初探混凝土廢漿粉對(duì)水泥膠砂性能的影響

2019-04-25 12:06:54郭元強(qiáng)張興富陳展華賴廣興方云輝柯余良李樂(lè)民

商品混凝土 2019年4期

郭元強(qiáng)，張興富，陳展華，賴廣興，方云輝，柯余良，李樂(lè)民

（1. 科之杰新材料集團(tuán)有限公司，福建廈門 361006；2. 廈門新航翔盛混凝土有限公司，福建廈門 361006）

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大量投入，預(yù)拌混凝土行業(yè)也得到迅速的發(fā)展，混凝土的需求量也隨之增大。而伴隨著混凝土的生產(chǎn)，也產(chǎn)生了大量廢漿料。廢漿料的主要來(lái)源有攪拌車清洗過(guò)程中產(chǎn)生的廢漿、生產(chǎn)線上攪拌機(jī)清洗產(chǎn)生的廢漿、報(bào)廢的混凝土和生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的漏料等。其排放與處置問(wèn)題，一直是困擾企業(yè)的難題。根據(jù) 2016 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)預(yù)拌混凝土的總產(chǎn)量已達(dá)到 22.29 億立方米，若按每生產(chǎn) 1000m3的混凝土將產(chǎn)生 12m3左右的廢漿料計(jì)算，數(shù)量十分驚人，處理的費(fèi)用也是巨大的。廢漿料的產(chǎn)生不僅占用有限的土地資源，增加了企業(yè)的成本，而且給企業(yè)的環(huán)保整治和綠色生產(chǎn)管理帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。

目前，廢漿料的主要處置方式是將清洗后產(chǎn)生的廢漿料通過(guò)場(chǎng)地內(nèi)的排水系統(tǒng)，流入沉淀池進(jìn)行均化，使得廢漿料中的固體顆粒分散均勻，經(jīng)管道系統(tǒng)輸送至砂石分離機(jī)，將骨料分離出來(lái)再利用，剩余的廢漿料引入另外沉淀池，并與注入的清水中和后，通過(guò)壓濾設(shè)備將廢漿料壓濾成含水率為 50%～80% 的泥漿餅，之后采用車輛運(yùn)出場(chǎng)外填埋或二次使用。如何有效地就地處理并實(shí)現(xiàn)廢漿料的再利用，是本文開(kāi)展研究的主要目的。

本文所指廢漿粉是廢漿料經(jīng)壓濾成廢漿餅，采用干燥、粉碎和磨細(xì)等工藝處理后，達(dá)到一定細(xì)度的粉狀材料，其成份主要由水泥、礦粉、粉煤灰和少量泥砂等組成。研究將廢漿粉作為摻合料替代水泥或取代粉煤灰、礦粉進(jìn)行再利用，不僅可以減少耕地占用，減少企業(yè)處理成本的支出，同時(shí)，能完全實(shí)現(xiàn)預(yù)拌混凝土企業(yè)綠色生產(chǎn)管理“零排放”的環(huán)保目標(biāo)。

本文通過(guò)系統(tǒng)試驗(yàn)，對(duì)比分析了廢漿粉在不同摻量情況下對(duì)水泥膠砂性能的影響，以探討廢漿粉在混凝土及砂漿中應(yīng)用的可能性，為廢漿粉在預(yù)拌混凝土或預(yù)拌砂漿中的運(yùn)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)用原材料

1.1 水泥

采用大田紅獅水泥有限公司生產(chǎn)的“紅獅”牌P·O42.5R 水泥，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1～3。

表1 水泥檢測(cè)數(shù)據(jù)

表2 水泥粒徑測(cè)試結(jié)果

表3 水泥化學(xué)成份測(cè)試結(jié)果 %

1.2 泥漿餅

廈門新航翔盛混凝土有限公司沉淀池中的泥漿料經(jīng)壓濾機(jī)壓濾而成的泥漿餅。

1.3 砂

采用廈門艾思鷗標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的中國(guó) ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂。

2 試驗(yàn)方法

2.1 需水量比測(cè)試

廢漿粉的需水量比的測(cè)試參照 GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》進(jìn)行，其中廢漿粉需水量比配比如表4 所示，其中 y 為廢漿粉的摻加量，對(duì)比膠砂的加水量為膠砂流動(dòng)度在 145～155mm 內(nèi)時(shí)的用水量。

