戈壁棄方材料在混凝土中循環(huán)利用關(guān)鍵技術(shù)研究

法魯克·鐵來(lái)克

(新疆交通建設(shè)管理局項(xiàng)目執(zhí)行二處，烏魯木齊 830049)

0 引言

我國(guó)新疆地區(qū)大部分為荒漠地形，稱之為戈壁。其主要由風(fēng)化的粗砂、礫石覆蓋在硬土層上而形成。在新疆地區(qū)的公路工程建設(shè)過(guò)程中， 路基填挖會(huì)產(chǎn)生大量的戈壁碎石，而戈壁碎石屬于棄方材料，其物理力學(xué)性質(zhì)的特殊性和復(fù)雜性，導(dǎo)致不可直接用于工程應(yīng)用[1-4]。由于其含泥量較大，若將其作為集料應(yīng)用于道路鋪筑中，勢(shì)必造成較大的不良影響[5-6]；但戈壁碎石雖具有良好的物理性能指標(biāo)，若能加以利用，對(duì)便利工程施工和建設(shè)成本節(jié)約都有極大的幫助。 目前關(guān)于戈壁棄方材料的研究主要是用于路基填筑和軟土地基處理， 魯先龍等研究了戈壁碎石土的膠結(jié)作用機(jī)制， 對(duì)比分析了不同加固方式下戈壁碎石土地基處理的優(yōu)劣， 并對(duì)地基的抗拔性能等進(jìn)行了測(cè)試分析[7-9]。 但針對(duì)戈壁碎石土在水泥混凝土中再利用的技術(shù)研究工作相對(duì)較少。

因此， 為了改善戈壁碎石中高含泥量對(duì)水泥混凝土產(chǎn)生的不利影響， 本文擬采用一種高性能水泥作為膠凝材料，高含泥量的戈壁碎石作為骨料，制備成新型水泥混凝土； 主要分析高性能水泥的作用機(jī)理及混凝土強(qiáng)度的變化規(guī)律， 并與普通硅酸鹽水泥制備的水泥混凝土進(jìn)行對(duì)比，比較新型水泥混凝土的優(yōu)劣性。

1 原材料分析

1.1 水泥

普通硅酸鹽水泥采用新疆天山42.5# 水泥， 高性能水泥是指在普通水泥當(dāng)中加入高活性且具有膠凝作用的硅、鋁基材料，同時(shí)摻入少量Fe2O3、CaO 和MgO 而得到的水泥材料。 本文采用傅里葉紅外光譜儀對(duì)兩種水泥的基團(tuán)進(jìn)行比較分析，如圖1 所示。

通過(guò)分析水泥的紅外光譜圖可以看出， 圖中一共出現(xiàn)四處波峰。 其中在波峰876cm-1處特征峰強(qiáng)度值達(dá)到最大， 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圖譜可以得知此處應(yīng)主要為硅酸三鈣和硅酸二鈣基團(tuán)； 波峰1128cm-1處特征峰強(qiáng)度值為第二高，則此處應(yīng)為鐵鋁酸四鈣基團(tuán)；而在波峰1410cm-1處附近為鋁酸三鈣基團(tuán)， 在2300～2400cm-1范圍則為摻雜在硅酸三鈣中的少量氧化固溶物。

相較于普通硅酸鹽水泥， 高性能水泥材料的水化膠凝作用更加高效充分， 水泥中包含的硅鋁基材料大多來(lái)自于工業(yè)廢渣， 不經(jīng)過(guò)煅燒即可生產(chǎn)制備成硅鋁基膠凝材料，制備時(shí)也無(wú)需消耗石灰石，既減少了二氧化碳的排放，又大大的節(jié)約了資源[10-11]。 圖2 為高性能水泥添加劑的紅外光譜圖，經(jīng)分析可知，波峰主要處于800～1250cm-1范圍內(nèi)，其成分為硅鋁基材料，添加劑的特征峰位置與水泥熟料紅外光譜特征峰極其相近，因此兩者反應(yīng)將具有良好的兼容性。通過(guò)將適當(dāng)比例的添加劑摻入普通水泥中混合研磨， 即可制得具有高效膠凝性的高性能水泥。 通過(guò)計(jì)算分析高性能水泥的紅外光譜圖可知，圖1中高性能水泥主要四大成分750～1550cm-1波峰面積總共約為60263，而普通硅酸鹽水泥在同樣的波數(shù)范圍內(nèi)其波峰面積約為54516， 所占面積低于高性能水泥10%，這表示添加劑摻入普通水泥中后大大增加了活性硅鋁基團(tuán)，這些基團(tuán)對(duì)水泥的水化膠凝有著至關(guān)重要的作用。

