廢棄牡蠣殼制備透水混凝土的試驗(yàn)研究

張思雨，于琦，劉桂賓，張啟文，全洪珠

（1.青島青建新型材料集團(tuán)有限公司，山東 青島 266109；2.青建集團(tuán)股份公司，山東 青島266001；3.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 青島 266109）

0 引言

我國為牡蠣養(yǎng)殖大國，占全球牡蠣養(yǎng)殖的80%，每年產(chǎn)生超過300 t的廢棄牡蠣殼[1-2]，目前，除了一小部分牡蠣殼被用于制家禽、牲畜飼料和入藥外，其它絕大部分被直接丟棄到海岸、道路兩旁等公共場所，占用土地的同時(shí)，腐爛的牡蠣肉釋放出刺鼻的臭味，并且會滋生大量的有害細(xì)菌，給我國水土資源和自然環(huán)境帶了許多負(fù)面影響[3-4]。與此同時(shí)，建筑業(yè)每年碳排放量約占全國總碳排放量的50%，其中水泥行業(yè)作為主要碳排放來源之一，約占全國碳排放總量的13%，因此減少水泥用量是我國減少碳排放量的重要途徑[5-6]。透水混凝土所具備的特殊結(jié)構(gòu)能夠減輕環(huán)境負(fù)荷，更有助于促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)[7]。基于此，本文分別使用1～5 mm牡蠣殼顆粒和1 mm以下的牡蠣殼粉制備2種透水混凝土，研究牡蠣殼摻量對透水混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，通過SEM觀察混凝土微觀形貌，分析其影響機(jī)理，為牡蠣殼透水混凝土的實(shí)際應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

粗骨料：5～20 mm天然碎石，主要物理性能見表1；廢棄牡蠣殼：來自于青島市盤龍村莊海鮮養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的廢棄牡蠣垃圾，經(jīng)過清洗、晾曬、破碎、篩分后，得到粒徑為1～5 mm的牡蠣殼顆粒（OG）和粒徑小于1 mm的牡蠣殼粉（OP），其物理性能見表2；水泥：P·O42.5水泥，比表面積345 m2/kg，主要物理力學(xué)性能見表3；聚羧酸高效減水劑：減水率25%～35%，固含量40%；拌合水：自來水。

表1 天然粗骨料的主要物理性能

表2 牡蠣殼的主要物理性能

表3 水泥的物理力學(xué)性能

1.2 配合比設(shè)計(jì)

牡蠣殼透水混凝土配合比見表4。根據(jù)前期試驗(yàn)研究，將水膠比設(shè)定為0.3，目標(biāo)孔隙率為15%，以牡蠣殼摻量為變量，設(shè)計(jì)牡蠣殼顆粒摻量（按占骨料體積計(jì)）分別為0、10%、20%、30%制備牡蠣殼顆粒透水混凝土（Oyster shell granular permeable concrete，OGC）；將牡蠣殼粉作為再生粉體取代部分水泥，設(shè)計(jì)牡蠣殼粉摻量（等質(zhì)量取代水泥）分別為0、10%、20%、30%、40%制備牡蠣殼粉透水混凝土（Oyster shell powder permeable concrete，OPC），減水劑摻量（按占膠凝材料質(zhì)量計(jì)）通過膠砂跳桌試驗(yàn)確定，目標(biāo)擴(kuò)散直徑為180～220 mm。

表4 牡蠣殼透水混凝土的配合比

1.3 試驗(yàn)方法

經(jīng)過預(yù)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，牡蠣殼特殊的透水結(jié)構(gòu)賦予其高吸水性，會在一定程度上抑制外加劑的減水效果，因此在攪拌混凝土?xí)r，先將水泥、水和減水劑投入強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌60 s，然后再投入牡蠣殼攪拌60 s，最后投入粗骨料攪拌90 s，使混凝土拌合均勻。采用人工插搗的方式進(jìn)行裝模，24 h后拆模，將試塊置于（20±2）℃、相對濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，到規(guī)定齡期后進(jìn)行各項(xiàng)性能測試，其中透水性能按照CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行測試，力學(xué)性能按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試，孔隙率和抗壓強(qiáng)度試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，透水系數(shù)試塊尺寸為φ100 mm×50 mm圓柱體，抗拉強(qiáng)度試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 牡蠣殼透水混凝土的透水性能

透水混凝土孔隙率、透水系數(shù)測試結(jié)果如表5所示。

表5 牡蠣殼透水混凝土的孔隙率及透水系數(shù)

由表5可知，牡蠣殼透水混凝土的實(shí)際孔隙率與目標(biāo)孔隙率（15%）最大相差2.3個(gè)百分點(diǎn)，最小偏差0.2個(gè)百分點(diǎn)，平均偏差為0.8個(gè)百分點(diǎn)，各組孔隙率基本一致，與目標(biāo)孔隙率偏差均較小。各組試塊的透水系數(shù)最大為1.37 mm/s，最小為1.02 mm/s，平均為1.20 mm/s。透水性能均符合CJJ/T 135—2009的要求（孔隙率≥10%、透水系數(shù)≥0.5 mm/s）。

