固體廢棄物在混凝土中的應用研究

趙晶，李中順，汪鑫

(大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028)*

固體廢棄物在混凝土中的應用研究

趙晶，李中順，汪鑫

(大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028)*

以破碎的廢混凝土作為替代粗骨料，冶煉渣作為替代細骨料，通過試驗研究了粗骨料和細骨料在不同替代率的情況下混凝土的性能以及摻合料對混凝土性能的影響.研究表明：隨著替代粗骨料替代率的增加混凝土的抗壓強度、抗氯離子滲透性能也隨之有少量的降低，適當摻量的冶煉渣替代細骨料可以提高混凝土的抗壓強度和抗氯離子滲透性，但摻量過大反而使混凝土的抗壓強度和抗氯離子滲透性降低. 摻合料的加入會提高混凝土的抗壓強度、降低氯離子擴散系數，對混凝土的耐久性有明顯的改善.

替代骨料；冶煉渣；力學性能；耐久性；摻合料

0 引言

我國是一個資源短缺、粗放經營的資源消費大國，經濟增長帶來的資源和環境問題越來越受到重視.但目前我國對建筑垃圾的利用率極低，一般作為回填和道路墊層等基礎材料的低級利用.對再生骨料卻缺乏系統的科學研究[1].再生混凝土的力學性能與再生骨料的類型、粒徑、摻量等因素有關，還有就是與水灰比有關[2].研究表明再生骨料的取代率對再生混凝土的力學性能有較為明顯的影響，當再生骨料取代率50%時，混凝土的抗壓強度超過基準混凝土，隨著再生骨料取代率的繼續增加再生混凝土的抗壓強度又逐漸的降低[3],文獻[4- 6]中對再生混凝土做了大量研究.Caroline Morrison等分別以不同取代率的兩種鋅礦渣作為再生細骨料，對混凝土的水化熱隨時間的變化做了實驗研究.研究表明：隨著鋅礦渣取代率的增加混凝土的水化放熱時間也隨之延后.當鋅礦渣完全取代細骨料使混凝土的水化放熱時間有大幅度延遲現象[7].Bahador Sabet Divsholi 等分別對不同取代率的高爐礦渣水泥混凝土做了碳化、氯離子滲透等耐久性分析.實驗結果表明：高爐礦渣部分取代細骨料的混凝土的耐久性完全可以滿足實際工程需要.冷發光[8]將測試混凝土的擴散系數的方法分為慢速法、快速法和其他方法.其他學者也提出了很多測試氯離子擴散的方法[9- 11].

本文對廢棄混凝土替代碎石，冶煉渣替代部分砂的混凝土進行了力學、氯離子滲透實驗.分析了不同替代骨料取代率的混凝土強度發展規律，探討了摻合料對混凝土性能影響.實驗結果表明：隨著替代粗骨料替代率的增加混凝土的強度隨之降低、氯離子擴散系數增大；適當冶煉渣替代普通細骨料的混凝土的強度有少量提高；硅灰的加入顯著的改善了混凝土的抗氯離子滲透性，并且混凝土的強度也有所提高.

1 原材料性能分析和配合比方案

1.1 原材料

水泥： 42.5R級普通硅酸鹽水泥；粉煤灰：大連華能II級；硅灰：硅灰基本物理力學性能如下：比表面積為23 200 m2/kg，密度為2.2 g/cm3，含水量為1.4%，需水量比為125%，活性指數為128%.

粗骨料：普通石灰巖碎石、替代粗骨料(實驗室C40普通混凝土經人工破碎).粗骨料技術指標如表1所示.

細骨料：大連河砂、冶煉渣，級配如圖1(a)；加入30%、50%冶煉渣的細骨料級配如圖1(b).

表1 粗骨料技術指標

(a) 細骨料

(b) 30%、50%冶煉渣替代細骨料

由圖1可以看出大連河砂、冶煉渣、加入30%、50%冶煉渣的細骨料分別在中砂區、過粗沙區、中砂區、粗砂區.

1.2 配合比方案

由于廢棄混凝土的吸水率要遠大于普通碎石，所以本實驗采取預濕法(將替代粗骨料浸入水中24 h后取出用干布擦拭表面至飽和面干)，按普通混凝土配合比規范配制C35混凝土，塌落度控制在5～7 cm，通過振搗成型.試驗配合比如表2，其中N為基準混凝土、RC為不同替代粗骨料替代率的混凝土、RX為不同替代細骨料替代率的混凝土、RCX為粗骨料替代率是50%、細骨料替代率是30%的混凝土.RCX(S)為加入硅灰的混凝土、RCX(F)為加入粉煤灰的混凝土.

