煤渣泡沫輕質土制備及性能研究

2024-03-04 03:58:38何志兵曾慧姣王偉光秦明強

建材世界 2024年1期

何志兵,曾慧姣,王偉光,秦明強

(1.中交二航局第二工程有限公司,重慶 401121; 2.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司, 武漢 430040;3.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室,武漢 430040;4.中交第二航務工程局有限公司,武漢 430040)

泡沫輕質土是一種輕質多孔的水泥基材料,具有密度可調整、澆筑自流平、保溫隔熱、吸能減震等特點,憑借其特殊的結構特性被廣泛應用于各種減載回填工程。使用泡沫輕質土代替砂、碎石等用于減載回填,不僅能夠彌補常規回填存在的成本問題,減小結構所受荷載的同時環境效益良好[1- 3]。

煤渣是燃煤電廠產生的工業廢渣,既可以作為骨料替代傳統的砂直接利用,也可以通過磨細加工后激發活性,從而獲得接近粉煤灰的性能[4]。利用工業廢渣制備混凝土材料,可提高固廢利用率,減少水泥等膠凝材料的使用,具有顯著的經濟性和環保性。Smarzewski等[5]研究發現加入鑄造廢砂和煤渣后混凝土的耐鹽腐蝕能力明顯提高。陳傳明等[6]以水泥和10%摻量的粉煤灰為膠凝材料,頁巖陶粒為粗骨料,河砂和爐渣為細骨料制備出容重為(1 680±50)kg/m3的混凝土。唐艷娟等[7]利用電廠灰渣制備空心砌塊灌芯材料,得到28 d最優摻量配合比為粉煤灰0.8∶脫硫石膏0.4∶煤渣粉粒0.2∶水泥0.5。楊士鈺等[8]采用當地電廠豐富的粉煤灰、煤渣和脫硫石膏3種材料研制出28 d抗壓強度為1.23～14.48 MPa、表觀密度為1 370～1 617 kg/cm3的綠色輕質建筑砂漿。上述研究可以看出煤渣在制備輕質材料方面具有顯著優勢,但目前大摻量煤渣用于泡沫輕質土制備的研究尚少,且難以配制出用于水下減載回填的性能適宜的輕質材料。

根據水下減載回填的結構受力及材料耐久性要求,提出減載材料28 d抗壓強度不低于3.0 MPa,濕密度介于1 200～1 400 kg/m3之間,軟化系數在0.8以上,同時滿足吊裝和轉運要求。因此,采用電廠煤渣為集料開展泡沫輕質土的制備工作,對比分析了不同煤渣種類、細度及摻量對泡沫輕質土工作性能、力學性能及軟化系數的影響規律,優選煤渣參數以制備出性能更優異的煤渣泡沫輕質土。

1 試驗

1.1 原材料

1)水泥:采用葛洲壩宜城水泥有限公司“三峽牌”PO42.5普通硅酸鹽水泥,其基本物理力學參數如表1所示。

表1 水泥基本物理力學參數

2)煤渣:采用火力發電廠煤渣,其形貌如圖1所示。選取多孔疏松塊狀結構煤渣(SS)、粉末狀煤渣(FM)、多孔致密塊狀結構煤渣(ZM),分別進行篩分處理,使粒徑處于0～4.75 mm區間,并測試其表觀密度、筒壓強度和1 h吸水率,測試結果如表2所示。

表2 煤渣基本性能測試結果

3)發泡劑:十二烷基硫酸鈉,白色粉末狀物質,分析純,純度高于99.6%。

4)穩泡劑:黃原膠,淡黃色顆粒狀物質,分析純,純度高于95%。

1.2 配合比設計

分別以上述三種煤渣骨料制備泡沫輕質土,測試不同煤渣種類、細度、摻量對泡沫輕質土流動度、濕密度、干密度、7 d及28 d抗壓強度等性能的影響,配合比設計參數如表3所示。

表3 煤渣泡沫輕質土配合比

1.3 方法

1.3.1 密度測試

泡沫輕質土的密度參照《泡沫混凝土》(JG/T 266—2011)進行測試。測試干密度時,以3塊泡沫輕質土為一組,將試件放在溫度為(60±5)℃箱內烘干至前后兩次相隔4 h的質量差不大于1 g,取出后,試件應放入干燥器內并在試件冷卻至室溫后稱取試件烘干質量。測試濕密度時,將試件完全浸泡于水中不少于24 h,并保證水位線不低于試塊表面2 cm,將試塊取出后擦干表面明水測得試件質量。將試件質量除以試件體積,得到試件對應密度。

