鑄造廢砂在高強混凝土中的利用

【摘" " 要】：為研究鑄造廢砂代替部分細集料用于混凝土對高強度混凝土力學(xué)性能指標的影響，對鑄造廢砂替代率為0、5%、10%、15%的混凝土進行力學(xué)性能試驗。結(jié)果表明：混凝土的力學(xué)性能與混凝土中鑄造廢砂含量直接相關(guān)，替代率為10%鑄造廢砂混凝土的試驗結(jié)果與對照組的結(jié)果幾乎一樣，其他摻量條件下混凝土的抗拉和抗壓強度下降；新拌混凝土的坍落度隨著鑄造廢砂替代率的增加而降低；鑄造廢砂替代率超過10%的混凝土試樣吸水率低于對照組。

【關(guān)鍵詞】：高強度混凝土；細集料；鑄造廢砂

【中圖分類號】：U414 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）02-49-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.02.013

Reuse of Waste Foundry Sand Used in High Strength Concrete

WANG Zhihui

（Tianjin Transportation Infrastructure Maintenance Group Co. Ltd. ，Tianjin 300350，China）

【Abstract】：In order to study on the influence of" foundry waste sand to concrete instead of some fine aggregate to concrete mechanical properties， the paper conducts mechanical properties test of the substitution ratios of foundry waste sand to fine aggregate that are respectively 0%，5%，10%and 15%. The results show that the mechanical properties are relation to the percent of foundry waste sand. The concrete with 10% waste foundry sand exhibits almost the same results with control one， the other concrete shows lower results in compressive and tensile strength. The slump of fresh concrete is decrease with the waste foundry sand ratio. The water absorption ratios of the specimens supplied with waste foundry sand over 10% were lower than the control ones. Waste foundry sand can be used in high strength concrete.

【Key words】：high strength concrete; fine aggregate; waste foundry sand

我國是全球第一大鑄件生產(chǎn)國，按鑄造生產(chǎn)用砂與鑄件1∶1計算，目前全國鑄造舊砂可達5 000萬t[1]。這些舊砂如直接丟棄，則成為了鑄造廢砂，對環(huán)境有較大影響。通常，經(jīng)過一些再生工藝可回收利用80%～90%的鑄造廢砂，但循環(huán)利用的過程中，有10%～20%的廢砂要不斷淘汰，造成每年會有近千萬噸鑄造廢砂被廢棄，大部分都被無組織排放[2]。國內(nèi)鑄造廢砂絕大部分采用填埋方式處置，若鑄造廢砂堆放層厚度按3 m設(shè)置，則每年需要20 km2土地 [3]。

由于鑄造砂本質(zhì)是摻有少量雜質(zhì)且物理性質(zhì)發(fā)生了變化的天然砂，因此取代天然砂用于基礎(chǔ)建設(shè)，是最常見的資源化利用思路，也是國內(nèi)外主要研究方向。謝一飛等[4]將廢砂加入到混凝土中，同時加入一定的助劑形成新硅酸鈣膠體，提高混凝土強度，降低混凝土脆性。劉日鑫等[5]用未處理的廢砂替代天然砂，隨著替代率的提高，混凝土流動性變差，抗壓強度隨之降低。巫昊峰[6]研究表明，鑄造廢砂顯著降低了混凝土早期抗壓強度，但其后期抗壓強度逐漸趕上了基準混凝土。Ahmad J等[7]研究以30%的粉煤灰和不同替代率的WFS（waste foundry sand，鑄造廢砂）替代天然砂制備混凝土，結(jié)果表明，WFS替代率為30%可以改善混凝土力學(xué)性質(zhì)和新拌混凝土性質(zhì)，替代率40%時強度下降。

本文對新拌和硬化混凝土進行試驗，通過控制混凝土配合比，制成強度約為65 MPa的高強混凝土；其他對比組混凝土用鑄造廢砂替代5%、10%、15%的細砂，對混凝土的物理力學(xué)性能進行評價。

1 試驗研究

1.1 材料

1.1.1 集料

集料性質(zhì)對新拌和硬化混凝土的性能影響很大，選擇兩種不同粒徑的碎石作為粗集料，天然砂和鑄造廢砂作為細集料。見表1。

1.1.2 鑄造廢砂

鑄造廢砂粒徑規(guī)格很均勻，100%的粒徑在1.18 mm以下，10%的粒徑＞0.6 mm，5%的粒徑＜0.15 mm，顏色為黑色，相對密度2.45。

1.2 室內(nèi)試驗

天然砂要求含泥量（＜0.075 mm）最多5%[8]，包括黏土和其他粉塵。細集料組成按照鑄造廢砂粒徑＜0.075 mm含量為4%進行配合，細度模數(shù)為2.53。以質(zhì)量比5%、10%、15%的鑄造廢砂替代天然細砂，水泥用量為500 kg/m3，混合物的水灰比為0.45。

