協(xié)同利用鋸泥、粉煤灰等固體廢棄物制備混凝土

張銀虎,周麗云,劉芳

(蘇州中材建設(shè)有限公司,江蘇 昆山 215300)

鋸泥是花崗巖石材加工過(guò)程中留存的大量粉狀固體廢棄物[1]。如果長(zhǎng)時(shí)間大量堆積會(huì)對(duì)大氣、土壤及水體造成很大污染。鋸泥的主要化學(xué)成分有SiO2、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等[2]。其中二氧化硅為主,比例在60%以上,此化學(xué)組成適用于大部分的建筑材料,尤其是在混凝土、砂漿、自流平、玻璃等行業(yè)可大量使用[3]。粉煤灰和脫硫石膏是火力發(fā)電產(chǎn)生的固體廢棄物,將三者按一定比例進(jìn)行混合,通過(guò)加入膠凝材料,基于物理及化學(xué)雙重密實(shí)理論,制備多主分的鋸泥混凝土。通過(guò)調(diào)整膠凝材料組成及比例關(guān)系獲得最佳鈣礬石生成量及生成速度,填充孔隙提高密實(shí)度,獲得性能優(yōu)良的鋸泥混凝土材料,其力學(xué)性能符合C30等級(jí)要求[4]。

1 實(shí)驗(yàn)

采用花崗巖石材鋸泥,本文中其作為主要固體廢棄物消耗量,用量不低于60%。粉煤灰來(lái)自山東某火力發(fā)電廠,符合GB/T 1956—2005規(guī)定的Π級(jí)灰品質(zhì)指標(biāo)要求。所采用的脫硫石膏來(lái)自同一家火力發(fā)電廠,顆粒級(jí)別為0.150 mm(100目)篩篩余后的粉末,且經(jīng)過(guò)75 ℃烘干處理。三種主要原料的化學(xué)組成見(jiàn)表1～3。

表1 花崗巖鋸泥化學(xué)組成

表2 粉煤灰化學(xué)組成

表3 脫硫石膏化學(xué)組成

所使用的膠凝材料為中聯(lián)水泥有限公司所產(chǎn)的PO 42.5普通硅酸鹽水泥。為了調(diào)整凝結(jié)時(shí)間,加入了該水泥有限公司所產(chǎn)的R.SAC42.5硫鋁酸鹽水泥。兩種水泥的化學(xué)成分見(jiàn)表4,力學(xué)性能見(jiàn)表5。

表4 普通硅酸鹽水泥及硫鋁酸鹽水泥的化學(xué)成分

表5 普通硅酸鹽水泥及硫鋁酸鹽水泥的力學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)步驟:按照實(shí)驗(yàn)配比稱(chēng)取粉料,倒入攪拌機(jī)中,干拌1～3 min后加水,繼續(xù)攪拌3～5 min。將攪拌好的混合料制備成混凝土試塊,試驗(yàn)采用兩種成型方法:第一種采用靜壓震動(dòng)成型,混凝土表面壓強(qiáng)為(5±0.05) kPa,采用規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm的立方體鑄鋼三聯(lián)試模。套模預(yù)先清理干凈,均勻涂上脫模劑,裝入混凝土拌合物后,插搗、振動(dòng)一直持續(xù)至荷重塊不再明顯下降。第二種采用靜壓成型方法,成型壓強(qiáng)為17 MPa,采用規(guī)格為200 mm×100 mm×50 mm的鋼模擠壓成型。試件成型后立即脫模,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的自然養(yǎng)護(hù)后移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下繼續(xù)養(yǎng)護(hù),直到測(cè)試齡期論文采用的主要性能測(cè)試如下:

1.1 抗壓強(qiáng)度

所制得的混凝土試樣經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)后在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中,試樣各邊長(zhǎng)度公差不能超過(guò)±1 mm。試樣的抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式按(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

其中:C—混凝土試件抗壓強(qiáng)度,MPa;

P—試樣破壞荷載壓力,N;

A—試件承壓面積,mm2。

論文根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),將3個(gè)試樣測(cè)試的算術(shù)平均值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度。如果3個(gè)測(cè)試值中的最大值或最小值與中間值超過(guò)15%,則取中間值作為該組試樣的抗壓強(qiáng)度值。如果最大值與最小值與中間值的差值均超過(guò)15%,則該試件測(cè)試結(jié)果作廢。

