趙晶，李中順，汪鑫

(大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

固體廢棄物在混凝土中的應(yīng)用研究

趙晶，李中順，汪鑫

(大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

以破碎的廢混凝土作為替代粗骨料，冶煉渣作為替代細(xì)骨料，通過試驗(yàn)研究了粗骨料和細(xì)骨料在不同替代率的情況下混凝土的性能以及摻合料對混凝土性能的影響.研究表明：隨著替代粗骨料替代率的增加混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗氯離子滲透性能也隨之有少量的降低，適當(dāng)摻量的冶煉渣替代細(xì)骨料可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性，但摻量過大反而使混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性降低. 摻合料的加入會提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)，對混凝土的耐久性有明顯的改善.

替代骨料；冶煉渣；力學(xué)性能；耐久性；摻合料

0 引言

我國是一個資源短缺、粗放經(jīng)營的資源消費(fèi)大國，經(jīng)濟(jì)增長帶來的資源和環(huán)境問題越來越受到重視.但目前我國對建筑垃圾的利用率極低，一般作為回填和道路墊層等基礎(chǔ)材料的低級利用.對再生骨料卻缺乏系統(tǒng)的科學(xué)研究[1].再生混凝土的力學(xué)性能與再生骨料的類型、粒徑、摻量等因素有關(guān)，還有就是與水灰比有關(guān)[2].研究表明再生骨料的取代率對再生混凝土的力學(xué)性能有較為明顯的影響，當(dāng)再生骨料取代率50%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度超過基準(zhǔn)混凝土，隨著再生骨料取代率的繼續(xù)增加再生混凝土的抗壓強(qiáng)度又逐漸的降低[3],文獻(xiàn)[4- 6]中對再生混凝土做了大量研究.Caroline Morrison等分別以不同取代率的兩種鋅礦渣作為再生細(xì)骨料，對混凝土的水化熱隨時(shí)間的變化做了實(shí)驗(yàn)研究.研究表明：隨著鋅礦渣取代率的增加混凝土的水化放熱時(shí)間也隨之延后.當(dāng)鋅礦渣完全取代細(xì)骨料使混凝土的水化放熱時(shí)間有大幅度延遲現(xiàn)象[7].Bahador Sabet Divsholi 等分別對不同取代率的高爐礦渣水泥混凝土做了碳化、氯離子滲透等耐久性分析.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：高爐礦渣部分取代細(xì)骨料的混凝土的耐久性完全可以滿足實(shí)際工程需要.冷發(fā)光[8]將測試混凝土的擴(kuò)散系數(shù)的方法分為慢速法、快速法和其他方法.其他學(xué)者也提出了很多測試氯離子擴(kuò)散的方法[9- 11].

本文對廢棄混凝土替代碎石，冶煉渣替代部分砂的混凝土進(jìn)行了力學(xué)、氯離子滲透實(shí)驗(yàn).分析了不同替代骨料取代率的混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，探討了摻合料對混凝土性能影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著替代粗骨料替代率的增加混凝土的強(qiáng)度隨之降低、氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大；適當(dāng)冶煉渣替代普通細(xì)骨料的混凝土的強(qiáng)度有少量提高；硅灰的加入顯著的改善了混凝土的抗氯離子滲透性，并且混凝土的強(qiáng)度也有所提高.

1 原材料性能分析和配合比方案

1.1 原材料

水泥： 42.5R級普通硅酸鹽水泥；粉煤灰：大連華能II級；硅灰：硅灰基本物理力學(xué)性能如下：比表面積為23 200 m2/kg，密度為2.2 g/cm3，含水量為1.4%，需水量比為125%，活性指數(shù)為128%.

粗骨料：普通石灰?guī)r碎石、替代粗骨料(實(shí)驗(yàn)室C40普通混凝土經(jīng)人工破碎).粗骨料技術(shù)指標(biāo)如表1所示.

細(xì)骨料：大連河砂、冶煉渣，級配如圖1(a)；加入30%、50%冶煉渣的細(xì)骨料級配如圖1(b).