2.2 OGC的力學(xué)性能（見表6）

表6 牡蠣殼顆粒透水混凝土的力學(xué)性能

由表6可知，OGC的整體強(qiáng)度較低，當(dāng)牡蠣殼顆粒摻量≤10%時(shí)，OGC符合CJJ/T 135—2009中28 d抗壓強(qiáng)度≥30 MPa、28 d抗拉強(qiáng)度≥3 MPa的要求；隨著牡蠣殼顆粒摻量的增加，OGC強(qiáng)度明顯下降，牡蠣殼顆粒摻量由0增加到30%時(shí)，OGC的3 d抗壓強(qiáng)度降低了61.5%，28 d抗壓強(qiáng)度降低了41.6%，28 d抗拉強(qiáng)度降低了43.2%。顯然，牡蠣殼顆粒的摻量是影響OGC強(qiáng)度的重要因素，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[8-9]研究成果顯示，這主要是牡蠣殼其獨(dú)特的片狀透水結(jié)構(gòu)和高吸水率的原因，本試驗(yàn)所用牡蠣殼顆粒吸水率高達(dá)11.3%，這種多孔、高吸水性的物理性質(zhì)，導(dǎo)致混凝土在水化初期，部分游離的水分子被混凝土內(nèi)部的牡蠣殼顆粒吸附，從而抑制了水化反應(yīng)的進(jìn)行，使得OGC早期強(qiáng)度大大降低，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，牡蠣殼吸附的水被逐漸釋放出來，在混凝土中形成一種“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”，在一定程度上促進(jìn)了混凝土的水化作用，因此，OGC的后期強(qiáng)度下降幅度減少[10]。

另外，混凝土的強(qiáng)度與骨料的表面特征也有關(guān)系[11]，骨料按照表面特征分為：光滑、平整和粗糙，牡蠣殼顆粒具有松散片狀結(jié)構(gòu)且十分光滑的表面特征，與水泥漿體粘結(jié)效果較差，在拆模過程中出現(xiàn)較為嚴(yán)重的掉渣掉角現(xiàn)象（如圖1所示）；從圖2試塊破壞界面中也可以看到，OGC試塊破壞界面主要有2種：一種是粗骨料發(fā)生斷裂，從而引起混凝土破壞，另一種是膠結(jié)層處發(fā)生破壞，此處聚集了大量裸露在外的牡蠣殼顆粒，并沒有被水泥漿體完全包裹，從而影響OGC膠結(jié)層的粘結(jié)力，導(dǎo)致OGC強(qiáng)度隨著牡蠣殼顆粒摻量的增加而降低。

2.3 OPC的力學(xué)性能（見表7）

表7 牡蠣殼粉透水混凝土的力學(xué)性能

由表7可知，不論是使用顆粒還是粉體，隨著牡蠣殼摻量的增加，透水混凝土的力學(xué)性能均有所降低，但降幅不同，隨著牡蠣殼粉摻量由0增加到40%，OPC的3 d抗壓強(qiáng)度下降了37.7%，28 d抗壓強(qiáng)度下降了28.3%，28 d抗拉強(qiáng)度下降了24.3%，牡蠣殼摻量的負(fù)面影響明顯降低。由此可見，在試驗(yàn)水平變化范圍內(nèi)，將1～5 mm牡蠣殼顆粒替換為小于1 mm的牡蠣殼粉體后，有效改善了牡蠣殼對透水混凝土力學(xué)性能產(chǎn)生的不良影響，這說明牡蠣殼粉與水泥漿體的交融協(xié)調(diào)效果更好，更適宜制備透水混凝土，將1～5 mm牡蠣殼顆粒繼續(xù)破碎成小于1 mm的牡蠣殼粉，在一定程度上破壞了牡蠣殼顆粒松散透水、表面光滑的片狀結(jié)構(gòu)，牡蠣殼粉與水泥漿體粘結(jié)效果更好，透水混凝土的力學(xué)性能也因此有所改善。

雖然加入牡蠣殼粉會降低混凝土的強(qiáng)度，但是當(dāng)牡蠣殼摻量為30%時(shí)，OPC的28 d抗壓強(qiáng)度為30.4 MPa、28 d抗拉強(qiáng)度為3.1 MPa，仍符合透水混凝土28 d抗壓強(qiáng)度≥30 MPa、28 d抗拉強(qiáng)度≥3 MPa的力學(xué)性能要求，能夠作為主體材料制備透水混凝土。

2.4 OPC的微觀結(jié)構(gòu)分析

為了從微觀層次揭示牡蠣殼對透水混凝土強(qiáng)度的影響，對不同齡期和不同牡蠣殼粉摻量的混凝土進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知，當(dāng)牡蠣殼粉摻量為0時(shí)，透水混凝土界面較為密實(shí)，孔隙和裂縫較少，隨著牡蠣殼粉的摻入和水化反應(yīng)的進(jìn)行，透水混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)越加松散，有較多的微孔和微裂縫，并且界限明顯，界面過渡區(qū)強(qiáng)度較為薄弱，使透水混凝土的實(shí)際孔隙率增大，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能有所降低[12-13]，這與前面的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

3 結(jié)論

（1）隨著牡蠣殼摻量的增加，透水混凝土的強(qiáng)度呈降低的趨勢。

（2）與牡蠣殼顆粒相比，牡蠣殼粉與水泥漿體的粘結(jié)效果更好，對透水混凝土強(qiáng)度的負(fù)面影響相對更小，更適合用于制備透水混凝土。

（3）SEM分析發(fā)現(xiàn)，牡蠣殼與周圍的水泥石交界處有明顯的裂縫和孔隙，牡蠣殼表面光滑的特殊結(jié)構(gòu)和高吸水性使得漿體的粘結(jié)效果較差，界面較為松散，實(shí)際孔隙率有所增大，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度降低。

（4）當(dāng)牡蠣殼粉摻量≤30%時(shí)，透水混凝土的性能符合CJJ/T 135—2009的要求（孔隙率≥10%、透水系數(shù)≥0.5 mm/s、28 d抗壓強(qiáng)度≥30 MPa、28 d抗拉強(qiáng)度≥3 MPa）。