1.2 吸水率

將制備好的試樣放入溫度(105±5) ℃的干燥箱內(nèi)進(jìn)出烘干。每干燥4 h稱(chēng)量一次,直到兩次測(cè)量差小于0.1%時(shí),得出試樣干燥狀態(tài)下的質(zhì)量(m0)。

將烘干后的試樣浸泡在(20±3) ℃的水中(24±0.5) h。取出試樣后去除其表面附著水,稱(chēng)量浸水后試樣的質(zhì)量(m1)。吸水率的計(jì)算見(jiàn)式(2):

(2)

式中:W—試樣吸水率,%;

m0—試樣干燥質(zhì)量,g;

m1—試樣吸水24 h后的質(zhì)量,g。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試三次,求其平均值,即為該試樣的表觀吸水率。

1.3 表觀密度

干表觀密度按式(3)計(jì)算:

(3)

式中:ρ0—試件表觀密度,kg/m3;

m0—試樣干燥質(zhì)量,kg;

V——試件自然狀態(tài)體積,m3。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用三次試樣得出結(jié)論的算術(shù)平均值。

1.4 抗凍性

實(shí)驗(yàn)前4 d將混凝土試件浸泡在(20±2) ℃的飽和石灰水中,4 d后進(jìn)行凍融實(shí)驗(yàn)。每次凍融循環(huán)按照要求要在24 h內(nèi)完成。凍融結(jié)束時(shí)試件的溫度控制在(-18±2) ℃和(5±2) ℃。每25次凍融循環(huán)后進(jìn)行一次稱(chēng)重?？箖鲂砸?xún)鋈谘h(huán)50次質(zhì)量損失率進(jìn)行表征。實(shí)驗(yàn)以3個(gè)試樣的算術(shù)平均值為測(cè)試結(jié)果。

2 鋸泥混凝土基礎(chǔ)配比研究

實(shí)驗(yàn)選取的四個(gè)因素分別為粉煤灰、石膏、鋸泥+環(huán)保砂及水的摻量。粉煤灰的摻入量三個(gè)水平的設(shè)計(jì)量為200,250,300 kg/m3;脫硫石膏摻入量三個(gè)水平的設(shè)計(jì)量為10,15,20 kg/m3;鋸泥+環(huán)保砂摻入量三個(gè)水平的設(shè)計(jì)量為1 400,1 500,1 800 kg/m3;水摻入量三個(gè)水平的設(shè)計(jì)量為100,150,200 kg/m3。

論文設(shè)計(jì)了4因素3水平正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,如表6。

表6 實(shí)驗(yàn)正交設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)材料干拌1 min后,先用震動(dòng)靜壓成型,然后加水繼續(xù)攪拌3 min。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,震動(dòng)頻率2 860次/min,壓強(qiáng)為5 kPa,震動(dòng)成型時(shí)間為3 min。成型后立即脫模,放入溫度為(20～1) ℃、濕度≥95%的標(biāo)準(zhǔn)保養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù),試驗(yàn)期為28 d。

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)方案,設(shè)計(jì)了9組試件,測(cè)試試件的抗壓強(qiáng)度與表觀密度,見(jiàn)表7。

表7 混凝土試件抗壓強(qiáng)度與表觀密度

表8為混凝土試件28 d抗壓強(qiáng)度及表觀密度極差分析。由表7與表8分析得出,各因素中對(duì)鋸泥混凝土材料力學(xué)性能影響最大的是石膏摻量,其次是粉煤灰的替代量,影響最小的是鋸泥含量。而對(duì)表觀密度影響最大的則是鋸泥含量,影響最小的是粉煤灰的替代量。同時(shí),通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),試樣的表觀密度與抗壓強(qiáng)度兩個(gè)參數(shù)之間沒(méi)有直接的關(guān)系,也即制備的固廢混凝土的抗壓強(qiáng)度并未出現(xiàn)隨表觀密度的增大而增加。根據(jù)極差分析優(yōu)化結(jié)果,確定鋸泥混凝土的基礎(chǔ)配比,石膏摻量水平為2,粉煤灰摻量水平為1,水灰比水平2,鋸泥摻量水平2。

