黃康華，林偉鑫，黃明輝，黃杰豪，龐雍晟，李庚英

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木學(xué)院，廣東 廣州 510642）

0 前言

利用具有火山灰活性的工業(yè)固體廢渣代替消耗大、能耗高的水泥，不但節(jié)約資源能源、防止環(huán)境污染，還能提高混凝土的耐久性[1-2]，一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)粉煤灰的利用率達(dá)75%、煤矸石的利用率為72.2%、廢石膏的利用率為60%，而同樣具有火山灰性質(zhì)的陶瓷廢渣在我國(guó)的利用率只有13%左右[3-8]。大量的陶瓷廢渣采用直接丟棄填埋，占用大量土地資源，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。Turner[4]研究發(fā)現(xiàn)，陶瓷廢料堆積的海灘污泥中的重金屬Pb含量提高了13~35倍。我國(guó)是世界最大的陶瓷生產(chǎn)國(guó)，陶瓷年產(chǎn)量超過(guò)100億m2[5]，每年天然礦物資源消耗量約2億t，每年產(chǎn)生的陶瓷廢料超過(guò)1800萬(wàn)~2000萬(wàn)t[6]。陶瓷廢渣粉用于混凝土不但可以保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源，還能提高混凝土的耐久性、顯著降低成本[7-8]。Mostafa Samadi等[9]的研究表明，當(dāng)陶瓷廢渣取代量為50%時(shí)，水泥砂漿的造價(jià)降低24.5%，因此有必要加大陶瓷廢渣粉的利用率。

陶瓷廢渣的主要成分為SiO2和Al2O3，具有一定的火山灰活性，可以代替少量水泥使用[10]。Mohit[8]研究了摻5%~25%陶瓷廢渣粉的砂漿強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)陶瓷廢渣粉的取代率為10%時(shí)，砂漿的28 d抗壓和抗折強(qiáng)度較未摻分別提高了9.8%和17%；過(guò)多的陶瓷廢渣粉將降低砂漿的力學(xué)性能，當(dāng)廢渣取代率為25%時(shí)，砂漿的28 d抗壓和抗折強(qiáng)度較未摻分別降低12%和11%。同樣，El-Dieb等[11]的研究表明當(dāng)陶瓷廢渣粉的取代量10%時(shí)，混凝土的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度較未摻分別提高了9.5%和6.5%；而當(dāng)陶瓷廢渣粉為30%時(shí)，混凝土的7 d和28 d力學(xué)性能分別降低了30%和12%。根據(jù)Amitkumar D.Raval等[10]的研究結(jié)果可知，當(dāng)陶瓷廢渣粉的取代率超過(guò)20%時(shí)，混凝土的力學(xué)性能顯著降低。陶瓷廢渣粉取代量過(guò)大會(huì)降低水泥混凝土的力學(xué)性能，一方面，是由于其活性較低，在常規(guī)條件下難以激發(fā)SiO2和Al2O3的二次水化反應(yīng)；另一方面，是由于陶瓷廢渣粉具有吸水性大、棱角多、流動(dòng)性差等缺陷，材料分布不均勻，整體性能差[8]。

為了提高陶瓷廢渣的利用率，本文利用粉煤灰具有吸水性小、堆積效應(yīng)好、流動(dòng)性好以及可以形成非均相成核[12]等特點(diǎn)，將陶瓷廢渣粉和粉煤灰混合使用，研究大摻量混合廢渣（總?cè)〈蕿?0%~75%）對(duì)砂漿的力學(xué)性能、吸水率和護(hù)筋特性的影響規(guī)律，得出合理配比。同時(shí)利用SEM測(cè)試分析砂漿的微觀結(jié)構(gòu)，初步分析作用機(jī)理。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

