渣土對(duì)C50混凝土力學(xué)性能的影響

劉　春,王安輝,余　沛,榮　輝

(1.寧德師范學(xué)院建筑工程系,寧德　352000；2.商丘工學(xué)院土木工程學(xué)院，商丘　476000；3.天津城建大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津　300384)

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渣土對(duì)C50混凝土力學(xué)性能的影響

劉春1,王安輝2,余沛2,榮輝3

(1.寧德師范學(xué)院建筑工程系,寧德352000；2.商丘工學(xué)院土木工程學(xué)院，商丘476000；3.天津城建大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津300384)

針對(duì)地鐵盾構(gòu)出來(lái)的渣土大量堆砌、利用率低、附加值低現(xiàn)狀，本文將渣土作為礦物摻合料，研究了渣土摻量(0、2.5%、5.0%、7.5%和10.0%)對(duì)C50混凝土工作性和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：(1)C50混凝土初始坍落度和坍落度損失均隨著渣土摻量的增加而逐漸降低；(2)摻有不同渣土摻量的C50混凝土早期(3 d、7 d)抗壓強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)組抗壓強(qiáng)度，而28 d抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組抗壓強(qiáng)度；渣土摻量對(duì)C50混凝土抗壓強(qiáng)度的影響存在最佳值，當(dāng)渣土摻量為水泥摻量的7.5%時(shí)，發(fā)現(xiàn)其28d抗壓強(qiáng)度最高；(3)不同渣土摻量的C50混凝土28 d微觀結(jié)構(gòu)表明，隨著渣土摻量的增加，C50混凝土微觀結(jié)構(gòu)逐漸密實(shí)，孔隙逐漸減少。

渣土； 混凝土； 坍落度； 抗壓強(qiáng)度； 微觀結(jié)構(gòu)

1　引　言

地鐵、輕軌等城市軌道交通在施工建設(shè)過程中不可避免地產(chǎn)生大量渣土，以建設(shè)南昌地鐵1號(hào)線為例，全長(zhǎng)28.843公里，產(chǎn)生渣土約440萬(wàn)方，可以填滿4個(gè)水立方[1]。大量的渣土在運(yùn)輸過程中由于運(yùn)輸車的管理不當(dāng)，不僅會(huì)污染城市路面，影響路面景觀，而且渣土中的粉塵隨風(fēng)進(jìn)入空氣[2]，影響城市空氣質(zhì)量。此外，處理這么多的渣土需要很多的空間，以往的消納點(diǎn)選擇在郊區(qū)，不僅破壞耕地，還對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成影響。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外渣土處理的主要方式是堆棄、填埋和作為道路路基填料[3-14]，上述處理方式不僅污染環(huán)境、占據(jù)大量土地，而且利用率和附加值低。因此，為進(jìn)一步提高渣土綜合利用率和附加值，本文將渣土磨細(xì)，然后將其摻入混凝土中，以研究渣土應(yīng)用于混凝土中的可行性，并探討不同摻量的渣土對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)原材料

水泥：天津振興水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5水泥，其化學(xué)組成見表1所示;

砂：河砂，細(xì)度模數(shù)2.9，堆積密度為1360 kg/m3，表觀密度2610 kg/m3;

石子：碎石，粒徑5～25 mm，堆積密度1450 kg/m3，表觀密度2690 kg/m3;

水：當(dāng)?shù)刈詠?lái)水;

外加劑：山東建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的聚羧酸外加劑，減水率35%，摻量0.7%;

渣土：天津地鐵某號(hào)線盾構(gòu)產(chǎn)生的渣土，烘干后采用球磨機(jī)將其磨細(xì)30 min，磨細(xì)后比表面積為19000 m2/kg，平均粒徑為11 μm，干密度1810 kg/m3，其化學(xué)組成和礦物組成如表1和圖1所示。由表1可知，渣土中氧化物主要是氧化硅、氧化鋁和氧化鈣。另外，渣土的微觀形貌如圖2所示。

表1　水泥、渣土的主要化學(xué)成分

由圖1可知，渣土的礦物組成主要是石英、礬土和硅鋁酸鹽等礦物。

由圖2可知，渣土顆粒均呈現(xiàn)出不規(guī)則片狀形貌，顆粒尺寸不一。

圖1　渣土礦物組成Fig.1　Mineral composition of muck

圖2　渣土微觀形貌Fig.2　Microstructure of muck

2.2混凝土配合比設(shè)計(jì)

研究了渣土摻量(2.5%、5.0%、7.5%和10.0%)對(duì)C50混凝土工作性和抗壓強(qiáng)度的影響，其具體配合比如表2所示。

表2　摻有渣土的C50混凝土配比

2.3試驗(yàn)方法

混凝土坍落度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法分別按《普通混凝土拌合物試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080-2002)和《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)成型、制備和檢驗(yàn)。

按照GB/T2847-2005《用于水泥中的火山灰質(zhì)混合材料》規(guī)范中火山灰性試驗(yàn)方法對(duì)磨細(xì)后渣土進(jìn)行火山灰試驗(yàn)。

采用日本JMS-7800F掃描電鏡對(duì)不同渣土摻量下的混凝土28 d微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以探明不同渣土摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能影響機(jī)理。

