摻工業(yè)廢渣水泥砂漿的力學性能及護筋特性研究

黃康華，林偉鑫，黃明輝，黃杰豪，龐雍晟，李庚英

（華南農業(yè)大學 水利土木學院，廣東 廣州 510642）

0 前言

利用具有火山灰活性的工業(yè)固體廢渣代替消耗大、能耗高的水泥，不但節(jié)約資源能源、防止環(huán)境污染，還能提高混凝土的耐久性[1-2]，一直是國內外的研究熱點。據統(tǒng)計，我國粉煤灰的利用率達75%、煤矸石的利用率為72.2%、廢石膏的利用率為60%，而同樣具有火山灰性質的陶瓷廢渣在我國的利用率只有13%左右[3-8]。大量的陶瓷廢渣采用直接丟棄填埋，占用大量土地資源，造成嚴重的環(huán)境污染和資源浪費。Turner[4]研究發(fā)現，陶瓷廢料堆積的海灘污泥中的重金屬Pb含量提高了13~35倍。我國是世界最大的陶瓷生產國，陶瓷年產量超過100億m2[5]，每年天然礦物資源消耗量約2億t，每年產生的陶瓷廢料超過1800萬~2000萬t[6]。陶瓷廢渣粉用于混凝土不但可以保護環(huán)境、節(jié)約資源，還能提高混凝土的耐久性、顯著降低成本[7-8]。Mostafa Samadi等[9]的研究表明，當陶瓷廢渣取代量為50%時，水泥砂漿的造價降低24.5%，因此有必要加大陶瓷廢渣粉的利用率。

陶瓷廢渣的主要成分為SiO2和Al2O3，具有一定的火山灰活性，可以代替少量水泥使用[10]。Mohit[8]研究了摻5%~25%陶瓷廢渣粉的砂漿強度發(fā)展規(guī)律，發(fā)現陶瓷廢渣粉的取代率為10%時，砂漿的28 d抗壓和抗折強度較未摻分別提高了9.8%和17%；過多的陶瓷廢渣粉將降低砂漿的力學性能，當廢渣取代率為25%時，砂漿的28 d抗壓和抗折強度較未摻分別降低12%和11%。同樣，El-Dieb等[11]的研究表明當陶瓷廢渣粉的取代量10%時，混凝土的7 d和28 d抗壓強度較未摻分別提高了9.5%和6.5%；而當陶瓷廢渣粉為30%時，混凝土的7 d和28 d力學性能分別降低了30%和12%。根據Amitkumar D.Raval等[10]的研究結果可知，當陶瓷廢渣粉的取代率超過20%時，混凝土的力學性能顯著降低。陶瓷廢渣粉取代量過大會降低水泥混凝土的力學性能，一方面，是由于其活性較低，在常規(guī)條件下難以激發(fā)SiO2和Al2O3的二次水化反應；另一方面，是由于陶瓷廢渣粉具有吸水性大、棱角多、流動性差等缺陷，材料分布不均勻，整體性能差[8]。

為了提高陶瓷廢渣的利用率，本文利用粉煤灰具有吸水性小、堆積效應好、流動性好以及可以形成非均相成核[12]等特點，將陶瓷廢渣粉和粉煤灰混合使用，研究大摻量混合廢渣（總取代率為50%~75%）對砂漿的力學性能、吸水率和護筋特性的影響規(guī)律，得出合理配比。同時利用SEM測試分析砂漿的微觀結構，初步分析作用機理。

1 試 驗

1.1 原材料

陶瓷廢渣粉：潮安環(huán)爾保廢棄回收公司；水泥：海螺牌P·O42.5水泥，密度3.04 g/cm3，比表面積≥300 m2/kg，標準稠度用水量為27.8%，初、終凝時間分別為142、203 min，28 d抗壓、抗折強度分別為49.2、8.5 MPa；粉煤灰：Ⅱ級，細度9.4%，需水量比為93%，燒失量2.1%，含水率0.5%。原材料主要成分如表1所示。

表1 原材料的主要化學成分 %

1.2 儀器設備

JEOL-6390掃描電鏡，萬能試驗機，電熱鼓風干燥箱，JJ-5型行星式水泥膠砂攪拌機，膠砂振動臺，三聯模具（40 mm×40 mm×160 mm），常壓濕熱養(yǎng)護箱（最高溫度97℃），加壓養(yǎng)護箱（壓力0.8 MPa），天平，量筒，溫度計，恒壓直流電源等。