表4 廢漿粉需水量比試驗(yàn)?zāi)z砂配比

2.2 膠砂流動(dòng)度測(cè)試

摻廢漿粉的水泥膠砂流動(dòng)度參照 GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》進(jìn)行。

2.3 膠砂強(qiáng)度測(cè)試

摻廢漿粉的水泥膠砂強(qiáng)度測(cè)試參照 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》進(jìn)行。

2.4 細(xì)度測(cè)試

廢漿粉的細(xì)度測(cè)試參照 GB/T 1345—2005《水泥細(xì)度檢驗(yàn)方法篩析法》進(jìn)行，測(cè)試 45μm 方孔篩篩余，篩析 3 分鐘。

2.5 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了更好地了解廢漿粉的性能，采用 5%～55% 的廢漿粉替代水泥進(jìn)行試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表5 所示。

表5 膠砂試驗(yàn)用配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 粉磨時(shí)間對(duì)細(xì)度、比表面積的影響

將泥漿餅經(jīng)干燥、輥壓粉碎后，采用 4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.60mm 和0.30mm 方孔篩進(jìn)行過(guò)篩，得到不同粒徑的試驗(yàn)樣，以獲取不同粒徑的不同粉磨時(shí)間與細(xì)度和比表面積的關(guān)系趨勢(shì)，見(jiàn)表6、圖1 和圖2 所示。

從表6 和圖1、圖2 可以看出，隨粉磨時(shí)間的增加，廢漿粉的細(xì)度越來(lái)越小，比表面積越來(lái)越大。當(dāng)粉磨時(shí)間小于 10min，不同粒徑的廢漿粉在不同粉磨時(shí)間測(cè)得的細(xì)度處于 30%～62% 區(qū)間，且粉磨時(shí)間每延長(zhǎng)1min，細(xì)度平均下降約 3.03%，下降幅度較大；當(dāng)粉磨時(shí)間超過(guò) 10min，不同粒徑的廢漿粉在不同粉磨時(shí)間測(cè)得的細(xì)度處于 26%～30% 區(qū)間，且粉磨時(shí)間每延長(zhǎng)1min，細(xì)度平均下降約 1.15%，細(xì)度下降趨緩，變化幅度較?。划?dāng)粉磨時(shí)間達(dá)到 25min 后，不同規(guī)格的廢漿粉測(cè)得的細(xì)度值處于 26%～28% 區(qū)間，細(xì)度基本趨于穩(wěn)定。同時(shí)，從圖2 中數(shù)據(jù)可得，不同粒徑的粉料經(jīng)過(guò)不同時(shí)間的粉磨，比表面積由初始的 630m2/kg 開(kāi)始，粉磨時(shí)間每延長(zhǎng) 1min，比表面積增長(zhǎng)了 20m2/kg。

綜上結(jié)果，確定了以粉磨時(shí)間 10min，控制細(xì)度值在 30% 左右的廢漿粉作為開(kāi)展試驗(yàn)研究的樣本。廢漿粉樣本的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7～9。

表8 數(shù)據(jù)說(shuō)明了廢漿粉在細(xì)度為 30% 時(shí)，顆粒粒徑小于 3μm 的比水泥要高出了 9%，這也是廢漿粉的比表面積比水泥高的原因之一。

表6 不同粉磨時(shí)間的細(xì)度和比表面積試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 粉磨時(shí)間與細(xì)度的關(guān)系趨勢(shì)

圖2 粉磨時(shí)間與比表面積的關(guān)系趨勢(shì)

表7 廢漿粉數(shù)據(jù)情況

表9 數(shù)據(jù)說(shuō)明了水泥中的 CaO 加水后參與水化，使得廢漿粉中的 CaO 含量比水泥低了 53.15%，而廢漿粉中因含有較多細(xì)度模數(shù)超小的砂，使得廢漿粉中的SiO2含量比水泥高了 58.68%。

表8 廢漿粉粒徑測(cè)試結(jié)果

表9 廢漿粉化學(xué)成份測(cè)試結(jié)果 %

3.2 廢漿粉摻量對(duì)需水量比的影響

按照表4 的試驗(yàn)方案，研究不同摻量的廢漿粉對(duì)需水量比的影響。結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 廢漿粉不同摻量情況下的需水量比和水泥膠砂流動(dòng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 是粒徑 2.36mm 和0.60mm 的廢漿粉經(jīng)粉磨至30% 時(shí)內(nèi)摻的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，說(shuō)明了隨著廢漿粉摻量的增加，需水量比呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)。分析認(rèn)為，因廢漿粉的細(xì)度達(dá)到 30% 時(shí)，其比表面積可達(dá)到 1020m2/kg左右，比水泥的比表面積要高出近 3 倍之多，且粒徑＜3μm 的占比比水泥多出了 9%，因此，隨著廢漿粉摻量增加，膠材的比表面積也隨之增大，造成了需水量比增多。