圖2 高性能水泥添加劑紅外光譜圖

1.2 砂礫

新疆地區(qū)公路工程沿線里程長(zhǎng)，工程項(xiàng)目中存在大量挖方及山體爆破等重要施工，若將施工后的碎石材料當(dāng)做棄方處理，則運(yùn)輸成本會(huì)急劇增加，造成極大的浪費(fèi)。 且新疆地區(qū)還擁有大量自然保護(hù)區(qū)，若對(duì)棄方材料處理不當(dāng)，容易破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，因此在棄方材料處理方式上有著嚴(yán)格的要求。 施工中發(fā)現(xiàn)，棄方材料雖具有較高的含泥量，但其包含的砂礫碎石具有良好的級(jí)配和物理性質(zhì)，若能稍加改善，即可實(shí)現(xiàn)工程施工中的再利用。

高性能水泥因其有大量的活性硅鋁基材料， 能夠包裹住土顆粒并使其膠結(jié)，形成特殊的膠凝結(jié)構(gòu)，因此采用高性能水泥對(duì)棄方材料進(jìn)行處理， 可以解決棄方材料中含泥量高的問(wèn)題。 本文首先通過(guò)篩分法分析棄方材料中級(jí)配和含泥量情況，如表1，為更加全面分析高性能水泥性能的穩(wěn)定性及使用的普遍性， 本文選取了阿勒泰地區(qū)的棄方材料(戈壁料)進(jìn)行試驗(yàn)分析，同時(shí)還在新疆哈密進(jìn)行天然砂礫取樣試驗(yàn)， 分析不同含泥量的棄方材料分別在普通硅酸鹽水泥和高性能水泥作用下強(qiáng)度變化規(guī)律。

表1 阿勒泰和哈密天然砂礫篩分結(jié)果

從表1 篩分結(jié)果可看出，阿勒泰(1#)天然砂礫級(jí)配中粗、細(xì)集料占比基本為6∶4，哈密(2#)天然砂礫級(jí)配中粗、細(xì)集料占比約為5∶5。 通過(guò)水洗法測(cè)得阿勒泰(1#)、哈密(2#)天然砂礫的含泥量分別為6.8%和16.5%。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 水泥膠砂強(qiáng)度

根據(jù)分析上述兩種水泥材料的紅外光譜圖可知，在水泥中增加活性硅鋁基材料后，其膠凝作用將會(huì)提升，則水泥的強(qiáng)度應(yīng)有所提高。 表2 為實(shí)測(cè)水泥膠砂強(qiáng)度。

表2 水泥膠砂強(qiáng)度分析表

分析比較兩種水泥的膠砂強(qiáng)度可知， 在相同標(biāo)號(hào)的條件下， 高性能水泥任意齡期的膠砂強(qiáng)度均高于普通硅酸鹽水泥。 這說(shuō)明硅鋁基材料的摻入可極大提高水泥的膠凝作用，增加水泥強(qiáng)度。 分析表2 中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在抗壓強(qiáng)度方面， 各齡期內(nèi)的高性能水泥較普通42.5# 硅酸鹽水泥抗壓強(qiáng)度均高出約5MPa， 而在抗折強(qiáng)度方面，隨著齡期的增加，抗折強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯，在28d 齡期時(shí)，抗折強(qiáng)度高出1.1 MPa。

2.2 水泥混凝土強(qiáng)度

本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為C30， 因棄方材料中含泥量較高，水灰比按0.55～0.65 控制，兩種水泥及兩種棄方材料用量均一致。 表3 為不同水泥和集料所配制混凝土的實(shí)測(cè)強(qiáng)度。

分析阿勒泰1# 和哈密2# 兩種棄方材料的含泥量可知，含泥量越大，則混凝土強(qiáng)度越小，在含泥量較高的情況下，普通硅酸鹽水泥混凝土其28 d 齡期甚至無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。這是因?yàn)樗嗨磻?yīng)被土顆粒大大減弱，作用機(jī)理主要為土顆粒附著于集料表面， 阻礙了水泥與集料相互粘結(jié)，使得水泥與集料界面的膠凝作用大大降低，最終導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的減小。而在高性能水泥混凝土中，集料為恰庫(kù)爾圖1#、 哈密2# 棄方材料時(shí)的28 d 強(qiáng)度分別為34.7 MPa 和32.2 MPa，均滿足C30 混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度， 說(shuō)明高性能水泥即使在高含泥量的條件下仍可實(shí)現(xiàn)混凝土固化，表現(xiàn)出優(yōu)良的工程應(yīng)用性能。