1.3 試驗方法

不同陶瓷廢渣粉摻量砂漿的配比如表2所示，其中廢渣粉為陶瓷廢渣粉和粉煤灰按1∶1的質量比均勻混合而成。按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》制備試樣，并進行力學性能測試，采用標準養(yǎng)護方式對試件養(yǎng)護7 d，然后在自然條件下養(yǎng)護28 d。

表2 高摻量廢渣粉砂漿的配比

吸水性采用毛細水系數測試方法，試樣尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，常溫養(yǎng)護28 d后置于電熱恒溫鼓風干燥箱中60℃烘干24 h，試件冷卻至室溫后，在試件4個側面涂抹防水劑。在試件浸沒水中至規(guī)定時間后，記錄其質量變化。

鋼筋耐腐蝕性能測試方法圖1所示[13]，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試驗原理為電化學快速腐蝕，即電解池反應原理，此加速銹蝕試驗裝置包括直流電源、電流采集系統(tǒng)、應變采集系統(tǒng)、裝有質量分數為5%的NaCl溶液的水槽、陰極銅網、試塊、絕緣塑料條、計算機1臺。當反應進行7 d后，關閉電源，取出試件，對該立方體試件進行抗壓強度測試。抗壓強度測試完成后，取出試件內銹蝕的鋼筋，除去鋼筋所有銹跡后使用電子天平稱量，并與銹蝕試驗前鋼筋質量進行對比。

圖1 鋼筋電化學加速腐蝕測試裝置

2 結果與討論

2.1 微觀結構

采用掃描電鏡觀察分析了CFC50、CFC60和CFC70（摻50%、60%和70%廢渣粉）養(yǎng)護28 d后砂漿的微觀形貌，如圖2所示。

圖2 不同廢渣粉摻量砂漿的SEM照片

從圖2可以觀察到，廢渣粉摻量顯著影響砂漿的微觀結構。當廢渣粉的摻量為50%（CFC50）時，砂漿的微觀結構密實，未觀察到大的孔洞、裂縫和未水化的球狀顆粒（粉煤灰）。這一結果表明，當水泥用量為50%時，其水化產物氫氧化鈣可以有效激發(fā)50%的廢渣粉。從圖2（b）可以觀察到較多的球狀顆粒，表明當水泥用量為40%時，其水化產物氫氧化鈣在養(yǎng)護28 d后未能充分激發(fā)60%的廢渣粉。但是，CFC60依然具有較理想的微觀結構，未觀察到孔洞和裂縫，而且粉煤灰顆粒與水泥石粘結緊密，還能觀察到大量的纖維狀晶體。而當廢渣粉摻量達70%時，砂漿內部存在大量的孔洞、裂縫和未反應的粉末顆粒，而且粉煤灰顆粒與水泥石界面之間的粘結差。

2.2 廢渣粉摻量對砂漿力學性能影響（見表3）

表3 廢渣粉摻量對砂漿力學性能影響

由表3可知，砂漿28 d抗壓和抗折強度均隨著廢渣粉摻量的增加先提高后降低。對抗壓強度而言，當廢渣粉摻量為55%時（CFC55），砂漿的28 d抗壓強度達到最大值，為47.80 MPa，當廢渣粉摻量為60%時（CFC60），其28 d抗壓強度降低到38.38 MPa。而后，隨著廢渣粉摻量進一步增加，砂漿的抗壓強度顯著降低，CFC65、CFC70、CFC75的抗壓強度分別比CFC55降低了46.6%、39.9%、42.3%。

對抗折強度而言，廢渣的最佳摻量為60%（CFC60），而后隨著廢渣粉摻量的增加，抗折強度顯著降低，CFC65、CFC70、CFC75的抗折強度比CFC60分別降低33.3%、24.6%、24.1%。綜合抗壓強度、抗折強度和SEM分析結果可知，廢渣粉摻量為55%~60%時，具有較好的二次水化效應、形態(tài)效應和填充效應，在盡可能利用固體廢渣的情況下，混合廢渣的用量可達60%。

2.3 毛細孔吸水性能

毛細孔吸水性能反應了水泥基材料內部的毛細孔含量及孔結構分布狀況，孔隙率越大、連通孔越多，則毛細孔吸水率越高，毛細孔吸水系數k就越大。其中毛細孔吸水系數k可以采用式（1）計算[14]：