表1 粗骨料技術(shù)指標(biāo)

(a) 細(xì)骨料

(b) 30%、50%冶煉渣替代細(xì)骨料

由圖1可以看出大連河砂、冶煉渣、加入30%、50%冶煉渣的細(xì)骨料分別在中砂區(qū)、過粗沙區(qū)、中砂區(qū)、粗砂區(qū).

1.2 配合比方案

由于廢棄混凝土的吸水率要遠(yuǎn)大于普通碎石，所以本實(shí)驗(yàn)采取預(yù)濕法(將替代粗骨料浸入水中24 h后取出用干布擦拭表面至飽和面干)，按普通混凝土配合比規(guī)范配制C35混凝土，塌落度控制在5～7 cm，通過振搗成型.試驗(yàn)配合比如表2，其中N為基準(zhǔn)混凝土、RC為不同替代粗骨料替代率的混凝土、RX為不同替代細(xì)骨料替代率的混凝土、RCX為粗骨料替代率是50%、細(xì)骨料替代率是30%的混凝土.RCX(S)為加入硅灰的混凝土、RCX(F)為加入粉煤灰的混凝土.

力學(xué)性能參照GB/T 50081-2002規(guī)定進(jìn)行,混凝土的抗氯離子滲透試驗(yàn)采用NEL法測定.

表2 混凝土配合比

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性的影響

2.1.1 替代粗、細(xì)骨料對混凝土的抗壓強(qiáng)度影響

從不同骨料替代率的混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果中(圖2)可以看出：隨著替代粗骨料替代率的增加混凝土的抗壓強(qiáng)度總體上隨之降低，并且下降的速度呈現(xiàn)變緩的趨勢.這是因?yàn)樵偕止橇媳砻姘粚由皾{，當(dāng)混凝土中加入再生粗骨料時(shí)，混凝土中會存在三種界面：舊砂漿-碎石界面、新砂漿-舊砂漿界面、新砂漿-碎石界面.混凝土的界面過渡區(qū)是Ca(OH)2、鈣礬石富集區(qū)，孔隙率較高，是混凝土的薄弱區(qū)，同時(shí)也是應(yīng)力集中區(qū).由于摻加替代骨料的混凝土的界面過渡區(qū)要比普通混凝土多，因此混凝土的強(qiáng)度降低.同時(shí)替代骨料在破碎過程中也會產(chǎn)生裂紋降低了替代粗骨料的強(qiáng)度，這也造成了混凝土的強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土低.

圖2 不同替代粗、細(xì)骨料替代率的混凝土抗壓強(qiáng)度

從圖中看出當(dāng)替代細(xì)骨料替代30%細(xì)骨料時(shí)混凝土的3、7、28 d抗壓強(qiáng)度均有略微的提高.原因是冶煉渣表面比較干凈，含泥量非常小.這樣水泥與冶煉渣之間的結(jié)合就優(yōu)于普通砂與水泥之間的結(jié)合.當(dāng)替代細(xì)骨料替代50%細(xì)骨料時(shí)、混凝土的抗壓強(qiáng)度要低于基準(zhǔn)混凝土.原因是當(dāng)加入50%替代細(xì)骨料時(shí)混凝土中的細(xì)骨料屬于過粗砂區(qū)從而影響混凝土強(qiáng)度.

2.1.2 替代粗、細(xì)骨料對混凝土抗氯離子滲透性的影響

混凝土的抗氯離子滲透性是混凝土耐久性的重要組成部分，由圖3可得隨著替代粗骨料替代率的增加混凝土的抗氯離子滲透性能隨之降低.由于水泥漿體、水泥漿體與骨料的界面共同決定著混凝土的抗氯離子滲透性能，隨著替代粗骨料替代率增加混凝土的界面也隨之增多，所以隨著替代粗骨料替代率的增加混凝土的抗氯離子滲透性能隨之降低.當(dāng)替代粗骨料完全替代碎石時(shí)混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為基準(zhǔn)混凝土的1.4倍.圖3看出加入30%替代細(xì)骨料的混凝土的抗氯離子滲透性要比基準(zhǔn)混凝土好.

