供　稿|王茂桑 / WANG Mao-sang

礦產(chǎn)廢棄物對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

供稿|王茂桑 / WANG Mao-sang

內(nèi)容導(dǎo)讀

煤矸石作為金屬礦物開采過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，通過一定的化學(xué)工藝，可以轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘牡V物質(zhì)材料——偏高嶺土。將其作為外摻劑加入混凝土中，利用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，對(duì)偏高嶺土改性混凝土的強(qiáng)度的影響因素、荷載-變形曲線、破壞形式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。發(fā)現(xiàn)隨著偏高嶺土摻量的增加，改性混凝土的抗壓強(qiáng)度先增加后降低，存在一個(gè)最優(yōu)偏高嶺土摻量；偏高嶺土的加入使得混凝土的破壞形式由剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘浧茐?。該?shí)驗(yàn)為偏高嶺土在水泥樁中的應(yīng)用和研究提供了一定的參考依據(jù)。

混凝土攪拌樁是以混凝土為固化劑，利用深層攪拌機(jī)械，就地將地基土與固化劑進(jìn)行強(qiáng)制攪拌，通過混凝土與土體的一系列物理-化學(xué)變化，形成具有一定整體性、強(qiáng)度和水穩(wěn)定性的樁體，從而達(dá)到加固軟弱土體的目的。因而，混凝土性能的好壞直接影響到建筑物的安全和使用壽命。在混凝土中加入一定量的摻合料，可以有效地改善混凝土的性能，對(duì)此，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究［1-5］。然而，大部分的摻合料只是從增大混凝土顆粒間的連接強(qiáng)度或增加混凝土的密實(shí)度中的某一方面來改善混凝土的性能，并非從其反應(yīng)本身出發(fā)。

在有色金屬礦物的開采過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢棄物。煤矸石作為其中的一種，傳統(tǒng)的方法是將其作為回填物進(jìn)行二次利用。煤矸石經(jīng)過高溫煅燒等化學(xué)工藝，可以生成偏高嶺土（Metakaolin，簡寫為MK）。作為一種新型、高效的礦物摻合料，相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究［6-11］表明，偏高嶺土（MK）對(duì)混凝土的強(qiáng)度、滲透性、耐久性等性能有很好的改良作用。由于它本身含有大量活性的物質(zhì)，可以與混凝土水化產(chǎn)生的Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，加速混凝土的水化，同時(shí)生成水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠，增強(qiáng)顆粒間的連接強(qiáng)度，進(jìn)一步填充了顆粒間的孔隙，從而達(dá)到增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的目的。從實(shí)際工程出發(fā)，選用太原地區(qū)的粉質(zhì)粘土作為材料，分析了偏高嶺土、齡期對(duì)改性混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，同時(shí)結(jié)合偏高嶺土改性混凝土的荷載-變形曲線，分析了偏高嶺土改性混凝土的破壞形式。最后對(duì)偏高嶺土在混凝土中的作用機(jī)理進(jìn)行了分析，為偏高嶺土改性混凝土的應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。

實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所選用的土料取自太原某工地，屬于粉質(zhì)粘土，具體物理性質(zhì)指標(biāo)見表1?；炷敛捎锚{頭牌普通硅酸鹽混凝土。偏高嶺土為煤系偏高嶺土，主要成分見表2。水為普通自來水。實(shí)驗(yàn)前，將土料風(fēng)干、碾碎，過2.5 mm篩，然后密封保存。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將土料、混凝土、偏高嶺土用砂漿攪拌機(jī)攪拌均勻，然后再加入水，保證混凝土的均勻性。

表1　土樣的物理指標(biāo)

表2　偏高嶺土化學(xué)組分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

實(shí)驗(yàn)方法

在混凝土中，混凝土摻量占干土質(zhì)量的15%，水摻量占干土質(zhì)量的40%，保持混凝土摻量和水摻量不發(fā)生變化，偏高嶺土摻量分別占干土質(zhì)量的0%（MK0）、3%（MK3）、6%（MK6），養(yǎng)護(hù)齡期為7、14、28、60、90 d。實(shí)驗(yàn)采用70.7 mm×70.7 mm× 70.7 mm的混凝土試模，每個(gè)配比，每個(gè)齡期做3個(gè)試塊，一共45個(gè)試塊。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，溫度（20±1）℃，濕度98%。試塊達(dá)到設(shè)計(jì)齡期后，采用WDW-100微機(jī)控制萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)其進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其實(shí)測的荷載-位移曲線進(jìn)行保存。實(shí)驗(yàn)過程中，加荷速率控制在0.1 kN/s，直至試樣發(fā)生破壞，取其破壞時(shí)的極限荷載作為其抗壓強(qiáng)度值。數(shù)據(jù)處理時(shí)，若每組的抗壓強(qiáng)度值在其平均值的15%以內(nèi)，為有效數(shù)據(jù)；若有一個(gè)不在，將其剔除；若有兩個(gè)不在，則視為無效，重新補(bǔ)做，直至滿足要求。

