固體廢物在蓄水池混凝土中的抗?jié)B性能研究

摘 要：為進(jìn)一步提高水利工程蓄水池混凝土的防滲能力，本文擬采用固體廢物底灰，摻入一定比例的水泥來(lái)改善水利工程蓄水池混凝土的防滲能力，并對(duì)蓄水池混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，蓄水池混凝土隨齡期延長(zhǎng)，其抗壓強(qiáng)度逐漸增加。在養(yǎng)護(hù)3天后，蓄水池泡沫混凝土砂漿的抗壓強(qiáng)度最小，其最小值只有0.322MPa（A1），且固體廢物底灰混凝土的吸水性隨養(yǎng)護(hù)齡期增加而降低，28天后，A1摻量的混凝土吸水率最高。因此，當(dāng)固體廢物底灰摻量為A4時(shí)，蓄水池泡沫混凝土的抗?jié)B性能最佳。

關(guān)鍵詞：固體廢物底灰；水利工程；蓄水池混凝；抗?jié)B性能

中圖分類號(hào)：TV 52" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

水利工程中的蓄水池屬于地下結(jié)構(gòu)，其使用壽命與設(shè)計(jì)壽命相符，且施工周期較長(zhǎng)，對(duì)施工質(zhì)量要求高。因此，為保證蓄水池的抗?jié)B性能，通常會(huì)在混凝土中摻入一定比例的粉煤灰和礦渣粉進(jìn)行澆筑。雖然粉煤灰和礦渣粉具有較好的活性，但是其成本較高，且摻量過(guò)大會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度。因此需要使用新的固體廢物替代粉煤灰和礦渣粉，進(jìn)一步提高蓄水池混凝土中的抗?jié)B性能[1]。

隨著國(guó)家對(duì)固體廢物處置工作的重視和推進(jìn)，許多地方政府開(kāi)始進(jìn)行固體廢物處置工作。并全面推行綠色生產(chǎn)和生活方式，強(qiáng)化建筑垃圾源頭減量和資源化利用。其中，城市固體廢物焚燒底灰是廢物焚燒的副產(chǎn)品，可將體積和質(zhì)量減至原始廢物的20%以下。固體廢物底灰具有一定的活性，價(jià)格相對(duì)較低、活性較高，且強(qiáng)度也能滿足要求[2-3]。

基于此，為進(jìn)一步探究固體廢物底灰替代部分水泥后對(duì)蓄水池混凝土抗?jié)B性能的影響，并結(jié)合泡沫混凝土易施工、抗凍融性強(qiáng)、抗硫酸鹽性等特性，本文先對(duì)摻入不同比例的固體廢物底灰泡沫混凝土進(jìn)行力學(xué)分析，然后分析蓄水池泡沫混凝土抗?jié)B性能及吸水率變化。以上研究結(jié)果可為水利工程中蓄水池混凝土的施工提供參考。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文采用的是江蘇某焚燒廠的固體廢棄物底灰，其化學(xué)組成見(jiàn)表1。對(duì)固體廢棄物底灰進(jìn)行洗滌、干燥、粉碎和碾磨后，用篩將微細(xì)粉末收集在200目的（0.075mm）篩底架中。本文將比表面為800kg/m2、強(qiáng)度等級(jí)42.5的硅酸鹽水泥作為原料。根據(jù)《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法》[4-5]的要求，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究。選擇脂肪醇—聚氧乙烯醚—硫酸鈉作為單體的復(fù)合發(fā)泡劑。在發(fā)泡機(jī)中加入一定數(shù)量的發(fā)泡劑，用水稀釋60倍～80倍。在發(fā)泡機(jī)中，將稀釋劑與壓縮空氣進(jìn)行混合，使其產(chǎn)生泡沫[6]。

1.2 試驗(yàn)混凝土設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范要求，通過(guò)理論計(jì)算和相應(yīng)的試配試驗(yàn)對(duì)配合比進(jìn)行調(diào)整。蓄水池混凝土的配合比應(yīng)滿足流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度、密實(shí)度、安定性等指標(biāo)的要求，并以合理選擇原材料和節(jié)約水泥為原則。因此，本試驗(yàn)采用密度法對(duì)配合比進(jìn)行理論計(jì)算，見(jiàn)表2。

根據(jù)表2的配比進(jìn)行稱重。將發(fā)泡劑與水以1∶60的比例進(jìn)行混合、攪拌，得到泡沫液體，再將泡沫液體輸送到發(fā)泡泵中，得到預(yù)成型泡沫。將計(jì)量好的水泥與固廢底灰倒入混合器內(nèi)，干拌后加入水，再攪拌泡沫混凝土。在此過(guò)程中，加入發(fā)泡材料，充分?jǐn)嚢韬?，注入模?nèi)澆注。在灌注完畢后，用手輕搗，讓漿液充滿模具[7]。振搗時(shí)不可太大力，以免造成泡沫上浮，糊料分層。在48 h后拆模，試件分別在3天、7天、28天的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中養(yǎng)護(hù)。