通過試驗測定新拌混凝土的工作性能，測試混凝土試件劈裂抗拉強度、抗壓強度[9]。

2 結(jié)果和討論

2.1 坍落度

鑄造廢砂降低了新拌混凝土的流動性和坍落度值。這可能是由于鑄造廢砂中存在黏土細料，降低了新拌混凝土的流動性。見圖1。

2.2 抗壓強度

所有混合料的抗壓強度隨齡期逐漸增加。鑄造廢砂替代率為10%的混凝土在56 d齡期抗壓強度最高，表明10%鑄造廢砂替代率為最佳摻量。10%鑄造廢砂替代率的混凝土與對照組混凝土強度幾乎相同，而其他鑄造廢砂替代率的混凝土強度均低于對照組混凝土強度。見圖2。

鑄造廢砂的粒徑比天然砂細，隨著替代率的增加填充了細集料之間的空隙，使得集料骨架更加密實，節(jié)約水泥用量；當(dāng)廢鑄造砂替代率超過最佳摻量，集料比表面積增大，需要更多的水泥黏結(jié)料；因此，超過最佳摻量，隨著廢鑄造砂摻量增加，強度下降。

2.3 劈裂抗拉強度

劈裂抗拉強度試驗得到了與抗壓強度試驗相近的結(jié)果。鑄造廢砂替代率為5%、15%的混凝土劈裂抗拉強度試驗結(jié)果比對照組低，鑄造廢砂替代率為10%的混凝土劈裂抗拉強度比對照組稍高。見圖3。

鑄造廢砂替代率為10%時，增加了劈裂抗拉強度，說明混凝土劈裂抗拉強度與鑄造砂的含量有密切關(guān)系。鑄造廢砂替代率為5%和15%的混凝土均低于天然砂的劈裂抗拉強度，其原因同抗壓強度。

2.4 吸水性

混凝土吸水率可以間接反映混凝土孔隙的大小，減小混凝土的孔隙率可以增加混凝土的抗壓強度和抗折強度[9]。對每種混合料進行28、56 d的吸水試驗，每種混合料至少稱量3個立方體試件并浸泡1 h，從水中取出稱重；試件干燥2 d后再稱重；再在水中浸泡1 d后稱重。

56 d齡期鑄造廢砂替代率為5%的混凝土比對照組吸水率高。鑄造廢砂替代率10%、15%的混凝土吸水率減小。這可以解釋為使用鑄造廢砂填充了混凝土的孔隙，鑄造廢砂替代率為10%的混凝土吸水率與對照組很接近；鑄造廢砂替代率超過10%的試樣吸水率比對比組低。見圖4。

天然砂和鑄造廢砂的試樣孔隙率結(jié)果與吸水率試驗結(jié)果相似。鑄造廢砂替代率超過5%的混凝土，在任何齡期孔隙率都減小。

3 結(jié)論

使用10%鑄造廢砂替代天然細砂的混凝土試樣和不摻加鑄造廢砂的混凝土試樣的抗壓強度、抗拉強度及吸水率幾乎相同，替代率超過10%會降低混凝土的抗壓強度和抗拉強度。鑄造廢砂可以用于高強混凝土，但應(yīng)控制其替代天然細砂的比例。

參考文獻：

[1]宋安安.鑄造廢砂的資源化利用途徑及其環(huán)境影響[J].鑄造工程，2020，44（5）：57-62.

[2]李雪.鑄造廢砂在水泥穩(wěn)定基層中的應(yīng)用研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2017

[3]徐夢晏.鑄造廢砂再生及其環(huán)境影響評價分析[J].能源與節(jié)能，2022，（2）：203-204.

[4]謝一飛，樓浙湘，田" " 寅.鑄造廢砂對混凝土強度的影響[J].混凝土與水泥制品，2013，（12）：73-75.

[5]劉日鑫，孫可偉，林志偉，等.鑄造水玻璃廢砂在混凝土中的應(yīng)用[J].鑄造，2006，（11）：1203-1205.

[6]巫昊峰.鑄造廢砂混凝土強度、干燥收縮和抗碳化性能研究[J].硅酸鹽通報，2018，37（12）：4063-4067.

[7]Ahmad J，Aslam F，Zaid O，et al. Mechanical and durability characteristics of sustainable concrete modified with partial substitution of waste foundry sand[J]. Structural Concrete，2021，22（5）：2775-2790.

[8]GB/T 14684—2011，建設(shè)用砂 [S].

[9]JTG 3420—2020，公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程 [S].

作者簡介：王志輝（1986 - ）， 男， 天津市人， 高級工程師， 從事公路工程施工技術(shù)研究工作。