陶瓷廢渣粉：潮安環(huán)爾保廢棄回收公司；水泥：海螺牌P·O42.5水泥，密度3.04 g/cm3，比表面積≥300 m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27.8%，初、終凝時(shí)間分別為142、203 min，28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為49.2、8.5 MPa；粉煤灰：Ⅱ級(jí)，細(xì)度9.4%，需水量比為93%，燒失量2.1%，含水率0.5%。原材料主要成分如表1所示。

表1 原材料的主要化學(xué)成分 %

1.2 儀器設(shè)備

JEOL-6390掃描電鏡，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，電熱鼓風(fēng)干燥箱，JJ-5型行星式水泥膠砂攪拌機(jī)，膠砂振動(dòng)臺(tái)，三聯(lián)模具（40 mm×40 mm×160 mm），常壓濕熱養(yǎng)護(hù)箱（最高溫度97℃），加壓養(yǎng)護(hù)箱（壓力0.8 MPa），天平，量筒，溫度計(jì)，恒壓直流電源等。

1.3 試驗(yàn)方法

不同陶瓷廢渣粉摻量砂漿的配比如表2所示，其中廢渣粉為陶瓷廢渣粉和粉煤灰按1∶1的質(zhì)量比均勻混合而成。按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》制備試樣，并進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式對(duì)試件養(yǎng)護(hù)7 d，然后在自然條件下養(yǎng)護(hù)28 d。

表2 高摻量廢渣粉砂漿的配比

吸水性采用毛細(xì)水系數(shù)測(cè)試方法，試樣尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，常溫養(yǎng)護(hù)28 d后置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中60℃烘干24 h，試件冷卻至室溫后，在試件4個(gè)側(cè)面涂抹防水劑。在試件浸沒(méi)水中至規(guī)定時(shí)間后，記錄其質(zhì)量變化。

鋼筋耐腐蝕性能測(cè)試方法圖1所示[13]，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試驗(yàn)原理為電化學(xué)快速腐蝕，即電解池反應(yīng)原理，此加速銹蝕試驗(yàn)裝置包括直流電源、電流采集系統(tǒng)、應(yīng)變采集系統(tǒng)、裝有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液的水槽、陰極銅網(wǎng)、試塊、絕緣塑料條、計(jì)算機(jī)1臺(tái)。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行7 d后，關(guān)閉電源，取出試件，對(duì)該立方體試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試?？箟簭?qiáng)度測(cè)試完成后，取出試件內(nèi)銹蝕的鋼筋，除去鋼筋所有銹跡后使用電子天平稱量，并與銹蝕試驗(yàn)前鋼筋質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比。

圖1 鋼筋電化學(xué)加速腐蝕測(cè)試裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀結(jié)構(gòu)

采用掃描電鏡觀察分析了CFC50、CFC60和CFC70（摻50%、60%和70%廢渣粉）養(yǎng)護(hù)28 d后砂漿的微觀形貌，如圖2所示。

圖2 不同廢渣粉摻量砂漿的SEM照片

從圖2可以觀察到，廢渣粉摻量顯著影響砂漿的微觀結(jié)構(gòu)。當(dāng)廢渣粉的摻量為50%（CFC50）時(shí)，砂漿的微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)，未觀察到大的孔洞、裂縫和未水化的球狀顆粒（粉煤灰）。這一結(jié)果表明，當(dāng)水泥用量為50%時(shí)，其水化產(chǎn)物氫氧化鈣可以有效激發(fā)50%的廢渣粉。從圖2（b）可以觀察到較多的球狀顆粒，表明當(dāng)水泥用量為40%時(shí)，其水化產(chǎn)物氫氧化鈣在養(yǎng)護(hù)28 d后未能充分激發(fā)60%的廢渣粉。但是，CFC60依然具有較理想的微觀結(jié)構(gòu)，未觀察到孔洞和裂縫，而且粉煤灰顆粒與水泥石粘結(jié)緊密，還能觀察到大量的纖維狀晶體。而當(dāng)廢渣粉摻量達(dá)70%時(shí)，砂漿內(nèi)部存在大量的孔洞、裂縫和未反應(yīng)的粉末顆粒，而且粉煤灰顆粒與水泥石界面之間的粘結(jié)差。

