攪拌站廢料對(duì)膠砂性能的影響

胡玉婷

（中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300450）

0 引言

在我國(guó)大部分地區(qū)，建筑用砂主要采用的是天然砂和機(jī)制砂。 然而，隨著基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，優(yōu)質(zhì)砂資源逐漸減少，甚至出現(xiàn)天然砂和機(jī)制砂短缺的窘境［1］。 與此同時(shí)，水泥生產(chǎn)行業(yè)帶來(lái)的碳排放量大，在建設(shè)過(guò)程中急需降低水泥用量，以符合國(guó)家倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。 因此，探尋新型建筑材料，替代部分水泥和天然砂，以制備水泥基材料顯得較為迫切［2，3］。

從現(xiàn)有工業(yè)體系中，開(kāi)發(fā)具有潛在活性的固體廢棄物作為水泥基材料原材料是一種常用的研究思路和技術(shù)［4，5］。 混凝土攪拌站生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量堿性的廢料和廢液，直接排放會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厮春屯寥涝斐森h(huán)境污染［6］，而廢料和廢液中含有一定量的水泥、粉煤灰、礦粉和其他膠凝材料組分以及不同尺寸的粗細(xì)骨料［7，8］，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的技術(shù)處理后，具有成為水泥基材料原材料的潛力。張巖巖［9］通過(guò)測(cè)試抗壓強(qiáng)度、SEM 和孔結(jié)構(gòu)，研究了攪拌站污泥取代水泥對(duì)砂漿性能的影響。 結(jié)果表明，隨著攪拌站污泥摻量增加，砂漿強(qiáng)度降低，但摻量小于10%時(shí)與基準(zhǔn)組強(qiáng)度相近。 張敏［10］通過(guò)測(cè)試抗壓強(qiáng)度、干燥收縮和SEM，研究了新、老攪拌站污泥粉對(duì)混凝土性能的影響。 結(jié)果表明，新攪拌站污泥粉摻量不超過(guò)10%增加了混凝土抗壓強(qiáng)度，同時(shí)降低了干燥收縮。 這表明攪拌站廢料應(yīng)用于水泥基材料具有可行性。 攪拌站廢料資源化利用符合國(guó)家倡導(dǎo)的“無(wú)廢城市”建設(shè)戰(zhàn)略，而固廢資源化利用也是建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措。

基于此，將攪拌站廢料粉和廢料砂分別取代部分水泥和標(biāo)準(zhǔn)砂制備膠砂，研究攪拌站廢料對(duì)膠砂流動(dòng)度和強(qiáng)度的影響，結(jié)合掃描電鏡研究?jī)?nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，揭示其影響機(jī)理，從而減少攪拌站廢料的無(wú)序排放，實(shí)現(xiàn)其高附加值利用。

1 原材料和實(shí)驗(yàn)方案

1.1 原材料

試驗(yàn)所用的水泥為P·O42.5 級(jí)水泥，比表面積為348 m2／kg；所用的攪拌站廢料來(lái)源于殘存于混凝土攪拌車(chē)內(nèi)，生產(chǎn)時(shí)間在2 h 內(nèi)的新拌混凝土，攪拌站廢料砂細(xì)度模數(shù)為2.4；攪拌站廢料粉比表面積為451 m2／kg，28d 的活性指數(shù)為81%。 混凝土攪拌站生產(chǎn)廢料粉和廢料砂的生產(chǎn)工藝，如圖1 所示。 采用ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂；拌和水選用城市自來(lái)水。 水泥和攪拌站廢料粉的化學(xué)成分，見(jiàn)表1。

圖1 攪拌站廢料粉和廢料砂的生產(chǎn)工藝

表1 水泥和攪拌站廢料粉的化學(xué)成分%

1.2 試件制備

膠砂是由水泥、攪拌站廢料粉和廢料砂、標(biāo)準(zhǔn)砂和水混合而成，其質(zhì)量配合比，見(jiàn)表2。 試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6 組配合比，其中M-0 為不摻攪拌站廢料粉和廢料砂的基準(zhǔn)組，M-10P 和M-20P 分別為攪拌站廢料粉取代10%和20%水泥的膠砂試件；M-10S 和M-20S 分別為攪拌站廢料砂取代10%和20%標(biāo)準(zhǔn)砂的膠砂試件；M-10P-10S 為攪拌站廢料粉取代10%水泥，同時(shí)攪拌站廢料砂取代10%標(biāo)準(zhǔn)砂的膠砂試件。 膠砂水膠比恒定為0.5。

