環保節能型纖維混凝土制備及其性能研究?

季 強

（山西園區建設發展集團有限公司，山西 太原 030012）

隨著人們環保意識的增強，廢材循環利用成為當下研究熱點之一。楊靜等[1]提出了環保型混凝土的概念、分類標準，以及環保型混凝土應具備的性能，為混凝土材料的可持續發展提出建設性的觀點。劉夢溪等[2]對可恢復植被的環保混凝土、作為輕質保溫材料的加氣混凝土，及利用廢舊聚苯乙烯泡沫塑料顆粒作為輕骨料制備輕質混凝土吸聲板進行研究，徐文遠等[3]分析了發展減輕環境負荷型和生態型混凝土對城市發展建設的必要性。陳景等[4]對環保混凝土性能與制備工藝展開研究。

混凝土是目前使用最為廣泛的材料之一，而廢水是目前急需循環利用的廢材之一[5-7]。將兩者結合配制環保混凝土，契合綠色環保的概念。朱之恒等[8]研究了攪拌站廢水對水泥凝結時間、混凝土坍落度、抗壓強度、濕容重的影響。李小玲等[9]分析了在相同水灰比和相同膠凝材料條件下，不同摻量廢水對凝結時間和抗壓強度的影響。侯旭林等[10]研究了廢棄水泥材料對混凝土抗壓強度、干縮性能與塑性變形方面的影響。楊欣華等[11]分析了5 個地區6 家混凝土攪拌站的廢水廢漿性能。歐陽孟學等[12]選取混凝土攪拌站某一時期的生產廢水，將之摻入混凝土中，制備C20～C40 強度等級的混凝土。上述研究發現，在混凝土中摻入廢水會降低混凝土自身性能。為此，不少研究者通過在混凝土中摻入礦物摻合料，以提升混凝土性能[13-22]。

本文綜合上述方法，以廢水為混凝土拌合水設計研制高性能混凝土，通過對比廢水拌制和自來水拌制的混凝土性能，分析廢水對混凝土凝結時間、坍落度和抗壓強度的影響；并在混凝土中摻入木纖維，以進一步提升廢水拌制的混凝土的凝結時間、坍落度和抗壓強度，研究得出木纖維的最佳摻量，為環保混凝土的制備提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

水泥選用北京市藍寶新技術股份有限公司生產的P.O.52.5水泥，其化學組成成分如表1所示；粗、細骨料均由深圳市綠發鵬程環保科技有限公司提供，其中粗骨料粒徑在10～20 mm之間，其堆積密度約為1 511 kg/m3，表觀密度約為2 361 kg/m3，壓碎指標為6%；細骨料粒徑在0～10 mm之間，其堆積密度約為1 633 kg/m3，表觀密度約為2 594 kg/m3；水為普通飲用水或廢水，廢水由某市廢水處理廠提供。使用上述試驗原材料配制混凝土，如表2所示。對配制的混凝土進行標準養護后（溫度20 ℃、相對濕度95%以上），進行性能測試，普通飲用水拌制的混凝土檢測結果如表3所示。為提高廢水混凝土性能，如凝結時間、坍落度和抗壓強度，在廢水混凝土中分別摻入體積含量0%、0.5%、1%、2%、3%的木纖維，該木纖維由鄭州利興化工產品有限公司生產，其長度約為2～6 mm，密度為930 kg/m3。

1.2 設備

坍落度測試儀，河北華旺試驗設備有限公司；萬能力學試驗機，長春市智能儀器設備有限公司。

1.3 試驗方法

按照表2 的配合比及GB 50666—2011《混凝土結構工程施工規范》制備尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方體試件，共計18 塊。其中3 塊試件為普通飲用水制備而成，作為對照樣，性能參數取其平均值如表3 所示。另外15 塊混凝土試件為廢水制備而成，按照5 種配合比分別進行試驗。初凝時間、終凝時間按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試，即分別根據混凝土貫入阻力為3.5、28 MPa時的時間確定[21-22]。采用坍落度測試儀與萬能力學試驗機分別測試坍落度與抗壓強度，其中坍落度測試參照GB 50164—2011《混凝土質量控制標準》，抗壓強度測試參照GB 50204—2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》[23-25]。

表1 水泥成分Tab.1 Composition of cement

表2 混凝土配合比Tab.2 Proportion of concrete / (kg·m-3)

表3 混凝土基本性能(普通飲用水制備)Tab.3 Basic properties of concrete (preparation of ordinary drinking water)

2 結果與分析

2.1 凝結時間變化

分別測試摻入0%、0.5%、1%、2%、3%木纖維的廢水拌制的混凝土凝結時間，結果如圖1 所示。未摻入木纖維時，用廢水拌制的混凝土初凝和終凝時間分別為4.9 h和10.5 h，比普通飲用水拌制的混凝土初凝和終凝時間長（見表3），分別為1.09 倍和1.04 倍。這主要因為廢水中存在大量的化學成分，使水泥中的化學反應改變，減緩了水泥水化的反應過程，減緩了凝結時間。