力學性能參照GB/T 50081-2002規定進行,混凝土的抗氯離子滲透試驗采用NEL法測定.

表2 混凝土配合比

2 實驗結果與分析

2.1 抗壓強度和抗氯離子滲透性的影響

2.1.1 替代粗、細骨料對混凝土的抗壓強度影響

從不同骨料替代率的混凝土抗壓強度實驗結果中(圖2)可以看出：隨著替代粗骨料替代率的增加混凝土的抗壓強度總體上隨之降低，并且下降的速度呈現變緩的趨勢.這是因為再生粗骨料表面包裹著一層砂漿，當混凝土中加入再生粗骨料時，混凝土中會存在三種界面：舊砂漿-碎石界面、新砂漿-舊砂漿界面、新砂漿-碎石界面.混凝土的界面過渡區是Ca(OH)2、鈣礬石富集區，孔隙率較高，是混凝土的薄弱區，同時也是應力集中區.由于摻加替代骨料的混凝土的界面過渡區要比普通混凝土多，因此混凝土的強度降低.同時替代骨料在破碎過程中也會產生裂紋降低了替代粗骨料的強度，這也造成了混凝土的強度較基準混凝土低.

圖2 不同替代粗、細骨料替代率的混凝土抗壓強度

從圖中看出當替代細骨料替代30%細骨料時混凝土的3、7、28 d抗壓強度均有略微的提高.原因是冶煉渣表面比較干凈，含泥量非常小.這樣水泥與冶煉渣之間的結合就優于普通砂與水泥之間的結合.當替代細骨料替代50%細骨料時、混凝土的抗壓強度要低于基準混凝土.原因是當加入50%替代細骨料時混凝土中的細骨料屬于過粗砂區從而影響混凝土強度.

2.1.2 替代粗、細骨料對混凝土抗氯離子滲透性的影響

混凝土的抗氯離子滲透性是混凝土耐久性的重要組成部分，由圖3可得隨著替代粗骨料替代率的增加混凝土的抗氯離子滲透性能隨之降低.由于水泥漿體、水泥漿體與骨料的界面共同決定著混凝土的抗氯離子滲透性能，隨著替代粗骨料替代率增加混凝土的界面也隨之增多，所以隨著替代粗骨料替代率的增加混凝土的抗氯離子滲透性能隨之降低.當替代粗骨料完全替代碎石時混凝土的氯離子擴散系數為基準混凝土的1.4倍.圖3看出加入30%替代細骨料的混凝土的抗氯離子滲透性要比基準混凝土好.

圖3 不同替代粗、細骨料替代率的混凝土氯離子滲透系數

2.1.3 確定最佳替代粗、細骨料的替代率

從圖2(不同替代粗、細骨料替代率的混凝土抗壓強度)和圖3(不同替代粗、細骨料替代率的混凝土氯離子滲透系數)分析可得選取替代粗骨料替代率為50%，替代細骨料替代率為30%作為混凝土(RCX)的替代粗、細骨料是可行的.

由圖4分析得：加入30%替代細骨料和50%替代粗骨料的混凝土抗氯離子滲透性能介于只加入30%替代細骨料混凝土和只加入50%替代粗骨料混凝土之間，抗壓強度與只加入30%替代細骨料的混凝土和只加入50%替代粗骨料的混凝土相比有少量的降低.

(a) 混凝土抗壓強度

(b) 氯離子滲透系數

2.2 摻和料對混凝土的影響

2.2.1 摻和料對混凝土抗壓強度的影響

由圖5(a)可知硅灰能有效提高混凝土的早期、后期強度.硅灰的最佳摻量為8%.圖5(b)分析得出粉煤灰對再生混凝土的早期強度影響較弱，28d強度為基準混凝土的89%，最佳摻量為20%.