圖3 廢漿粉摻量與需水量比關(guān)系趨勢(shì)圖

由圖3 可以看出，當(dāng)廢漿粉摻量在 30%（含）以內(nèi)，兩種粒徑廢漿粉的需水量比基本一致；當(dāng)摻量超過(guò) 30% 以后，0.60mm 篩余比 2.36mm 篩余的需水量比值多0.8%～2.4%，但差值相差不大。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，Ⅲ 級(jí)粉煤灰需水量比不大于 115%，Ⅱ 級(jí)粉煤灰需水量比不大于 105%，兩種粒徑的廢漿粉都能滿足需水量比的要求。試驗(yàn)說(shuō)明了在廢漿粉細(xì)度相當(dāng)?shù)那闆r下，粒徑的大小對(duì)需水量比的影響不大，因此，在生產(chǎn)加工廢漿粉的過(guò)程中可以減少過(guò)篩環(huán)節(jié)，以減少加工成本的支出。若將廢漿粉替代 Ⅱ 級(jí)粉煤灰使用，則宜將摻量控制在30% 以內(nèi)。

3.3 廢漿粉摻量對(duì)水泥膠砂流動(dòng)度的影響

廢漿粉摻量對(duì)水泥膠砂流動(dòng)度的影響結(jié)果見(jiàn)表10和圖4。從圖4 可以看出，隨著廢漿粉摻量增加，水泥膠砂流動(dòng)度呈現(xiàn)逐步下降趨勢(shì)，摻量小于 35% 時(shí)，流動(dòng)度值均能滿足不小于 180mm 要求（GB 175—2007 標(biāo)準(zhǔn)要求普通硅酸鹽水泥在進(jìn)行膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)時(shí)，其用水量按0.50 水灰比和膠砂流動(dòng)度不小于 180mm 來(lái)確定）。這是由于廢漿粉的比表面積明顯比水泥、粉煤灰和礦粉等的比表面積大，在保持相同用水量的情況下，隨著廢漿粉摻量的增加，膠材的比表面積增大，使得水泥膠砂流動(dòng)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合水泥標(biāo)準(zhǔn)要求的膠砂流動(dòng)，建議廢漿粉內(nèi)摻摻量控制在 35% 以內(nèi)，既能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，又能達(dá)到廢物合理回收利用的目的。

圖4 廢漿粉摻量與水泥膠砂流動(dòng)度關(guān)系圖

3.4 廢漿粉摻量對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響

廢漿粉摻量對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響結(jié)果見(jiàn)表11 和圖5、6。從圖5 與圖6 趨勢(shì)可知，水泥膠砂強(qiáng)度隨廢漿粉摻量的增加，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)計(jì)算，廢漿粉摻量每增加 1%，強(qiáng)度平均下降0.58MPa，這是由于廢漿粉的組成成份決定了等量取代水泥后將降低膠材中的 C3A 和 C3S 礦物的含量，隨著廢漿粉摻量的增加，導(dǎo)致膠材中的 C3A 和 C3S 礦物的含量也隨之減少，從而使得強(qiáng)度隨之降低。因此，在使用中，應(yīng)根據(jù)砂漿或混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和廢漿粉的成份確定合理?yè)搅俊?/p>

表11 廢漿粉不同摻量情況下的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)

由圖5 和圖6 可知，當(dāng)廢漿粉摻量在 10%～15%時(shí)，水泥膠砂 7 天和 28 天強(qiáng)度未見(jiàn)明顯下降；當(dāng)摻量在 15%～35% 以內(nèi)時(shí)，水泥膠砂 28 天抗壓強(qiáng)度呈近似線性下降的趨勢(shì)。

根據(jù) GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中強(qiáng)度活性指數(shù)不小于 70% 限值要求（內(nèi)摻粉煤灰 30% 時(shí)），廢漿粉的摻量應(yīng)控制在不超過(guò) 25%，可滿足該限值規(guī)定，說(shuō)明廢漿粉可以替代粉煤灰作為輔助摻合料使用。