此外，伴隨木纖維摻量的增加，混凝土的凝結時間逐漸減小。當木纖維的體積摻量為3%時，混凝土的初凝時間為3.8 h，終凝時間為9.2 h；當木纖維摻量為2%時，混凝土初凝時間為3.9 h，終凝時間為9.4 h；當木纖維摻量為1%、0.5%時，混凝土初凝時間分別為4.4、 4.6 h，終凝時間分別為9.8、10.2 h。纖維的摻入能夠加速水泥的水化和硬化，使新拌混凝土能在較短時間內保持塑性，起到快凝的效果。

對比用廢水與飲用水分別攪拌配制的混凝土凝結時間可知，當摻入量為0.5%以上的木纖維時，二者凝結時間性能相當。因此，摻入0.5%的木纖維可以改善廢水混凝土的性能，實現廢物利用。

圖1 凝結時間的變化Fig.1 Variation in condensation time of concrete

2.2 坍落度變化

對未摻入木纖維及不同木纖維摻量的廢水拌制的混凝土坍落度進行測定，結果如圖2 所示。由圖2可見，未摻入木纖維時，廢水攪拌配制的混凝土7 d和28 d的坍落度分別為97 mm和86 mm，大于普通飲用水攪拌配制的混凝土坍落度。主要原因在于，廢水中存在的氯離子和硫酸根離子等腐蝕性化學成分會滲透至混凝土內部，使混凝土內部孔隙發生改變、破壞，混凝土孔隙率變大，坍落度隨之增大。

由圖2 可得出，隨著木纖維摻量的增加，混凝土坍落度逐漸減小。木纖維摻量分別為3%、2%、1%、0.5%時，混凝土養護7 d后的坍落度分別為81、86、90、94 mm，養護28 d后的坍落度分別為70、75、79、83 mm。這是因為纖維的摻入能夠填補混凝土的內部孔隙，提高混凝土的密實性，進而減少了混凝土的坍落度。

對比廢水與飲用水（表3）攪拌配制而成的兩種混凝土坍落度，當木纖維摻入量大于1%時，廢水攪拌配制而成的混凝土坍落度性能指標好于用飲用水攪拌配制成的混凝土。因此，利用廢水時，可摻入1%的木纖維來改善混凝土的性能，使其與普通混凝土的耐久性能相當。

圖2 坍落度的變化Fig.2 Variation in slump strength of concrete

2.3 抗壓強度

對未摻入木纖維及不同木纖維摻量的廢水拌制混凝土抗壓強度進行測定，結果如圖3 所示。未摻入木纖維時，由廢水攪拌配制而成的混凝土7 d和28 d的抗壓強度分別為29.8 MPa和42.5 MPa，均小于普通飲用水攪拌配制而成的混凝土（表3）。這是因為廢水中雜質含量多，破壞了混凝土的內部結構，降低了混凝土的抗壓強度。

隨著木纖維摻量的增加，混凝土抗壓強度也逐漸增大。當木纖維摻量分別為0.5%、1%、2%、3%時，混凝土養護7 d后的抗壓強度分別為33.2、36.5、39.1、41.3 MPa，養護28 d后的抗壓強度分別為46.7、49.2、52.6、54.4 MPa。纖維屬于活性礦物摻合料，能夠加快混凝土內部水泥水化，即火山灰反應，從而提高混凝土的密實性，增大混凝土的抗壓強度。

對比廢水與飲用水攪拌配制而成的兩種混凝土的抗壓強度發現，當木纖維摻量大于2%時，二者抗壓強度值相當。因此，摻入2%的木纖維可以保證廢水混凝土與普通混凝土的力學性能相同，從而實現廢物循環利用。

圖3 抗壓強度的變化Fig.3 Variation in compressive strength of concrete

3 結論

研究廢水作為混凝土攪拌水二次利用，為減少廢水對混凝土性能的損失，在混凝土中摻入不同量的木纖維，通過與普通自來水攪拌的混凝土對比，分析混凝土的凝結時間、坍落度和抗壓強度的變化，得到以下結論：隨著木纖維摻量的增加，廢水拌制的混凝土凝結時間和坍落度逐漸減小，抗壓強度逐漸增大。從凝結時間角度，木纖維的摻入量大于0.5%時，可獲得與普通自來水拌制的混凝土相同的性能。對于坍落度與抗壓強度，木纖維的摻入量應分別大于1%和2%。綜合試驗結果，考慮到混凝土的抗壓強度是工程結構中重要的性能指標之一，因此建議木纖維摻量在2%以上。