渣土對C30混凝土性能的影響

王海良，李 超，榮 輝，宋偉俊，齊占國，李向海，邸志琨

(1.天津城建大學,天津 300384；2.天津市土木建筑結構防護與加固重點實驗室,天津 300384；3.中國鐵建大橋工程局集團有限公司,天津 300300)

?

渣土對C30混凝土性能的影響

王海良1,2，李 超1，榮 輝1，宋偉俊3，齊占國3，李向海3，邸志琨3

(1.天津城建大學,天津 300384；2.天津市土木建筑結構防護與加固重點實驗室,天津 300384；3.中國鐵建大橋工程局集團有限公司,天津 300300)

針對天津地鐵盾構施工生產的渣土大量堆砌、利用率和附加值低的現狀，將渣土作為礦物摻合料，研究了不同渣土摻量對C30混凝土工作性能、力學性能和抗滲性能影響。結果表明：(1)隨著渣土摻量增加，混凝土坍落度呈現逐漸降低趨勢；(2)摻加渣土后，混凝土抗壓強度均低于基準組，當渣土摻量為10%時，其28 d抗壓強度與基準組抗壓強度相近；(3)適量渣土摻量可以改善C30混凝土抗滲性能，當渣土摻量為水泥的15%時，抗滲性能最佳。

渣土； 混凝土； 坍落度； 抗壓強度； 抗滲性能

1 引 言

城市軌道交通如地鐵、輕軌等在施工建設過程中會產生大量渣土，而大量的渣土在處理和運輸過程中會產生很多問題，不僅會污染城市路面，影響路面景觀，而且渣土中的粉塵隨風進入空氣[1]，影響城市空氣質量，以建設南昌地鐵1號線為例，全長28.843公里，產生渣土約440萬方，可以填滿4個水立方[2]。隨著我國地下軌道交通建設事業的不斷發展，渣土會越來越多，處理也需要更大的空間，以往把郊區選為消納點，不僅破壞耕地，對當地生態環境造成影響，而且易造成山體滑坡事件(如2015年12月20日，深圳光明新區發生滑坡事件，造成78人失聯，其中確認58人遇難，22棟民宅和廠房被埋，塌方10萬平方米)。當前，國內外渣土處理的主要方式是堆棄、填埋和作為道路路基填料[3-6]，上述處理方式不僅污染環境、占據大量土地，而且利用率和附加值低。因此，為進一步提高渣土綜合利用率和附加值，本文研究了磨細后渣土作為混凝土礦物摻合料的可行性，并初步研究了不同摻量渣土對混凝土工作性能、力學性能和抗滲透性能影響，同時采用掃描電鏡對不同渣土摻量下混凝土28 d微觀結構進行分析，以探明不同渣土摻量對混凝土力學性能和抗滲性能影響機理。

2 試 驗

2.1 原材料

水泥：天津振興水泥廠生產的P·O 42.5水泥。

砂：河砂，細度模數2.8，堆積密度為1350 kg/m3，表觀密度2580 kg/m3。

石子：碎石，粒徑5～25 mm，堆積密度1420 kg/m3，表觀密度2710 kg/m3。

水：當地自來水。

外加劑：山東建筑科學研究院生產的聚羧酸外加劑，減水率35%。

渣土：采用天津地鐵6號線施工產生的渣土，烘干后采用球磨機將其磨細30 min，磨細后比表面積為19000 m2/kg，平均粒徑為11 μm，干密度1810 kg/m3，其化學組成和礦物組成如表1和圖1所示。由表1可知，渣土中氧化物主要是氧化硅、氧化鋁和氧化鈣。磨細后的渣土微觀形貌如圖2所示。由圖2可知，磨細后的渣土顆粒尺寸不一，呈不規則形貌。

表1 渣土化學組成Tab.1 Main composites of muck /%

由圖1可知，渣土的礦物組成主要是石英、礬土和硅鋁酸鹽等礦物。

圖1 渣土礦物組成Fig.1 Mineral composition of muck

圖2 渣土的微觀形貌Fig.2 Microstructure of muck

2.2 混凝土配合比設計

用于研究渣土摻量對C30混凝土工作性能和抗壓強度、等強度下渣土摻量對C30混凝土抗滲性能影響的配合比分別見表2、表3。

表2 摻有渣土的C30混凝土配比Tab.2 Mixture ratio of concrete with muck

表3 等強度下摻有渣土的C30混凝土配比Tab.3 Mixture ratio of concrete with muck under the same strength

2.3 試驗方法

混凝土坍落度、抗壓強度、抗滲性能試驗方法分別按《普通混凝土拌合物試驗方法標準》(GB/T 50080-2002)、《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)和《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)進行。

采用日本JMS-7800F掃描電鏡對不同渣土摻量下混凝土28 d微觀結構進行分析，以探明不同渣土摻量對混凝土力學性能和抗滲性能影響機理。

3 結果與討論

3.1 渣土火山灰活性

表4顯示的是磨細后渣土火山灰性試驗結果。由表4可知，磨細后的渣土不具有火山灰活性。

表4 渣土火山灰性Tab.4 Volcanic ash activity of muck

3.2 渣土摻量對混凝土工作性的影響

圖3 渣土摻量對C30混凝土工作性的影響Fig.3 Influence of muck contents on workability of concrete for C30