式中：Q——試件吸水量，g；

A——試件吸水表面積，m2；

t——試件吸水時間，s；

k——試件毛細吸水系數，g/（m2·s1/2）

不同廢渣粉摻量砂漿的毛細孔吸水性能測試結果如圖3所示。

圖3 廢渣粉摻量對砂漿吸水性的影響

由 圖3可 知，CFC50、CFC55、CFC60、CFC65、CFC70和CFC75的毛細孔吸水系數k值分別為3.2、3.1、4.6、8.4、12.8、14.1 g/（m2·s1/2）。相 對CFC50而 言，CFC55、CFC60、CFC65、CFC70和CFC75的毛細孔吸水系數k值分別增加了-0.03、0.44、1.62、3.0和3.4倍。廢渣粉對吸水性的影響與力學性能基本一致，即砂漿的吸水性隨著廢渣粉摻量的增加而增加。在所有砂漿中，CFC55的毛細吸水系數k值最小，因此具有最高的抗壓強度；當廢渣粉摻量為50%~60%時，砂漿的吸水量極小，這是由于CFC50和CFC60均具有較密實的微觀結構。

2.4 護筋性能

鋼筋混凝土結構是當今應用范圍最廣的結構形式之一，因為鋼筋腐蝕造成的損失巨大[15-17]。2002年，美國國會指出，每年因鋼筋混凝土結構失效導致的直接經濟損失達37.9億美元[18]。英國環(huán)保部門稱，英國每年鋼筋混凝土構筑物的維修費用高達5.5億英鎊[19]。我國每年因鋼筋混凝土結構破壞、劣化所造成的經濟損失約占國內生產總值的3%～4%，其中沿海地區(qū)混凝土結構失效帶來的損失超過3000億元。因此，獲得具有優(yōu)良護筋性能的保護層，可以提高鋼筋混凝土的耐腐蝕性能，有效避免因結構失效而造成的巨大經濟損失和人員傷害[20-21]。

表4是不同廢渣粉摻量的鋼筋混凝土的腐蝕特征，其中鋼筋質量損失率及保護層的抗壓強度損失率均為7 d電化學加速腐蝕測試結果。

表4 加速腐蝕鋼筋損失率及保護層強度損失率

由表4可知，廢渣粉摻量影響鋼筋的腐蝕性能，鋼筋質量損失率和保護層強度損失率均隨著廢渣粉摻量的增加開始增大而后逐步減小。對鋼筋質量損失而言，廢渣粉的合理摻量為60%（CFC60），7 d加速腐蝕后鋼筋的質量損失率僅為0.21%，過多的摻入廢渣粉，會加速鋼筋腐蝕，而當摻量為70%時（CFC70），鋼筋質量損失率達到最大值，8.24%。對保護層強度損失而言，廢渣粉的合理摻量為60%，經過7 d電化學加速腐蝕后，保護層的強度提高了28.6%；而摻70%廢渣時，保護層強度降低了10.1%。

鋼筋腐蝕影響保護層性能，因為鋼筋銹蝕產物的體積是本體體積的1~8倍，少量的銹蝕產物可以填充界面及保護層中的孔洞和裂縫，提高鋼筋混凝土整體力學性能，CFC60抗壓強度提高了28%就是這一原因造成的。而過多的銹蝕產物將引起保護層膨脹破壞，顯著降低其力學性能。另外，如圖3所示，在所有鋼筋腐蝕測試樣品中，CFC70的毛細吸水系數k值最大，其孔隙率最高，因此如表4所示，CFC70中的鋼筋腐蝕速率最大，保護層強度損失最多。

3 結論

（1）當廢渣粉總摻量分別為55%和60%時，砂漿具有最高的抗壓和抗折強度，28 d抗壓、抗折強度分別為47.8、6.3 MPa。

（2）廢渣粉摻量顯著影響砂漿的吸水性，當廢渣粉摻量為50%和60%時，砂漿的吸水性能基本相同，過多的廢渣粉將顯著提高砂漿的吸水性能。

（3）當廢渣摻量為60%，砂漿具有較好的護筋性能，7d電化學腐蝕鋼筋損失率僅為0.21%，保護層強度提高了28.6%；而摻70%廢渣時，鋼筋質量損失率為8.24%，保護層強度降低了10.1%。

（4）SEM分析表明，摻50%和60%廢渣粉的砂漿均具有較密實的微觀結構。其中摻60%廢渣粉中的未水化顆粒較多，但是其內部存在較多的纖維狀晶體和良好的水泥石/廢渣粉顆粒的界面性能。

（5）綜合力學性能、耐久性、經濟效益和環(huán)境效應，陶瓷廢渣粉和粉煤灰總摻量可達60%。