結(jié)果與分析

不同偏高嶺土摻量、不同齡期下的混凝土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3為不同偏高嶺土摻量、不同齡期下的混凝土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在混凝土中加入一定量的偏高嶺土，能夠提高混凝土的強(qiáng)度。隨著偏高嶺土摻量的增大，混凝土的強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)偏高嶺土摻量在3%時(shí)，混凝土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，存在一個(gè)最優(yōu)偏高嶺土摻量。偏高嶺土的摻入有利于混凝土早期強(qiáng)度的提高。

表3　不同偏高嶺土摻量下的混凝土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖1　混凝土強(qiáng)度與偏高嶺土摻量的關(guān)系

偏高嶺土摻量對(duì)改性混凝土強(qiáng)度的影響

圖1為不同齡期下混凝土強(qiáng)度與偏高嶺土摻量之間的關(guān)系。從圖中可以看出：當(dāng)齡期在7 d時(shí)，MK介于 0～3%之間的混凝土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度幾乎沒有增長，說明在MK ＜3%時(shí)，偏高嶺土對(duì)混凝土早期強(qiáng)度變化影響不大，偏高嶺土并沒有參與到混凝土的反應(yīng)當(dāng)中。在MK摻量介于3%～6%時(shí)，混凝土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所提升，可能是由于偏高嶺土的“填充效應(yīng)”使得混凝土的抗壓強(qiáng)度提高。當(dāng)齡期在14～28 d時(shí)，隨著偏高嶺土摻量的增加，混凝土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也增大。當(dāng)MK＞3%時(shí)，偏高嶺土對(duì)混凝土強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)明顯減緩。當(dāng)齡期在60 d后，混凝土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著偏高嶺土摻量的增大呈拋物線趨勢變化。當(dāng)MK=3%時(shí)，混凝土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。當(dāng)MK=6%時(shí)，此時(shí)混凝土的強(qiáng)度同不摻偏高嶺土的強(qiáng)度相同，是因?yàn)槠邘X土反應(yīng)后生成的鈣礬石具有膨脹作用，破壞了混凝土本身的結(jié)構(gòu)，但是由于未反應(yīng)的偏高嶺土的“填充效應(yīng)”，二者作用相互抵消，使得混凝土強(qiáng)度同不摻偏高嶺土的混凝土的強(qiáng)度相同。

養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)改性混凝土強(qiáng)度的影響

圖2為不同偏高嶺土摻量下混凝土強(qiáng)度與齡期的關(guān)系。隨著齡期的增長，不同偏高嶺土摻量下的混凝土的強(qiáng)度均提高。

圖2　混凝土強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

以90 d混凝土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)偏高嶺土摻量為0時(shí)，混凝土早期（T≤7 d）的抗壓強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的31.5%，中期（7＜T＜60 d）的抗壓強(qiáng)度比重增長了67.5%，后期（T≥60 d）的抗壓強(qiáng)度比重增長了1%。當(dāng)偏高嶺土摻量為3%時(shí)，早期抗壓強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的24%，中期抗壓強(qiáng)度比重增長了57.6%，后期抗壓強(qiáng)度比重增長了18.4%。當(dāng)偏高嶺土摻量為6%時(shí)，混凝土早期強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的36.4，中期抗壓強(qiáng)度比重增長了60.2%，后期抗壓強(qiáng)度比重增長了3.4%。未摻偏高嶺土的混凝土各個(gè)齡期強(qiáng)度增長比重和已有文獻(xiàn)［12-13］基本吻合，說明該組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可信，具有一定的代表性。

當(dāng)不摻偏高嶺土?xí)r，混凝土的強(qiáng)度在60 d時(shí)，已經(jīng)達(dá)到最大值，趨于穩(wěn)定。當(dāng)偏高嶺土摻量為3%時(shí)，其早期強(qiáng)度有所降低，但是后期強(qiáng)度比重大，且還有繼續(xù)增長的趨勢。當(dāng)偏高嶺土摻量為6%時(shí)，早期強(qiáng)度增長比重較大，后期仍有一定的強(qiáng)度增長比重，但是增長趨勢減緩。

偏高嶺土改性混凝土的荷載-位移曲線

圖4和圖5分別為齡期28、90 d不同偏高嶺土摻量的混凝土的荷載-變形曲線。圖4和圖5為實(shí)測的曲線，未作任何處理，曲線開始一平滑段指的是實(shí)驗(yàn)機(jī)與試塊剛發(fā)生接觸，試塊并未完全受力，但是對(duì)后期曲線的斜率，以及極限抗壓強(qiáng)度沒有影響。從圖中可以看出，混凝土試塊在加載過程中，荷載-變形曲線大致分為四個(gè)階段。第一階段：a—b，這個(gè)階段的曲線呈現(xiàn)下凹的形狀，這是因?yàn)榭紫对谑艿酵饬Φ淖饔孟?，?huì)發(fā)生閉合，使得顆粒與顆粒之間的著力點(diǎn)增多，受力面積增大。第二階段：b—c，彈性變形階段，荷載隨著變形的增大而線呈線性增長的趨勢，顆粒與顆粒之間的凝膠發(fā)生變形；第三階段，c—d，隨著變形的增加，荷載增長速率變緩，并逐漸達(dá)到最大值，試塊中的剪力超過顆粒之間的粘結(jié)力和摩擦力，使得試塊發(fā)生破壞；第四階段：d以后，變形迅速增大，荷載減小，此時(shí)試塊還能承受一部分殘余荷載。