表8 混凝土試件28 d抗壓強(qiáng)度及表觀密度極差分析

3 鋸泥擠壓混凝土性能優(yōu)化配比研究

根據(jù)上述基礎(chǔ)配比研究,調(diào)整各固體物料組成比例,對(duì)鋸泥混凝土的綜合性能進(jìn)行優(yōu)化。此處采用擠壓成型(靜壓力為17 MPa)的形式,試塊的尺寸為500 mm×100 mm×200 mm。成型后進(jìn)行混合養(yǎng)護(hù),自然養(yǎng)護(hù)的溫度為(20±5) ℃,濕度為30%～40%;標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)在水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中完成。壓制成型的混凝土試塊見(jiàn)圖1。

圖1 壓制成型的混凝土試塊

通過(guò)上面的分析發(fā)現(xiàn)粉煤灰替代量和脫硫石膏摻量對(duì)混凝土試件的強(qiáng)度影響較大,因此,確定膠凝材料組分中粉煤灰替代量和石膏的最佳摻量成為必然。

圖2給出的是粉煤灰摻量對(duì)鋸泥混凝土試塊28 d抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律。

圖2 粉煤灰摻量比對(duì)鋸泥混凝土28 d抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律

由圖2可以看出,未摻入粉煤灰時(shí),鋸泥混凝土28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)45 MPa;粉煤灰摻量從10%增加至60%的過(guò)程中,鋸泥混凝土28 d強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)。當(dāng)摻量為10%時(shí),混凝土強(qiáng)度高于未摻粉煤試樣,達(dá)46 MPa。當(dāng)粉煤灰摻量高于30%時(shí),混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)大幅下降,而當(dāng)粉煤灰摻量為60%時(shí),混凝土28 d的強(qiáng)度低于30 MPa,不滿(mǎn)足要求。

圖3給出的是脫硫石膏摻量對(duì)鋸泥混凝土試塊28 d抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律。由圖可以看出,當(dāng)摻量比從0增至4%的過(guò)程,隨著摻量的增加,混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。在摻量為4%的時(shí)候達(dá)到最大值,混凝土抗壓強(qiáng)度較未摻脫硫石膏混凝土強(qiáng)度增加約20%。當(dāng)摻量超過(guò)4%以上,混凝土試塊強(qiáng)度隨脫硫石膏摻入量的增加而降低;當(dāng)摻量達(dá)到8%時(shí),鋸泥混凝土膨脹開(kāi)裂,抗壓強(qiáng)度為0。由此可見(jiàn),適量石膏對(duì)鈣礬石在膠凝系統(tǒng)中的生成有促進(jìn)作用,對(duì)硬化的強(qiáng)度也有提高作用。但摻量過(guò)高,硬化體中生成的鈣礬石量過(guò)大,導(dǎo)致體積穩(wěn)定性變差,硬化體出現(xiàn)膨脹裂縫,強(qiáng)度降低。

圖3 脫硫石膏摻入比例對(duì)鋸泥混凝28d抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律

4 結(jié)論

以鋸泥、粉煤灰、脫硫石膏等固體廢棄物為主要集料,通過(guò)加入硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料,采用振動(dòng)成型、擠壓成型兩種形式制備了不同配比的混凝土試塊。實(shí)驗(yàn)得到了鋸泥混凝土基礎(chǔ)配比,并對(duì)配比進(jìn)行了優(yōu)化,最終得到了符合C30標(biāo)準(zhǔn)的混凝土配比分別為:普通硅酸鹽水泥(425水泥)320～350 kg/m3,II級(jí)低鈣粉煤灰310～350 kg/m3,硫鋁酸鹽水泥10～50 kg/m3,脫硫石膏25～40 kg/m3,環(huán)保砂0～500 kg/m3,鋸泥1 150～1 300 kg/m3,水145～180 kg/m3。研究了攪拌時(shí)間、攪拌過(guò)程、加水方式等因素對(duì)混凝土拌合物均勻性及硬化體力學(xué)性能的影響,得到了最佳的制備工藝參數(shù)為干料預(yù)拌時(shí)間為3 min,采用淋水法效果最好。