2.2 廢渣粉摻量對(duì)砂漿力學(xué)性能影響（見(jiàn)表3）

表3 廢渣粉摻量對(duì)砂漿力學(xué)性能影響

由表3可知，砂漿28 d抗壓和抗折強(qiáng)度均隨著廢渣粉摻量的增加先提高后降低。對(duì)抗壓強(qiáng)度而言，當(dāng)廢渣粉摻量為55%時(shí)（CFC55），砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，為47.80 MPa，當(dāng)廢渣粉摻量為60%時(shí)（CFC60），其28 d抗壓強(qiáng)度降低到38.38 MPa。而后，隨著廢渣粉摻量進(jìn)一步增加，砂漿的抗壓強(qiáng)度顯著降低，CFC65、CFC70、CFC75的抗壓強(qiáng)度分別比CFC55降低了46.6%、39.9%、42.3%。

對(duì)抗折強(qiáng)度而言，廢渣的最佳摻量為60%（CFC60），而后隨著廢渣粉摻量的增加，抗折強(qiáng)度顯著降低，CFC65、CFC70、CFC75的抗折強(qiáng)度比CFC60分別降低33.3%、24.6%、24.1%。綜合抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和SEM分析結(jié)果可知，廢渣粉摻量為55%~60%時(shí)，具有較好的二次水化效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和填充效應(yīng)，在盡可能利用固體廢渣的情況下，混合廢渣的用量可達(dá)60%。

2.3 毛細(xì)孔吸水性能

毛細(xì)孔吸水性能反應(yīng)了水泥基材料內(nèi)部的毛細(xì)孔含量及孔結(jié)構(gòu)分布狀況，孔隙率越大、連通孔越多，則毛細(xì)孔吸水率越高，毛細(xì)孔吸水系數(shù)k就越大。其中毛細(xì)孔吸水系數(shù)k可以采用式（1）計(jì)算[14]：

式中：Q——試件吸水量，g；

A——試件吸水表面積，m2；

t——試件吸水時(shí)間，s；

k——試件毛細(xì)吸水系數(shù)，g/（m2·s1/2）

不同廢渣粉摻量砂漿的毛細(xì)孔吸水性能測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 廢渣粉摻量對(duì)砂漿吸水性的影響

由 圖3可 知，CFC50、CFC55、CFC60、CFC65、CFC70和CFC75的毛細(xì)孔吸水系數(shù)k值分別為3.2、3.1、4.6、8.4、12.8、14.1 g/（m2·s1/2）。相 對(duì)CFC50而 言，CFC55、CFC60、CFC65、CFC70和CFC75的毛細(xì)孔吸水系數(shù)k值分別增加了-0.03、0.44、1.62、3.0和3.4倍。廢渣粉對(duì)吸水性的影響與力學(xué)性能基本一致，即砂漿的吸水性隨著廢渣粉摻量的增加而增加。在所有砂漿中，CFC55的毛細(xì)吸水系數(shù)k值最小，因此具有最高的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)廢渣粉摻量為50%~60%時(shí)，砂漿的吸水量極小，這是由于CFC50和CFC60均具有較密實(shí)的微觀結(jié)構(gòu)。

2.4 護(hù)筋性能

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是當(dāng)今應(yīng)用范圍最廣的結(jié)構(gòu)形式之一，因?yàn)殇摻罡g造成的損失巨大[15-17]。2002年，美國(guó)國(guó)會(huì)指出，每年因鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)37.9億美元[18]。英國(guó)環(huán)保部門稱，英國(guó)每年鋼筋混凝土構(gòu)筑物的維修費(fèi)用高達(dá)5.5億英鎊[19]。我國(guó)每年因鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞、劣化所造成的經(jīng)濟(jì)損失約占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的3%～4%，其中沿海地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)失效帶來(lái)的損失超過(guò)3000億元。因此，獲得具有優(yōu)良護(hù)筋性能的保護(hù)層，可以提高鋼筋混凝土的耐腐蝕性能，有效避免因結(jié)構(gòu)失效而造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷害[20-21]。

