固體廢物在蓄水池混凝土中的抗?jié)B性能研究

摘 要：為進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改善水利工程蓄水池混凝土的防滲能力，并對蓄水池混凝土的力學性能進行研究。試驗結果表明，蓄水池混凝土隨齡期延長，其抗壓強度逐漸增加。在養(yǎng)護3天后，蓄水池泡沫混凝土砂漿的抗壓強度最小，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，當固體廢物底灰摻量為A4時，蓄水池泡沫混凝土的抗?jié)B性能最佳。

關鍵詞：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：TV 52" 文獻標志碼：A

水利工程中的蓄水池屬于地下結構，其使用壽命與設計壽命相符，且施工周期較長，對施工質(zhì)量要求高。因此，為保證蓄水池的抗?jié)B性能，通常會在混凝土中摻入一定比例的粉煤灰和礦渣粉進行澆筑。雖然粉煤灰和礦渣粉具有較好的活性，但是其成本較高，且摻量過大會降低混凝土的強度。因此需要使用新的固體廢物替代粉煤灰和礦渣粉，進一步提高蓄水池混凝土中的抗?jié)B性能[1]。

隨著國家對固體廢物處置工作的重視和推進，許多地方政府開始進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，價格相對較低、活性較高，且強度也能滿足要求[2-3]。

基于此，為進一步探究固體廢物底灰替代部分水泥后對蓄水池混凝土抗?jié)B性能的影響，并結合泡沫混凝土易施工、抗凍融性強、抗硫酸鹽性等特性，本文先對摻入不同比例的固體廢物底灰泡沫混凝土進行力學分析，然后分析蓄水池泡沫混凝土抗?jié)B性能及吸水率變化。以上研究結果可為水利工程中蓄水池混凝土的施工提供參考。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

本文采用的是江蘇某焚燒廠的固體廢棄物底灰，其化學組成見表1。對固體廢棄物底灰進行洗滌、干燥、粉碎和碾磨后，用篩將微細粉末收集在200目的（0.075mm）篩底架中。本文將比表面為800kg/m2、強度等級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方法》[4-5]的要求，進行室內(nèi)試驗研究。選擇脂肪醇—聚氧乙烯醚—硫酸鈉作為單體的復合發(fā)泡劑。在發(fā)泡機中加入一定數(shù)量的發(fā)泡劑，用水稀釋60倍～80倍。在發(fā)泡機中，將稀釋劑與壓縮空氣進行混合，使其產(chǎn)生泡沫[6]。

1.2 試驗混凝土設計

根據(jù)規(guī)范要求，通過理論計算和相應的試配試驗對配合比進行調(diào)整。蓄水池混凝土的配合比應滿足流動性、抗壓強度、密實度、安定性等指標的要求，并以合理選擇原材料和節(jié)約水泥為原則。因此，本試驗采用密度法對配合比進行理論計算，見表2。

根據(jù)表2的配比進行稱重。將發(fā)泡劑與水以1∶60的比例進行混合、攪拌，得到泡沫液體，再將泡沫液體輸送到發(fā)泡泵中，得到預成型泡沫。將計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。在此過程中，加入發(fā)泡材料，充分攪拌后，注入模內(nèi)澆注。在灌注完畢后，用手輕搗，讓漿液充滿模具[7]。振搗時不可太大力，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天的標準環(huán)境中養(yǎng)護。

按規(guī)程規(guī)定測量蓄水池混凝土的干密度。首先，在150°C的爐內(nèi)進行高溫干燥24 h或更長時間。每一個方位都要進行6次測定，其精度要達到1mm。以此為基準，各蓄水池混凝土試件的容積取其平均值。測試組的最后干密度以3個試件的平均值為準[8]。

1.3 試驗方法

1.3.1 抗壓強度測試

采用壓力試驗機進行蓄水池混凝土的力學強度試驗。經(jīng)過養(yǎng)護周期后，將蓄水池混凝土試塊置于干燥箱內(nèi)烘干。用干密度測試方法測定試樣大小，并求出水庫混凝土立方受壓表面積。將壓力測試機增壓速率設置為1kN/s。試驗組試件的抗壓強度取3組連續(xù)試件的平均抗壓強度。