表3 不同水泥和集料所配制混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度

2.3 水泥混凝土耐久性

集料中的高含泥量也會(huì)直接影響到混凝土的抗凍性能，尤其新疆地區(qū)的氣候環(huán)境比較惡劣，鋪筑為公路后其使用壽命會(huì)急劇縮短。 因此本文還進(jìn)行了混凝土的凍融試驗(yàn)， 比較分析了高含泥量下兩種水泥混凝土的耐久性。 本試驗(yàn)采用快凍法，以質(zhì)量損失率平均值和相對(duì)動(dòng)彈性模量平均值為指標(biāo)進(jìn)行分析。兩種不同水泥及兩種不同砂礫分別配制成4 種不同的水泥混凝土，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 不同水泥混凝土凍融循環(huán)實(shí)測(cè)值

通過(guò)分析表4 凍融數(shù)據(jù)可知， 高性能水泥混凝土在質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量?jī)身?xiàng)指標(biāo)上均優(yōu)于普通水泥混凝土。 在凍融循環(huán)40 次后，普通水泥混凝土質(zhì)量損失率最高值達(dá)到35.28%，《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30-2005)中規(guī)定質(zhì)量損失率高于5%即為破壞；而在凍融循環(huán)50 次后，高性能水泥混凝土質(zhì)量損失率最高值仍低于4%，具有優(yōu)良的抗凍性。

圖3 為混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量趨勢(shì)圖，《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30-2005)規(guī)定相對(duì)動(dòng)彈模量值低于60%即為損失嚴(yán)重。觀察圖3 可知，普通水泥混凝土1# 和2# 分別經(jīng)過(guò)34 次和32 次凍融循環(huán)后， 相對(duì)動(dòng)彈性模量值小于60%。 而高性能水泥混凝土1# 和2#在經(jīng)過(guò)50 次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量值仍在65%以上， 結(jié)合質(zhì)量損失率平均值及相對(duì)動(dòng)彈性模量平均值兩項(xiàng)指標(biāo)， 高性能水泥混凝土可承受至少50 次的凍融，明顯優(yōu)于普通水泥混凝土。在高含泥量的條件下，高性能水泥混凝土在力學(xué)強(qiáng)度和耐久性方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖3 混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量趨勢(shì)圖

2.4 綠色環(huán)保高性能水泥水化機(jī)理分析

在力學(xué)強(qiáng)度和抗凍性的宏觀性能上， 高性能混凝土具有明顯的優(yōu)異性，本文還將采用電鏡掃描的技術(shù)，在微觀條件下進(jìn)一步分析高性能水泥和土顆粒兩者的水化作用。

從圖4a、圖4b 中可看出，棄方材料中0.075 mm 以下的顆粒分布比較松散，粒徑大小也不均勻，與高性能水泥水化反應(yīng)后， 分布松散的土顆粒之間形成了相互連接的骨架，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，形成了一定強(qiáng)度。 這是由于高性能水泥中國(guó)硅鋁基材料擁有較強(qiáng)的膠凝性能， 并激發(fā)了土顆粒本身的膠凝作用，大大降低了含泥量的影響。

圖5 為兩種水泥混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，可看到圖5a 中膠凝結(jié)構(gòu)呈網(wǎng)格形狀，雖穩(wěn)定但孔隙大且多，而圖5b 中在高性能水泥的膠凝作用下， 與棄方材料形成了網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，既穩(wěn)定又緊致密實(shí)，水泥漿體與集料表面的接觸良好，這是保證了混凝土性能優(yōu)良的根本原因。

3 結(jié)論

(1) 集料中的含泥量會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，過(guò)大的含泥量易導(dǎo)致混凝土達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度， 其抗凍性能也明顯變差。

圖4 天然砂礫中泥土及與綠色環(huán)保高性能水泥水化微觀結(jié)構(gòu)圖

(2)摻入硅鋁基材料的綠色環(huán)保高性能水泥具有較好的力學(xué)性能， 硅、 鋁成分的基團(tuán)可以提高泥土的膠凝性能，從而大大降低集料含泥量的影響。

(3)在混凝土抗凍性能方面，含泥量大小對(duì)普通水泥混凝土的影響波動(dòng)較大， 對(duì)綠色環(huán)保高性能混凝土的影響波動(dòng)較小。