按規(guī)程規(guī)定測(cè)量蓄水池混凝土的干密度。首先，在150°C的爐內(nèi)進(jìn)行高溫干燥24 h或更長(zhǎng)時(shí)間。每一個(gè)方位都要進(jìn)行6次測(cè)定，其精度要達(dá)到1mm。以此為基準(zhǔn)，各蓄水池混凝土試件的容積取其平均值。測(cè)試組的最后干密度以3個(gè)試件的平均值為準(zhǔn)[8]。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

采用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行蓄水池混凝土的力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)周期后，將蓄水池混凝土試塊置于干燥箱內(nèi)烘干。用干密度測(cè)試方法測(cè)定試樣大小，并求出水庫(kù)混凝土立方受壓表面積。將壓力測(cè)試機(jī)增壓速率設(shè)置為1kN/s。試驗(yàn)組試件的抗壓強(qiáng)度取3組連續(xù)試件的平均抗壓強(qiáng)度。

1.3.2 吸水率測(cè)試

在干燥箱內(nèi)對(duì)不同摻量比的固體廢棄物底灰試樣進(jìn)行干燥處理，并將其移至室內(nèi)干燥避光處冷卻。待試件冷卻到室溫后，稱重即可得到試件的干度。第一、二次注水深度應(yīng)為試件高的1/3、2/3。最后一遍的水要比混凝土的頂端高出30mm。在試塊浸水24h后，取下稱量，將得到的質(zhì)量作為試樣的吸水量。將這3個(gè)樣品的平均吸水量作為這組樣品的吸水率。

1.3.3 滲透試驗(yàn)

根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GB/T 50082—2009），在室溫（20±2）℃、濕度（50±10）%的條件下，將其置于蒸餾水中2天，使其達(dá)到吸收飽和狀態(tài)，并測(cè)定其抗?jié)B能力。

2 結(jié)果與討論

2.1 蓄水池泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度變化分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同摻量的底灰條件下，蓄水池泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增加而增加。在3天養(yǎng)護(hù)條件下，蓄水池泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，僅為0.322MPa（A1），在沒(méi)有底灰的情況下，水泥基材料中存在大量的孔隙，使混凝土的抗壓強(qiáng)度偏低。7天后，其抗壓強(qiáng)度逐步增加，最小值為0.413MPa，比3天時(shí)增加1.394MPa，表明隨著底灰用量增加，蓄水池泡沫混凝土的水化產(chǎn)物增加，且會(huì)進(jìn)一步加快混凝土中水泥的水化速率，使混凝土早期強(qiáng)度提高，將底灰摻入混凝土后，蓄水池泡沫混凝土具有較高的密實(shí)度和較高的抗壓強(qiáng)度。28天后，抗壓強(qiáng)度提高最快[9]。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著固廢底灰摻量增加，蓄水池泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，因?yàn)榈谆业膿饺肓窟^(guò)大，容易造成底灰之間相互堆疊，所以制約了水泥的活性，且當(dāng)?shù)谆覔搅窟^(guò)多時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)降低，會(huì)發(fā)生泌漿等現(xiàn)象，蓄水池泡沫混凝土中過(guò)剩的自由水會(huì)因水化反應(yīng)的熱能蒸發(fā)，從而形成大量的毛孔縫。同時(shí)，底灰中含有大量的堿性物質(zhì)，這些堿性物質(zhì)與水泥水化生成的鈣礬石產(chǎn)生反應(yīng)，生成硅酸鈣和鋁酸三鈣，使混凝土中的水泥水化反應(yīng)減緩。在3天、7天和28天，底灰摻量為A4時(shí)，其最大抗壓強(qiáng)度比A1降低了332.91%、307.0%、245.0%。蓄水池泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度如圖1所示。

2.2 蓄水池泡沫混凝土吸水率變化分析

圖2是對(duì)不同比例的固體廢棄物底灰混凝土進(jìn)行吸水試驗(yàn)的結(jié)果。蓄水池泡沫混凝土的吸水率隨底灰增加而降低，其中，底灰摻量A4最小，當(dāng)?shù)谆覔搅砍^(guò)A4后，其吸水速率將進(jìn)一步增加。