1.3.2 吸水率測試

在干燥箱內(nèi)對不同摻量比的固體廢棄物底灰試樣進行干燥處理，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

根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（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，使其達到吸收飽和狀態(tài)，并測定其抗?jié)B能力。

2 結果與討論

2.1 蓄水池泡沫混凝土抗壓強度變化分析

試驗結果表明，在不同摻量的底灰條件下，蓄水池泡沫混凝土的抗壓強度隨養(yǎng)護齡期增加而增加。在3天養(yǎng)護條件下，蓄水池泡沫混凝土的抗壓強度最高，僅為0.322MPa（A1），在沒有底灰的情況下，水泥基材料中存在大量的孔隙，使混凝土的抗壓強度偏低。7天后，其抗壓強度逐步增加，最小值為0.413MPa，比3天時增加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，且會進一步加快混凝土中水泥的水化速率，使混凝土早期強度提高，將底灰摻入混凝土后，蓄水池泡沫混凝土具有較高的密實度和較高的抗壓強度。28天后，抗壓強度提高最快[9]。從試驗結果可以看出，隨著固廢底灰摻量增加，蓄水池泡沫混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)先增后減的趨勢，因為底灰的摻入量過大，容易造成底灰之間相互堆疊，所以制約了水泥的活性，且當?shù)谆覔搅窟^多時，混凝土的抗壓強度會降低，會發(fā)生泌漿等現(xiàn)象，蓄水池泡沫混凝土中過剩的自由水會因水化反應的熱能蒸發(fā)，從而形成大量的毛孔縫。同時，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，生成硅酸鈣和鋁酸三鈣，使混凝土中的水泥水化反應減緩。在3天、7天和28天，底灰摻量為A4時，其最大抗壓強度比A1降低了332.91%、307.0%、245.0%。蓄水池泡沫混凝土抗壓強度如圖1所示。

2.2 蓄水池泡沫混凝土吸水率變化分析

圖2是對不同比例的固體廢棄物底灰混凝土進行吸水試驗的結果。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?shù)谆覔搅砍^A4后，其吸水速率將進一步增加。

當蓄水池泡沫混凝土的底灰摻量為A2～A4時，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%，當混凝土中摻入固體廢物后，隨著浸泡時間增加，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連續(xù)的網(wǎng)絡結構，在混凝土中摻入底灰時，其吸水率較小且不會對混凝土造成影響。此外，由于固體廢物底灰自身具有良好的吸水性能，在浸泡過程中會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?shù)谆液吭黾訒r，貫穿孔大孔的數(shù)目會逐漸減少，使其吸水性能下降。在蓄水池泡沫混凝土養(yǎng)護成型過程中，泡沫體積增加使泡沫對游離水的限制變大，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，進一步降低了混凝土的吸水率，說明固體廢物中的活性成分可以與水泥發(fā)生化學反應，生成膠凝物質(zhì)，填充混凝土中的孔隙，提高混凝土的密實度。密實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?shù)谆姨砑恿繛锳4時，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)護齡期增加而降低。當養(yǎng)護3天時，最大的滲透系數(shù)達到7.9mm/s，7天時達到5mm/s，

28天時僅有3.2mm/s，且滲透系數(shù)越小，越可以防止水滲入混凝土中，當摻入底灰時，混凝土的抗?jié)B性逐漸提高。因為固體廢物底灰在混凝土中產(chǎn)生的顆粒填充作用對混凝土內(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，形成蜂窩狀結構，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。當加入固體廢物底灰時，蓄水池泡沫混凝土的滲透系數(shù)下降，在28天后，無底灰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多會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，表明當固體廢棄物底灰在水泥基體中分布較均勻時，試樣中含有微粒，因此毛細管道極易被阻塞，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 結論

為進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改善水利工程蓄水池混凝土的防滲能力，并對蓄水池混凝土的力學性能進行研究，得出以下主要結論。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度和的抗壓強度，且養(yǎng)護28天后，混凝土抗壓強度達到最高。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用具有重要的環(huán)境和經(jīng)濟意義。通過研究固體廢物對蓄水池混凝土抗?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)和技術支持。在實際應用中，可以采取優(yōu)化配合比設計、加強施工質(zhì)量控制和進行表面處理等措施，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行，延長使用壽命。

參考文獻

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