表2 攪拌站廢料的膠砂配合比g

先將水泥、攪拌站廢料粉和廢料砂以及標(biāo)準(zhǔn)砂干拌2 min 混合均勻，加水繼續(xù)攪拌3 ～4 min，而后測(cè)定拌和物流動(dòng)度，隨后將膠砂倒入40 mm×40 mm×40 mm 塑料模具中成型，將成型好的模具放到振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)60 次，使膠砂變得均勻密實(shí)，貼上標(biāo)簽，置于溫度（20±2）℃，濕度95%的養(yǎng)護(hù)箱中直至脫模和測(cè)試齡期。

1.3 試驗(yàn)方法

不同攪拌站廢料粉和廢料砂的膠砂流動(dòng)度，采用水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定儀（型號(hào)HFD-LDD-3）按照（GB／T2419-2005）《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)試。

采用水泥膠砂攪拌機(jī)（型號(hào)JJ-5）成型膠砂，24 h 后拆模，養(yǎng)護(hù)至3 d、7 d 和28 d 齡期時(shí)，測(cè)試其立方體抗壓強(qiáng)度，使用3 個(gè)立方體試件抗壓強(qiáng)度的平均值，作為每組試件的抗壓強(qiáng)度，具體參照（GB／T17671-2021）《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》進(jìn)行。

膠砂微觀形貌采用電子掃描顯微鏡（型號(hào)JSM-6360LV）進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 廢料對(duì)膠砂流動(dòng)度的影響

流動(dòng)度是反映膠砂工作性能的一個(gè)重要指標(biāo)。 圖2 為攪拌站廢料對(duì)膠砂流動(dòng)度的影響。 由圖2 可知，膠砂流動(dòng)度隨攪拌站廢料摻量增加，呈先增后減的趨勢(shì)，摻加10%的攪拌站廢料粉和攪拌站廢料砂分別取代水泥和標(biāo)準(zhǔn)砂的膠砂流動(dòng)度分別為175 mm 和168 mm，相比于基準(zhǔn)組M-0 分別提高了6%和1.81%；而摻加20%的攪拌站廢料粉和攪拌站廢料砂分別取代水泥和標(biāo)準(zhǔn)砂的膠砂流動(dòng)度分別為160 mm 和155 mm，相比于M-0分別減小了3.03%和6%；而同時(shí)摻加10%攪拌站廢料粉和10%攪拌站廢料砂時(shí)，膠砂流動(dòng)度略小于基準(zhǔn)組。

圖2 不同摻量攪拌站廢料對(duì)膠砂流動(dòng)度的影響

摻加少量攪拌站廢料粉或攪拌站廢料砂改善了膠砂流動(dòng)度，進(jìn)一步增加摻量則會(huì)降低膠砂流動(dòng)性。 由于廢料粉顆粒細(xì)、活性低，細(xì)小顆?？梢云鸬教畛湫?yīng)，少量廢料粉能夠填充漿體中部分空隙，釋放更多的自由水，與水泥和砂形成連續(xù)的水膜。 膠砂內(nèi)部水膜之間起著潤(rùn)滑劑的作用［11］，提高了膠砂流動(dòng)性［12-16］。 此外，因?yàn)閺U料粉比表面積大，含有較多的內(nèi)部孔隙，吸收水分，因此隨著摻量增加，部分自由水被吸附導(dǎo)致需水量增加［17，18］，同時(shí)降低了固體顆粒的水膜厚度，使得內(nèi)部阻力增大導(dǎo)致膠砂拌和物流動(dòng)度減?。?9］。另一方面，相比于標(biāo)準(zhǔn)砂，摻加少量廢料砂有助于增加流動(dòng)度；但是廢料砂中存在大量相互連通的孔隙，其孔隙率和吸水率均比標(biāo)準(zhǔn)砂大，導(dǎo)致膠砂吸水能力增強(qiáng)，表面吸附水增加，內(nèi)部阻力增大，從而引起膠砂流動(dòng)度下降［20，21］。