當(dāng)蓄水池泡沫混凝土的底灰摻量為A2～A4時(shí)，3天的吸水率分別為35.17%、28.33%、23.79%，7天后的吸水率相差較小，分別為34.11%、27.19%、22.12%，當(dāng)混凝土中摻入固體廢物后，隨著浸泡時(shí)間增加，混凝土中氣泡數(shù)量不斷增加，氣泡之間相互連通形成一個(gè)連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在混凝土中摻入底灰時(shí)，其吸水率較小且不會(huì)對(duì)混凝土造成影響。此外，由于固體廢物底灰自身具有良好的吸水性能，在浸泡過(guò)程中會(huì)吸收混凝土中的水分，并將其帶出混凝土內(nèi)部。因此，在混凝土中摻入一定比例的底灰后，可以提高其抗?jié)B性能。與普通泡沫混凝土相比，底灰可以有效降低混凝土的吸水率。蓄水池泡沫混凝土內(nèi)部有許多較大的孔隙，因此吸水能力提高。當(dāng)?shù)谆液吭黾訒r(shí)，貫穿孔大孔的數(shù)目會(huì)逐漸減少，使其吸水性能下降。在蓄水池泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)成型過(guò)程中，泡沫體積增加使泡沫對(duì)游離水的限制變大，且隨著水泥基摻量增加，泡沫混凝土的抗?jié)B性能得到了改善，混凝土的密實(shí)度也得到了提高，使混凝土內(nèi)部的孔隙減少，從而抑制了混凝土內(nèi)部貫通，進(jìn)一步降低了混凝土的吸水率，說(shuō)明固體廢物中的活性成分可以與水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成膠凝物質(zhì)，填充混凝土中的孔隙，提高混凝土的密實(shí)度。密實(shí)度提高可以減少水分和有害物質(zhì)滲透，提高混凝土的抗?jié)B性能。而蓄水池泡沫混凝土的吸水率隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加而降低，28天的A1摻量的吸水率為26.81%，3天和7天后分別下降38.66%和37.87%。當(dāng)?shù)谆姨砑恿繛锳4時(shí)，其吸濕率為11.25%，與A1相比下降了135.64%。因此，在摻量為A4的情況下，混凝土的抗?jié)B性最好，可以降低混凝土的吸水性，保證水利工程中蓄水池不會(huì)出現(xiàn)泌水等現(xiàn)象。

2.3 蓄水池泡沫混凝土抗?jié)B特性變化分析

圖3為蓄水池泡沫混凝土的滲透系數(shù)的變化。從圖中可以看出，混凝土的滲透性隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加而降低。當(dāng)養(yǎng)護(hù)3天時(shí)，最大的滲透系數(shù)達(dá)到7.9mm/s，7天時(shí)達(dá)到5mm/s，

28天時(shí)僅有3.2mm/s，且滲透系數(shù)越小，越可以防止水滲入混凝土中，當(dāng)摻入底灰時(shí)，混凝土的抗?jié)B性逐漸提高。因?yàn)楣腆w廢物底灰在混凝土中產(chǎn)生的顆粒填充作用對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙的堵塞起到了一定的作用，所以提高了混凝土的抗?jié)B性能。此外，可以將固體廢物底灰在混凝土中產(chǎn)生的氣泡填充在混凝土中，形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，降低混凝土的空隙率，起到填充作用。在加入固體廢物底灰后，能有效地提高混凝土中氣泡的穩(wěn)定性，使混凝土在抗?jié)B透性能方面得到一定改善。當(dāng)加入固體廢物底灰時(shí)，蓄水池泡沫混凝土的滲透系數(shù)下降，在28天后，無(wú)底灰A1的滲透系數(shù)比A2～A5下降14.28%，23.08%，45.45%，39.13%，隨著底灰摻量增加，滲透系數(shù)先減少后增加。加入固體廢物底灰導(dǎo)致蓄水池混凝土孔隙率降低，孔隙率是影響防滲效果的重要參數(shù)。但固體廢棄物底灰過(guò)多會(huì)使蓄水池泡沫混凝土滲透系數(shù)增加。在28天后，底灰摻量A2～A5的滲透系數(shù)相差較小，變化為2.3mm/s～

3.2mm/s，表明當(dāng)固體廢棄物底灰在水泥基體中分布較均勻時(shí)，試樣中含有微粒，因此毛細(xì)管道極易被阻塞，且底灰中所含的疏水性聚合物物質(zhì)能夠在表層生成一種疏水薄膜，可以起到減少水分和表面張力的作用。因此，在底灰含量為A4的情況下，混凝土具有較好的防滲效果。

3 結(jié)論

為進(jìn)一步提高水利工程蓄水池混凝土的防滲能力，本文擬采用固體廢物底灰，并摻入一定比例的水泥來(lái)改善水利工程蓄水池混凝土的防滲能力，并對(duì)蓄水池混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行研究，得出以下主要結(jié)論。1）在蓄水池泡沫混凝土中摻入底灰，可以使混凝土具有較高的壓實(shí)度和的抗壓強(qiáng)度，且養(yǎng)護(hù)28天后，混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高。2）固體廢棄物底灰混凝土的吸水率隨著齡期增加而降低，且與普通泡沫混凝土相比，摻入底灰可以有效降低混凝土的吸水率。3）固體廢棄物底灰可以減少水分的滲入，降低孔隙的表面張力。因此，在底灰含量為A4的情況下，泡沫混凝土具有最好的防滲效果。4）固體廢物在蓄水池混凝土中的應(yīng)用具有重要的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)意義。通過(guò)研究固體廢物對(duì)蓄水池混凝土抗?jié)B性能的影響，可以為固體廢物的資源化利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。在實(shí)際應(yīng)用中，可以采取優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)、加強(qiáng)施工質(zhì)量控制和進(jìn)行表面處理等措施，提高固體廢物在蓄水池混凝土中的抗?jié)B性能，保障蓄水池的安全運(yùn)行，延長(zhǎng)使用壽命。

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