圖3　28 d混凝土荷載-變形曲線

圖4　90 d混凝土荷載-變形曲線

在圖4中，MK3的ab段較長，是因?yàn)槲⒖妆容^多，MK6的ab段同MK0的ab段相差不大，是因?yàn)镸K摻量較多，火山灰效應(yīng)產(chǎn)生大量的鈣礬石，使得微孔被填充，相對(duì)數(shù)量減少。在bc段，MK3、MK6的斜率近似一樣，“變形模量”相等，MK0的稍微顯小，是因?yàn)镸K3、MK6在28 d時(shí)，混凝土的水化作用和偏高嶺土的火山灰效應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，產(chǎn)生的凝膠較多，故“變形模量”較大。在圖5中，MK3曲線上的bc段的斜率明顯大于MK0和MK6的斜率，是由于混凝土的水化反應(yīng)和偏高嶺土的二次反應(yīng)產(chǎn)生大量的凝膠和晶體，增大了混凝土的“變形模量”，而MK0和MK6的斜率相同，是因?yàn)槠邘X土對(duì)混凝土的膨脹作用與“填充效應(yīng)”相互抵消，使得MK0和MK6的“變形模量”相同。

偏高嶺土改性混凝土的破壞形式

在試塊加載過程中，首先在表面靠近棱的部位出現(xiàn)豎向裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)展，上下延伸，同時(shí)，試塊的棱角上出現(xiàn)斜向的裂紋，斜向的裂紋與豎向的裂紋逐漸貫通，混凝土剝落，最終導(dǎo)致試塊發(fā)生破壞，破壞面與水平面成一定夾角，破壞面基本呈圓弧狀，表面凹凸不平。圖3分別為偏高嶺土摻量0、3%、6%的混凝土破壞后的圖片。從圖中，可以看出，隨著偏高嶺土摻量的增加，破壞面與水平面夾角在增大。破壞模式由剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘浧茐?，這是因?yàn)殡S著偏高嶺土摻量的增加，二次反應(yīng)生成的凝膠增多，顆粒間的粘結(jié)力增強(qiáng)，內(nèi)摩擦力增大，使其抗剪強(qiáng)度增大，剪切面發(fā)生改變，從而提高其抗壓強(qiáng)度。

偏高嶺土作用機(jī)理

從圖1和圖2中未摻偏高嶺土的混凝土和摻偏高嶺土混凝土的強(qiáng)度的對(duì)比，現(xiàn)將混凝土和偏高嶺土在混凝土試塊的硬化過程中各個(gè)齡期二者所起的作用概括如下：當(dāng)齡期在7 d以內(nèi)時(shí)，以混凝土的水化反應(yīng)為主；當(dāng)齡期在7～60 d之間時(shí)，混凝土的水化反應(yīng)和偏高嶺土的火山灰效應(yīng)二者相互作用、共同進(jìn)行；當(dāng)齡期大于60 d后，混凝土的水化作用趨于完成，這個(gè)階段主要是偏高嶺土的填充效應(yīng)起作用。

圖5　混凝土破壞后形態(tài)

結(jié)束語

將偏高嶺土加入混凝土中，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，對(duì)偏高嶺土改性混凝土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度以及改性混凝土的破壞形式進(jìn)行了分析。同時(shí)，通過比較不同齡期下改性混凝土強(qiáng)度增長比重，對(duì)混凝土、偏高嶺土在各個(gè)齡期的作用進(jìn)行了定性的分析。

1） 混凝土的強(qiáng)度隨著偏高嶺土摻量的增加呈現(xiàn)拋物線增長趨勢。當(dāng)偏高嶺土摻量為3%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。

2） 在混凝土中摻入一定量的偏高嶺土后，混凝土的破壞形式是由剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘浧茐摹?/p>

3） 混凝土的早期強(qiáng)度主要是混凝土的水化作用提供，中期的強(qiáng)度是由混凝土的水化作用和偏高嶺土的火山灰效應(yīng)二者共同作用產(chǎn)生的，后期的強(qiáng)度由偏高嶺土的填充效應(yīng)提供。

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Infl uence of Mineral Waste on Cement-soil Mechanical Performance

10.3969/j.issn.1000-6826.2016.05.02

王茂桑（1963—），男，山西省建筑科學(xué)研究院高級(jí)工程師，主要從事地基基礎(chǔ)處理等工作。通信地址：030001 山西省太原市山右巷10號(hào)，E-mail：642814214@ qq.com。

山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001