表4是不同廢渣粉摻量的鋼筋混凝土的腐蝕特征，其中鋼筋質(zhì)量損失率及保護(hù)層的抗壓強(qiáng)度損失率均為7 d電化學(xué)加速腐蝕測(cè)試結(jié)果。

表4 加速腐蝕鋼筋損失率及保護(hù)層強(qiáng)度損失率

由表4可知，廢渣粉摻量影響鋼筋的腐蝕性能，鋼筋質(zhì)量損失率和保護(hù)層強(qiáng)度損失率均隨著廢渣粉摻量的增加開(kāi)始增大而后逐步減小。對(duì)鋼筋質(zhì)量損失而言，廢渣粉的合理?yè)搅繛?0%（CFC60），7 d加速腐蝕后鋼筋的質(zhì)量損失率僅為0.21%，過(guò)多的摻入廢渣粉，會(huì)加速鋼筋腐蝕，而當(dāng)摻量為70%時(shí)（CFC70），鋼筋質(zhì)量損失率達(dá)到最大值，8.24%。對(duì)保護(hù)層強(qiáng)度損失而言，廢渣粉的合理?yè)搅繛?0%，經(jīng)過(guò)7 d電化學(xué)加速腐蝕后，保護(hù)層的強(qiáng)度提高了28.6%；而摻70%廢渣時(shí)，保護(hù)層強(qiáng)度降低了10.1%。

鋼筋腐蝕影響保護(hù)層性能，因?yàn)殇摻钿P蝕產(chǎn)物的體積是本體體積的1~8倍，少量的銹蝕產(chǎn)物可以填充界面及保護(hù)層中的孔洞和裂縫，提高鋼筋混凝土整體力學(xué)性能，CFC60抗壓強(qiáng)度提高了28%就是這一原因造成的。而過(guò)多的銹蝕產(chǎn)物將引起保護(hù)層膨脹破壞，顯著降低其力學(xué)性能。另外，如圖3所示，在所有鋼筋腐蝕測(cè)試樣品中，CFC70的毛細(xì)吸水系數(shù)k值最大，其孔隙率最高，因此如表4所示，CFC70中的鋼筋腐蝕速率最大，保護(hù)層強(qiáng)度損失最多。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)廢渣粉總摻量分別為55%和60%時(shí)，砂漿具有最高的抗壓和抗折強(qiáng)度，28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為47.8、6.3 MPa。

（2）廢渣粉摻量顯著影響砂漿的吸水性，當(dāng)廢渣粉摻量為50%和60%時(shí)，砂漿的吸水性能基本相同，過(guò)多的廢渣粉將顯著提高砂漿的吸水性能。

（3）當(dāng)廢渣摻量為60%，砂漿具有較好的護(hù)筋性能，7d電化學(xué)腐蝕鋼筋損失率僅為0.21%，保護(hù)層強(qiáng)度提高了28.6%；而摻70%廢渣時(shí)，鋼筋質(zhì)量損失率為8.24%，保護(hù)層強(qiáng)度降低了10.1%。

（4）SEM分析表明，摻50%和60%廢渣粉的砂漿均具有較密實(shí)的微觀結(jié)構(gòu)。其中摻60%廢渣粉中的未水化顆粒較多，但是其內(nèi)部存在較多的纖維狀晶體和良好的水泥石/廢渣粉顆粒的界面性能。

（5）綜合力學(xué)性能、耐久性、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效應(yīng)，陶瓷廢渣粉和粉煤灰總摻量可達(dá)60%。