1.3.2 抗壓強度測試

依據《泡沫混凝土》(JT/G 266—2011),每組試樣取試件3塊,加載速度( 2.0±0.5) kN/s,連續而均勻地加荷直至試件破壞,記錄破壞荷載,最后取3塊試件平均強度作為抗壓強度。

1.3.3 軟化系數測試

測試標養28 d的100 mm×100 mm×100 mm的泡沫輕質土試件,其軟化系數為k=f1/f0。其中,f1為泡沫輕質土在不同天數浸水條件下吸水飽和狀態的試件抗壓強度;f0為泡沫輕質土在不同天數標準養護條件下干燥狀態的試件抗壓強度。

2 試驗結果

2.1 煤渣種類的影響

煤渣參數對泡沫輕質土性能影響的測試結果見圖2。

由圖2可知,相同摻量的情況下,SS制備的泡沫土濕密度、干密度最低,FM次之,ZM制備的泡沫土濕密度、干密度均較高。這是由于煤渣的性能與其孔隙結構密切相關,孔隙結構又受其成型條件影響,從而對泡沫輕質土的性能產生影響,SS內部孔隙最多、吸水率最高,配制出來的泡沫土密度和強度相對較低;ZM內部孔隙相對較少、吸水率低,泡沫土的密度和強度較高;FM是SS、ZM冷卻形成過程中掉落的小顆粒和粉末,以及大塊的SS、ZM破碎產生的粉末,表觀密度介于SS和ZM,因此泡沫土性能也介于兩者之間。

SS配制的泡沫土的軟化系數最高、耐水性能最好,ZM次之,FM的最低。這與三種煤渣的形成條件有關,SS的孔隙率高于ZM,粒徑相近的情況下表面更粗糙,與漿體的結合更為緊密,軟化系數更高;FM的比表面積雖然更大,但顆粒較小,粗糙度明顯降低,界面薄弱區最多,致使水浸泡后強度損失大。因此泡沫土的密度、抗壓強度的變化與煤渣的密度和筒壓強度呈正相關趨勢,與煤渣的1 h吸水率呈負相關趨勢。

2.2 煤渣細度的影響

將多孔疏松塊狀結構煤渣(SS)篩分至不同細度,探究煤渣細度模數對泡沫土性能的影響,測試結果如圖3所示。

由圖3可知,隨著細度模數的增大,泡沫土的流動度逐漸增大,7 d抗壓強度和軟化系數逐漸降低,28 d抗壓強度先增大后減小。骨料的細度模數越大,其比表面積越小,包裹所需要的漿體就越少,富余漿體越多,體現為流動度的增加;細度模數越大,粗顆粒就越多,對于多孔疏松塊狀結構煤渣,顆粒越粗,內部的孔隙、缺陷就越多,骨料強度就越低,表現為泡沫土抗壓強度的降低,經破碎處理后,大顆粒在孔隙處破裂變為小顆粒,缺陷減少,表現為強度的增加。因此當煤渣細度模數介于2.3～3.5,其性能表現較優。

2.3 煤渣摻量的影響

以細度模數2.3的SS為骨料,探究不同煤渣摻量對泡沫輕質土性能的影響,測試結果如圖4所示。

由圖4可知,隨著煤渣摻量的增加,泡沫土的流動度降低,且摻量超過65%后流動度的降低幅度明顯加快,此外,濕密度逐漸降低,干密度先降低后略有提升后再降低,抗壓強度也逐漸降低。在輕質土中,漿體和泡沫首先填充煤渣堆積的孔隙,富余的漿體和泡沫則形成漿體膜包裹煤渣顆粒,因此煤渣摻量越多、水泥摻量越少,富余的漿體和泡沫就越少,表現為泡沫土流動度的降低。而煤渣密度低于漿體密度,因此煤渣摻量增加泡沫土密度也逐漸降低并趨于平緩。同時泡沫土中致密的水化產物減少,高孔隙率的煤渣增多,泡沫土中的結構缺陷增多,表現為強度降低和軟化系數降低,因此,煤渣摻量應不超過65%。