圖3 不同替代粗、細(xì)骨料替代率的混凝土氯離子滲透系數(shù)

2.1.3 確定最佳替代粗、細(xì)骨料的替代率

從圖2(不同替代粗、細(xì)骨料替代率的混凝土抗壓強(qiáng)度)和圖3(不同替代粗、細(xì)骨料替代率的混凝土氯離子滲透系數(shù))分析可得選取替代粗骨料替代率為50%，替代細(xì)骨料替代率為30%作為混凝土(RCX)的替代粗、細(xì)骨料是可行的.

由圖4分析得：加入30%替代細(xì)骨料和50%替代粗骨料的混凝土抗氯離子滲透性能介于只加入30%替代細(xì)骨料混凝土和只加入50%替代粗骨料混凝土之間，抗壓強(qiáng)度與只加入30%替代細(xì)骨料的混凝土和只加入50%替代粗骨料的混凝土相比有少量的降低.

(a) 混凝土抗壓強(qiáng)度

(b) 氯離子滲透系數(shù)

2.2 摻和料對混凝土的影響

2.2.1 摻和料對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖5(a)可知硅灰能有效提高混凝土的早期、后期強(qiáng)度.硅灰的最佳摻量為8%.圖5(b)分析得出粉煤灰對再生混凝土的早期強(qiáng)度影響較弱，28d強(qiáng)度為基準(zhǔn)混凝土的89%，最佳摻量為20%.

(a) 不同硅灰摻量

(b) 不同粉煤灰摻量

2.2.2 摻和料對混凝土抗氯離子滲透性的影響

從圖6中看出：加入粉煤灰和硅灰可以有效的提高混凝土的抗氯離子滲透性能.因?yàn)榉勖夯?、硅灰都能與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，細(xì)化水泥漿體孔徑，改善混凝土界面結(jié)構(gòu)，所以能有效的提高混凝土的抗氯離子滲透性能.硅灰在提高混凝土的抗氯離子滲透性能方面要優(yōu)于粉煤灰，因?yàn)楣杌业念w粒要比水泥顆粒和粉煤灰顆粒細(xì)的多，同時(shí)硅灰中含有大量的活性SiO2，所以在改善混凝土界面結(jié)構(gòu)方面比粉煤灰效果要好.

圖6 摻入粉煤灰、硅灰的混凝土氯離子滲透系數(shù)

3 結(jié)論

(1)當(dāng)替代粗骨料替代率為50%時(shí)混凝土強(qiáng)度僅下降6.4%、氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大20%，所以用破碎的廢棄混凝土替代一半的粗骨料是可行的；

(2)以30%的冶煉渣替代砂時(shí)，混凝土中的細(xì)骨料屬于中砂區(qū)，混凝土的抗壓強(qiáng)度略有提高，混凝土的抗氯離子滲透性能有較大的提高；加入50%的冶煉渣替代細(xì)骨料時(shí)混凝土中細(xì)骨料屬于過粗砂區(qū)，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能都有所降低；所以細(xì)骨料的替代應(yīng)保證處在中砂的級配區(qū)；

(3)硅灰的加入有利于混凝土力學(xué)性能和抗氯離子滲透性能的提高，硅灰最佳摻量為8%.粉煤灰能有效的提高混凝土的抗氯離子滲透性能，最佳摻量為20%.

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Application Study of Solid Waste in Concrete

ZHAO Jing,LI Zhongshun,WANG Xin

(School of Civil and Safety Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

By using broken waste concrete as substitution coarse aggregate and slag as a substitution for fine aggregate,the performance of the concrete with different replacement ratios of coarse and fine aggregates as well as the influence of mineral admixture is studied.The results showe that with the increase of substitued coarse aggregate replacement rate,the compressive strength and resistance to chloride ion permeability of the concrete are reduced slightly.Substitution fine aggregate can improve the compressive strength and resistance to chloride ion permeability with appropriate ratio while a larger amount of it will cause poor performance.The mineral admixture can improve the compressive strength and reduce the chloride ion diffusion coefficient,which improves the durability of the concrete obviously.

substitution aggregate;smelting slag；mechanical properties;durability;admixture

1673- 9590(2017)05- 0089- 05

A

2016- 06- 24

趙晶(1964-)，女，教授，博士，主要從事道路工程材料的研究 E-mail:zjing@sohu.com.