殼細(xì)料粒徑分布主要集中于0.3~1.18 mm，這主要與貝殼自身呈薄片狀態(tài)有關(guān)。同時(shí)參考GB/T 25176—2010《混凝土和砂漿用再生細(xì)骨料》可知，從級(jí)配角度，該貝殼細(xì)料不適于制備混凝土和砂漿。由圖2可知，貝殼細(xì)料的主要成分為CaCO3和SiO2。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)[9-10]的配合比設(shè)計(jì)方法，本研究中選擇設(shè)計(jì)參數(shù)為灰砂比（水泥與貝殼細(xì)料的質(zhì)量比）與水固比，設(shè)計(jì)了16組不同配比的低強(qiáng)度填充材料，如表1所示。其中，灰砂比分別為0.04、0.08、0.12、0.16，水固比分別為0.31、0.32、0.33、0.34。通過(guò)調(diào)節(jié)貝殼細(xì)料的用量使設(shè)計(jì)密度控制在1950~2000 kg/m3，粉煤灰用量為貝殼細(xì)料質(zhì)量的20%，減水劑總摻量為水泥質(zhì)量的3.5%。

表1 低強(qiáng)度填充材料的配合比

1.3 試驗(yàn)方法

將水泥、粉煤灰、烘干后的貝殼細(xì)料按設(shè)計(jì)配比加入拌和鍋中，先干拌60 s，然后將減水劑隨拌和水一同加入進(jìn)行攪拌，再攪拌120 s后即得到低強(qiáng)度填充材料。測(cè)試新拌材料的流動(dòng)度與泌水率，然后將拌合好的材料澆筑試模，24 h后拆模并移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期后測(cè)試抗壓強(qiáng)度。

流動(dòng)度測(cè)試：參考ASTM D6103《可控性低強(qiáng)度材料的流動(dòng)連續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行，采用Φ75×150 mm空心圓柱體試模，流動(dòng)度測(cè)試如圖3所示。

圖3 流動(dòng)度測(cè)試

泌水率測(cè)試：參考ASTM C232/C232M-14《水泥混凝土泌水率標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行，所用圓柱桶試模容積約為1 L，內(nèi)壁直徑與桶高為（109±1）mm。

抗壓強(qiáng)度測(cè)試：參考ASTM D4832《控制性低強(qiáng)度材料圓柱試件標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，試件尺寸為Φ50×100 mm，采用路用材料性能檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試，加載速率為1 mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 低強(qiáng)度填充材料的流動(dòng)度

良好的流動(dòng)性是低強(qiáng)度填充材料實(shí)現(xiàn)自填充、自密實(shí)的基礎(chǔ)，也是其最典型的特征。測(cè)試了不同配比低強(qiáng)度填充材料的流動(dòng)度，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同配比低強(qiáng)度填充材料的流動(dòng)度

由圖4可見(jiàn)，相同灰砂比下，水固比越大，流動(dòng)度就越大，這與文獻(xiàn)[9]的結(jié)論基本一致。水固比越大，用水量越多，自由水含量越多，便于新拌混合材料的流動(dòng)。相同水固比下，流動(dòng)度隨灰砂比的增大呈增大的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)榛疑氨鹊脑龃笫沟盟酀{體量增加，提升對(duì)富含棱角的貝殼細(xì)料的裹覆性，減少貝殼細(xì)料之間的摩阻力，從而提高新拌材料的流動(dòng)性。為保證低強(qiáng)度填充材料具備優(yōu)越的自填充性能，其流動(dòng)度不宜小于180 mm[11]。因此，當(dāng)灰砂比為0.04時(shí)，水固比宜大于0.32；而灰砂比為0.08時(shí)，水固比宜大于0.31。

2.2 低強(qiáng)度填充材料的泌水率

泌水率過(guò)大，在一定程度上會(huì)影響水泥基材料的凝結(jié)時(shí)間，同時(shí)也會(huì)在一定程度上削弱其力學(xué)性能。測(cè)試了不同配比低強(qiáng)度填充材料的泌水率，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同配比低強(qiáng)度填充材料的泌水率

由圖5可見(jiàn)，灰砂比固定時(shí)，泌水率隨水固比的增大而增大，即增加用水量提升流動(dòng)度的同時(shí)也越容易導(dǎo)致泌水現(xiàn)象發(fā)生，因此在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，流動(dòng)度滿足工程應(yīng)用即可，不宜通過(guò)大幅增加用水量而追求過(guò)高的流動(dòng)性能。水固比固定時(shí)，泌水率隨灰砂比的增大而減小。其原因是灰砂比增大使得水泥用量增加，而水泥漿體保水性能良好，從而使得泌水率減小。當(dāng)前，關(guān)于低強(qiáng)度填充材料的泌水率問(wèn)題并未有明確的限定值，而根據(jù)文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)論可知，泌水率不大于8%時(shí)是可以被接受的。因此，本研究中除了灰砂比為0.04、水固比為0.34試驗(yàn)組外，其余組均滿足要求。