2.2 廢料對(duì)膠砂抗壓強(qiáng)度的影響

攪拌站廢料粉和廢料砂對(duì)膠砂3d、7d 和28d的抗壓強(qiáng)度影響，如圖3 所示。 由圖3 可知，隨著攪拌站廢料粉或廢料砂摻量的增加，膠砂抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。 在早齡期3 d 和7 d 時(shí)，攪拌站廢料膠砂的抗壓強(qiáng)度低于基準(zhǔn)組膠砂。 養(yǎng)護(hù)至28 d，摻加10%和20%攪拌站廢料粉的膠砂抗壓強(qiáng)度分別為53.3 MPa 和40.4 MPa，相比于基準(zhǔn)膠砂分別增加了4.1%和降低了21.1%；摻加10%和20%攪拌站廢料砂的膠砂抗壓強(qiáng)度分別為48.2 MPa 和44.8 MPa，相比于基準(zhǔn)膠砂分別降低了5.9%和12.5%；而同時(shí)摻加10%攪拌站廢料粉和10%廢料砂的膠砂28d 抗壓強(qiáng)度相比于基準(zhǔn)膠砂增長(zhǎng)了2.9%，也高于單摻20%攪拌站廢料粉或廢料砂的膠砂。 究其原因在于混凝土攪拌站廢料含有未水化顆粒，會(huì)發(fā)生二次水化反應(yīng)，產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物［22］，隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)，有助于提高抗壓強(qiáng)度；但隨著廢料摻量的逐漸增大，廢料稀釋作用的效果逐漸明顯，導(dǎo)致水化產(chǎn)物量減少，降低了膠砂抗壓強(qiáng)度［23］。 而攪拌站廢料砂由于具有較大的孔隙率和吸水率，會(huì)吸附周?chē)淖杂伤档湍z砂的工作性，減少了水泥水化所需的用水量，導(dǎo)致生成的C-S-H 凝膠減少，不利于提高抗壓強(qiáng)度［24］。

圖3 不同摻量攪拌站廢料對(duì)膠砂抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 廢料對(duì)膠砂微觀形貌的影響

選取有代表性的膠砂試件，觀察其28d 微觀形貌，如圖4 所示。 從圖4 可以看出，基準(zhǔn)膠砂具有較為緊密的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，未見(jiàn)明顯的大孔孔隙和微裂縫，水化產(chǎn)物含量較多，少量細(xì)孔孔隙分散其中；摻加10%攪拌站廢料粉膠砂，水化產(chǎn)物更多，其原因可能在于廢料粉中含有未水化顆粒，發(fā)生二次水化反應(yīng)，產(chǎn)生了更多水化產(chǎn)物。 此外，微小顆粒填充了較大孔隙，改善其孔隙結(jié)構(gòu)，相比于基準(zhǔn)膠砂，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)更加緊密，未見(jiàn)連通的孔隙和微裂縫等缺陷；摻加10%攪拌站廢料砂膠砂內(nèi)部存在明顯的孔隙和微裂縫，部分大孔孔隙和裂縫連通，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為疏松，水化產(chǎn)物較少；而摻加10%攪拌站廢料粉和10%攪拌站廢料砂的膠砂內(nèi)部結(jié)構(gòu)也較為緊密，沒(méi)有連通的大孔隙和裂縫，這與膠砂抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律對(duì)應(yīng)。

圖4 攪拌站廢料膠砂微觀形貌

3 結(jié)論

（1） 摻加10%攪拌站廢料粉或廢料砂有利于提高膠砂流動(dòng)度，但摻加20%攪拌站廢料粉或廢料砂，或同時(shí)摻加10%攪拌站廢料粉和10%廢料砂降低了膠砂流動(dòng)度。

（2） 混凝土攪拌站廢料膠砂早齡期抗壓強(qiáng)度低于基準(zhǔn)膠砂；摻加10%攪拌站廢料粉的膠砂28d 抗壓強(qiáng)度高于基準(zhǔn)膠砂。 而同時(shí)摻加10%攪拌站廢料粉和10%廢料砂的膠砂28d 抗壓強(qiáng)度高于單摻20%攪拌站廢料粉或廢料砂的膠砂。

（3） 摻加10%攪拌站廢料粉細(xì)化了膠砂內(nèi)部孔隙；摻加10%攪拌站廢料砂增加了膠砂內(nèi)部孔隙，疏松了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)；同時(shí)摻加10%攪拌站廢料粉和10%廢料砂膠砂內(nèi)部結(jié)構(gòu)也較為密實(shí)。