(a) 不同硅灰摻量

(b) 不同粉煤灰摻量

2.2.2 摻和料對混凝土抗氯離子滲透性的影響

從圖6中看出：加入粉煤灰和硅灰可以有效的提高混凝土的抗氯離子滲透性能.因為粉煤灰、硅灰都能與水泥水化產物Ca(OH)2發生二次水化反應，細化水泥漿體孔徑，改善混凝土界面結構，所以能有效的提高混凝土的抗氯離子滲透性能.硅灰在提高混凝土的抗氯離子滲透性能方面要優于粉煤灰，因為硅灰的顆粒要比水泥顆粒和粉煤灰顆粒細的多，同時硅灰中含有大量的活性SiO2，所以在改善混凝土界面結構方面比粉煤灰效果要好.

圖6 摻入粉煤灰、硅灰的混凝土氯離子滲透系數

3 結論

(1)當替代粗骨料替代率為50%時混凝土強度僅下降6.4%、氯離子擴散系數增大20%，所以用破碎的廢棄混凝土替代一半的粗骨料是可行的；

(2)以30%的冶煉渣替代砂時，混凝土中的細骨料屬于中砂區，混凝土的抗壓強度略有提高，混凝土的抗氯離子滲透性能有較大的提高；加入50%的冶煉渣替代細骨料時混凝土中細骨料屬于過粗砂區，混凝土的抗壓強度和抗氯離子滲透性能都有所降低；所以細骨料的替代應保證處在中砂的級配區；

(3)硅灰的加入有利于混凝土力學性能和抗氯離子滲透性能的提高，硅灰最佳摻量為8%.粉煤灰能有效的提高混凝土的抗氯離子滲透性能，最佳摻量為20%.

[1]孫躍東,周德源.我國再生混凝土的研究現狀和需要解決的問題[J].混凝土,2006(4):25- 28.

[2]孫巖,孫可偉,郭遠臣.再生混凝土的利用現狀及性能研究[J].混凝土,2010(3):105- 107.

[3]王江,薛燕飛,周輝,等.再生混凝土抗壓強度研究[J].混凝土,2006(7):47- 49.

[4]ETXEBERRIA M,VZQUEZ E, MARA,et al.Influence of amount of recycled coarse aggregates and production process on properties of recycled aggregate concrete[J].Cement and Concrete Research,2007(37):735- 742.

[5]PADMINI A K,RAMAMURTHY K,MATHEWS M S.Influence of parent concrete on the properties of recycled aggregate concrete[J].Construction and Building Materials,2009(23):829- 836.

[6]杜婷.高性能再生混凝土微觀結構及性能試驗研究[D].武漢：華中科技大學,2006.

[7]CAROLINE MORRISON,REBECCA HOOPER,KEVIN LARDNER.The use of ferro-silicate slag from ISF zinc production as a sand replacement in concrete[J].Cement and concrete,2003(3):2085- 2089.

[8]冷發光,田冠飛.混凝土抗氯離子滲透性試驗方法[J].東南大學學報(自然科學版),2006(36):32- 38.

[9]HALL C.Water sorotivity of mortars and concretes;a review[J].Magazine of Concrete Research,1989,41(147):51- 56.

[10]SHARIF A,LOUGHLIN K F,AZAD A K,et al.Determination of the effective chloride diffusion coefficient in concrete via a gas diffusion technique[J].ACI Materials Journal,1997,94(3):227- 223.

[11]FELDMAN R F.Diffusion measurements in cement paste by water replacement using propan- 2- ol[J].Cement and Concrete Research,1987,17(4):602- 612.

Application Study of Solid Waste in Concrete

ZHAO Jing,LI Zhongshun,WANG Xin

(School of Civil and Safety Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

By using broken waste concrete as substitution coarse aggregate and slag as a substitution for fine aggregate,the performance of the concrete with different replacement ratios of coarse and fine aggregates as well as the influence of mineral admixture is studied.The results showe that with the increase of substitued coarse aggregate replacement rate,the compressive strength and resistance to chloride ion permeability of the concrete are reduced slightly.Substitution fine aggregate can improve the compressive strength and resistance to chloride ion permeability with appropriate ratio while a larger amount of it will cause poor performance.The mineral admixture can improve the compressive strength and reduce the chloride ion diffusion coefficient,which improves the durability of the concrete obviously.

substitution aggregate;smelting slag；mechanical properties;durability;admixture

1673- 9590(2017)05- 0089- 05

A

2016- 06- 24

趙晶(1964-)，女，教授，博士，主要從事道路工程材料的研究 E-mail:zjing@sohu.com.