圖3所示為不同渣土摻量對C30混凝土坍落度的影響:由圖3發現，混凝土初始坍落度隨著渣土摻量增加而逐漸降低，由對照組的205 mm一直降低至摻量15%時的15 mm。造成上述現象的原因一方面可能由于渣土等量代替水泥后，因其表面積遠遠大于水泥顆粒，其吸水性遠遠高于水泥顆粒所致;另一方面可能是由于渣土顆粒具有較強的吸附聚羧酸系減水劑中Polycarboxylates(PC)分子的能力以及PC分子在渣土片層中間的插層作用，從而使PC分子大量消耗于渣土中，這樣作用于水泥的PC分子會大量減少，進而使得混凝土的坍落度降低[7]。

此外，由圖3還可以看出，摻加渣土使混凝土坍落度損失受到很大影響:當渣土摻量為5%時，混凝土的坍落度損失嚴重，約損失90 mm;當渣土摻量增至10%時，0.5 h后的混凝土變為干硬性混凝土，坍落度完全損失。產生上述現象同樣是由于渣土吸水性強所致。

3.3 渣土摻量對混凝土力學性能的影響

圖4 渣土摻量對C30混凝土抗壓強度的影響Fig.4 Influence of muck contents on compressive strength of concrete for C30

圖4所示為不同渣土摻量對C30混凝土抗壓強度的影響;渣土摻入會不同程度地降低C30混凝土抗壓強度，即其28 d的抗壓強度均低于基準組。另外，還由圖4可以看出，隨著渣土摻量增多，C30混凝土強度變化規律呈現為先降低后增加再降低趨勢，即：當渣土摻量為5%時，C30混凝土3 d、7 d和28 d抗壓強度相對于基準對照組分別降低了16.8%、25.4%和30.6%；當渣土摻量增加至10%時，則發現C30混凝土早期(3 d和7 d)抗壓強度比基準對照組分別增加了10.2%、4.9%，但在28 d時，其抗壓強度降低了3.5%。而渣土摻量繼續增加至15%時，其抗壓強度分別降低了1.3%、17.4%和24.2%。產生上述現象的原因可能是由于渣土顆粒摻入引起的水泥摻入量與其微集料填充效應雙重作用的結果。當渣土摻量為5%時，由于水泥用量的減少造成其抗壓強度低于基準組，而當渣土摻量為10%時，盡管水泥用量繼續減少，但由于渣土的微集料填充效應發揮更大，從而使其摻量下的混凝土微觀結構更加密實，進而使其強度更高。當渣土摻量為15%時，則由于渣土微集料填充效應所帶來的增強效果小于水泥用量減少造成的抗壓強度損失，從而使其該摻量下的混凝土抗壓強度再次降低。

為進一步解釋渣土對C30混凝土抗壓強度的影響，研究了不同渣土摻量下混凝土的28 d微觀結構，結果如圖5所示。

圖5 渣土摻量對C30混凝土微觀結構的影響(a)0;(b)5%;(c)10%;(d)15%Fig.5 Influence of muck content on microstructure of concrete for C30(a)0;(b)5%;(c)10%;(d)15%

由圖5可知，未摻渣土時，混凝土微觀結構呈現大量的網絡狀C-S-H凝膠。當渣土摻量為5%時，其微觀結構中除網絡狀C-S-H凝膠外，還出現了大量針狀AFt晶體以及少量球狀物質(渣土顆粒)，并且孔隙增多。當渣土摻量為10%時，出現較多量的渣土顆粒并且混凝土的微觀結構較為密實，這可能是由于渣土顆粒的加入起到的微集料填充效應所致。當渣土摻量為15%時，混凝土的孔隙增多，這有可能是由于水泥量大量減少，導致水泥生成的水化產物大量減少，而渣土顆粒不能完全填充由于水化產物減少所導致的孔隙增多所致。

3.4 渣土摻量對混凝土抗滲性能的影響

圖6所示為不同渣土摻量對C30混凝土抗滲性能的影響。由圖6可以看出，隨著渣土摻量的增加，混凝土的抗滲性能變化規律呈現先增加后減小的趨勢，即：當渣土摻量為5%、10%和15%時，滲水高度相對于基準組分別降低了43%、82%和86%；而當渣土摻量為20%時，滲水高度反而增加了27%。這表明當渣土摻量為15%時，混凝土的抗滲性能最好。

造成上述不同渣土摻量對C30混凝土抗滲性能影響規律的原因可能是由于渣土顆粒摻入引起的水泥摻入量與其微集料填充效應雙重作用的結果。當渣土摻量為5%、10%、15%時，盡管水泥用量繼續減少，但由于渣土的微集料填充效應發揮更大，從而使其摻量下的混凝土微觀結構更加密實，抗滲性能更好。當渣土摻量繼續增加至20%時，則由于渣土微集料填充效應無法彌補其水泥用量減少造成的級配不良，密實度差，從而使其該摻量下的混凝土抗滲性能減弱。