2.3 低強(qiáng)度填充材料的抗壓強(qiáng)度

測(cè)試了不同配比低強(qiáng)度填充材料在不同齡期的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同配比低強(qiáng)度填充材料的抗壓強(qiáng)度

由圖6可以看出，不同配比試件的抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而持續(xù)提高，齡期超過(guò)28 d后抗壓強(qiáng)度仍存在較為明顯的增長(zhǎng)，而超過(guò)56 d后強(qiáng)度增長(zhǎng)相對(duì)緩慢。以圖6（a）為例來(lái)說(shuō)明，水固比為0.31~0.34時(shí)，試件56 d抗壓強(qiáng)度較28 d抗壓強(qiáng)度提高了19.3%~47.0%，而90 d抗壓強(qiáng)度較56 d抗壓強(qiáng)度提高了8.2%~10.4%。這種強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律主要與膠凝材料的水化反應(yīng)特性有關(guān)。為保證低強(qiáng)度填充材料有優(yōu)良的工作性能，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)摻加了較大比例的粉煤灰，因其二次水化反應(yīng)速率較慢且持續(xù)進(jìn)行，因此抗壓強(qiáng)度在超過(guò)28 d后呈現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)。同時(shí)可以明顯看出，相同灰砂比下，水固比越大，固化后產(chǎn)生的孔隙越多，強(qiáng)度越低。相同水固比下，灰砂比越大，膠凝材料用量越多，生成的膠凝產(chǎn)物更多，強(qiáng)度就越高。

低強(qiáng)度填充材料用于道路管溝回填工程時(shí)，考慮到管道維修需要二次開(kāi)挖的可能性，其抗壓強(qiáng)度宜控制在0.3~2.1 MPa[13]。由圖6可知，為確保基于貝殼細(xì)料的低強(qiáng)度填充材料具有可開(kāi)挖性，其灰砂比不應(yīng)大于0.08，且灰砂比為0.08時(shí)，水固比不宜小于0.33。當(dāng)?shù)蛷?qiáng)度填充材料應(yīng)用于柔性路面的基層、底基層等部位時(shí)，抗壓強(qiáng)度宜控制在2.8~8.3 MPa[13]。因此，本研究中制備的低強(qiáng)度填充材料應(yīng)用于上述結(jié)構(gòu)層時(shí)，為保證其具有足夠的承載力，灰砂比不宜小于0.12。

參考文獻(xiàn)[12]中基于建筑垃圾細(xì)料制備的回填材料強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型構(gòu)建方法，以灰砂比與水固比為參數(shù)建立如式（1）所示的關(guān)系式：

式中：fc，t——試件在齡期為t時(shí)的抗壓強(qiáng)度，MPa（t=28、56、90 d）；

α——灰砂比；

β——水固比；

at、bt——對(duì)應(yīng)于齡期為t時(shí)的回歸系數(shù)。

模型擬合結(jié)果如表2所示。

表2 擬合結(jié)果

由表2可以看出，擬合的強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型R2均在0.96以上，擬合優(yōu)度較高，可以對(duì)低強(qiáng)度填充材料的強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，以及為其配合比設(shè)計(jì)提供參考。

3 結(jié)論

（1）水固比一定時(shí)，隨灰砂比的增大，低強(qiáng)度填充材料的流動(dòng)度隨之增大，泌水率減?。欢疑氨纫欢〞r(shí)，隨水固比的增大，低強(qiáng)度填充材料的流動(dòng)度與泌水率均增大。

（2）增加用水量對(duì)新拌混合材料工作性能的影響具有雙面性，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，流動(dòng)度滿足工程應(yīng)用即可，不宜通過(guò)大幅增加用水量而追求過(guò)高的流動(dòng)性能。

（3）增大灰砂比會(huì)提高低強(qiáng)度填充材料的抗壓強(qiáng)度，而增大水固比會(huì)降低其抗壓強(qiáng)度。應(yīng)用于具有二次開(kāi)挖需求的工程時(shí)，其灰砂比不宜大于0.08，當(dāng)其應(yīng)用于道路基層、底基層等部位時(shí)，其灰砂比不宜小于0.12。

（4）建立了不同齡期下低強(qiáng)度填充材料強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，可以為配合比設(shè)計(jì)提供參考。

（5）整體而言，利用貝殼細(xì)料制備低強(qiáng)度填充材料是可行的，且適用于各類填充工程，充分提高廢棄貝殼的資源化再生利用率，有效解決貝殼廢棄物消納水平低的問(wèn)題，同時(shí)解決傳統(tǒng)壓實(shí)填充材料因施工空間狹小而無(wú)法保證壓實(shí)質(zhì)量的難題，解決管道溝槽填充后因強(qiáng)度過(guò)高而檢修開(kāi)挖困難的問(wèn)題。