圖6 渣土摻量對C30混凝土滲水高度的影響Fig.6 Influence of muck contents on penetration height of concrete for C30

為進一步解釋渣土摻量對C30混凝土抗滲性能的影響，研究了不同渣土摻量下混凝土的28 d微觀結構，結果如圖7所示。

由圖7可知，當渣土摻量為0(基準組)時，混凝土微觀結構中孔隙較多，存在網絡狀的C-S-H等物質。而當摻加渣土后，發現混凝土微觀結構相比基準組，孔隙減少，針棒狀物質減少，這有可能是由于水泥用量減少而造成的AFt物質減少，同時由于渣土顆粒填充水泥顆粒空隙所致。當渣土摻量增加至15%時，發現其微觀結構(相比基準、摻量為5%、10.0%和20.0%)孔隙最少，結構最為密實，其它的渣土摻量相對于15%來說，結構都要疏松。渣土摻量為20%時，可能因為渣土填充的不完全，導致水泥顆粒級配之間的級配不良、密實度差，渣土的微集料填充作用較弱，導致孔隙率較大，進而影響了渣土的微觀結構，從而影響了渣土混凝土的抗滲性能。研究結果表明，渣土摻量為15%時混凝土抗滲性能最好。

圖7 渣土摻量對C30混凝土微觀結構的影響(a)0;(b)5%;(c)10%;(d)15%;(e)20%Fig.7 Influence of muck contents on microstructure of concrete for C30

4 結 論

通過渣土摻量對C30混凝土工作性、力學性能和滲透性能的影響研究，得到了渣土摻量對C30混凝土工作性、力學性能以及滲透性能的影響規律，主要結論如下：

(1)隨著渣土摻量的增加，混凝土的初始坍落度和坍落度損失逐漸降低，在不改變用水量和外加劑用量前提下，加入混凝土中的渣土摻量不宜超過10%;

(2)隨著渣土摻量的變化，混凝土的抗壓強度逐漸降低，渣土摻量從5%增加至15%時，混凝土28 d抗壓強度與基準對照組相比，其強度分別降低了30.6%、3.5%和24.2%;

(3)等強度C30混凝土抗滲性能隨著渣土摻量的增加先增強后減弱，當渣土摻量分別為5%、10%、15%時，滲水高度相對于基準組分別降低了43%、82%、86%；當渣土摻量為20%時，滲水高度反而增加了27%，摻加適量渣土可以改善C30混凝土的抗滲性能，當摻量在15%左右時試件抗滲性能最好。

[1] 姚如青.杭州市建筑渣土管理主要問題與改進對策[J].環境與可持續發展,2014,39(5):160-163.

[2] 沈澈清,封 云.地鐵1號線渣土可推11個八一廣場[EB/OL].http://jiangxi.jxnews.com.cn/system/2013/05/24/012435387.shtml,2013-05-24.

[3] 劉 衛.南昌復合地盾構渣土改良技術[J].隧道建設,2015,35(5):455-462.

[4] 李 琴,孫可偉,蔣卓吟.固化劑固化建筑渣土試驗研究[J].硅酸鹽通報,2012,31(5):1247-1251.

[5] 王 芳,徐竹清,嚴麗雪,等.堿渣土工程試驗方法及其工程土特性研究[J].巖土工程學報,2007,29(8):1212-1214.

[6] 姚志雄.建筑渣土填料路用性能的試驗研究[J].工業建筑,2010,40(s1):773-777.

[7] 巨浩波.砂石含泥量對聚羧酸系減水劑性能的影響及抗泥劑的合成研究[D].西安:陜西科技大學學位論文,2014.

Influence of Muck on Mechanical Properties of C30 Concrete

WANGHai-liang1,2,LIChao1,RONGHui1,SONGWei-jun3,QIZhan-guo3,LIXiang-hai3,DIZhi-kun3

(1.Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China;2.Tianjin Key Laboratory of Civil Structure Protection and Reinforcement,Tianjin 300384,China;3.China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group.Co. Ltd,Tianjin 300300,China)

At present, the muck from subway exits pile, low utilization and low added value, therefore, the influence of different contents of muck as admixtures on workability， mechanical properties and impermeability of C30 concrete are studied in this paper. The experimental results indicate that the slump decrease gradually with the increasing of muck contents. The compressive strengths of concrete is smaller than the reference group with the increasing of muck contents. The compressive strength of concrete at 28 days is similar with the reference group when the content of muck is 10% of cement contents. A moderate amount muck contents can improve the impermeability of C30 concrete, when admixture of muck content is 15%, the concrete impermeability is the best.

muck;concrete;slump;compressive strength;impermeability

國家科技支撐計劃課題資助(2014BAL03B03);天津城建大學科研啟動項目(05140403)

王海良(1966-)，男，教授，碩士生導師.主要從事大跨橋梁施工過程控制及新型結構體系開發等研究.

TU528

A

1001-1625(2016)09-3030-06