3　結(jié)果與討論

3.1渣土火山灰活性

表3顯示的是磨細(xì)后的渣土火山灰性試驗(yàn)結(jié)果。由表3可知，磨細(xì)后的渣土不具有火山灰活性。

表3　渣土火山灰性

3.2渣土對(duì)混凝土工作性的影響

不同渣土摻量對(duì)C50混凝土初始坍落度和0.5 h坍落度損失影響如圖3所示。由圖3可知，隨著渣土摻量的增加，混凝土初始坍落度逐漸降低，由基準(zhǔn)的160 mm降低至60 mm(摻量5.0%)、35 mm(摻量7.5%)和28 mm(摻量10.0%)。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因一方面由于渣土比表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水泥顆粒，進(jìn)而造成等量替代水泥后，其吸水性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水泥顆粒所致。另一方面可能是由于渣土對(duì)聚羧酸系減水劑中Polycarboxylates(PC)分子有強(qiáng)烈的吸附能力以及PC分子在渣土片層中間的插層作用，使PC分子大量的消耗于渣土，因而作用于水泥的PC分子變少，進(jìn)而使得混凝土的坍落度降低[15]。

另外，由圖3還可以看出，渣土對(duì)混凝土的坍落度損失有重要的影響。當(dāng)渣土摻量為2.5%時(shí)，混凝土的坍落度損失嚴(yán)重，由初始的160 mm損失到0.5 h后的95 mm，損失65 mm。而當(dāng)渣土摻量增至5.0%以后， 0.5 h后的混凝土成為干硬性混凝土，坍落度完全損失。產(chǎn)生上述現(xiàn)象同樣是由于渣土吸水性強(qiáng)所致。

3.3渣土對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

不同渣土摻量對(duì)C50混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示。渣土的摻入會(huì)影響C50混凝土強(qiáng)度等級(jí)的早期強(qiáng)度，即其3 d、7 d的抗壓強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)組對(duì)應(yīng)齡期強(qiáng)度，這是由于渣土的摻入，降低水泥用量所致。然而發(fā)現(xiàn)，渣土的摻入會(huì)改善C50混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有可能是由于其顆粒粒徑小于水泥顆粒，從而使其填充水泥顆粒之間的孔隙，提高水泥顆粒之間的級(jí)配和密實(shí)度，進(jìn)而改善混凝土的后期微觀結(jié)構(gòu)所致。

此外，由圖4還可以看出，隨著渣土摻量的增加，C50強(qiáng)度等級(jí)的混凝土的早齡期(3 d、7 d)抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，而28 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)。具體為：當(dāng)渣土摻量分別為2.5%、5.0%、7.5%和10%時(shí)，與基準(zhǔn)混凝土相比，其3 d抗壓強(qiáng)度分別降低了14.5%、22.5%、5.6%和11.6%；7 d抗壓強(qiáng)度分別降低了2.2%、16.5%、4.5%和5.3%。而當(dāng)齡期為28 d時(shí)，發(fā)現(xiàn)不同渣土摻量的混凝土與基準(zhǔn)混凝土相比，其28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了7.4%、4.3%、15.7%和11.0%。這表明當(dāng)渣土摻量為7.5%時(shí)對(duì)C50強(qiáng)度等級(jí)的混凝土早期抗壓強(qiáng)度降低較少，而改善后期強(qiáng)度最為明顯。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因有可能是由于處于此摻量的渣土可以較好平衡由于渣土的摻入而帶來(lái)的水泥用量減少造成的早期強(qiáng)度降低，同時(shí)又可以更好地發(fā)揮渣土的微集料填充效應(yīng)，進(jìn)而使得混凝土后期微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展密實(shí)、孔隙減少，抗壓強(qiáng)度增加。

圖3　渣土摻量對(duì)C50混凝土工作性的影響Fig.3　Influence of muck content on workability of concrete for C50

圖4　渣土摻量對(duì)C50混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4　Influence of muck content on compressive strength of concrete for C50

為進(jìn)一步解釋渣土對(duì)C50混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，研究了不同渣土摻量下混凝土的28 d微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖5所示。

圖5　渣土摻量對(duì)C50混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響(a)0%；(b)2.5%；(c)5.0%；(d)7.5%；(e)10.0%Fig.5　Influence of muck content on microstructure of concrete for C50

由圖5可知，當(dāng)渣土摻量為0(基準(zhǔn)組)時(shí)，混凝土微觀結(jié)構(gòu)中孔隙較多，存在網(wǎng)絡(luò)狀的C-S-H，針狀A(yù)Ft等物質(zhì)。而當(dāng)渣土摻量為2.5%時(shí)，發(fā)現(xiàn)混凝土微觀結(jié)構(gòu)相比基準(zhǔn)組，孔隙減少，針棒狀物質(zhì)減少，這有可能是由于水泥用量減少而造成的AFt物質(zhì)減少，同時(shí)由于渣土顆粒填充水泥顆粒空隙所致。當(dāng)渣土摻量增加至7.5%時(shí)，發(fā)現(xiàn)其微觀結(jié)構(gòu)(相比基準(zhǔn)、摻量為2.5%、5.0%和10.0%)孔隙最少，結(jié)構(gòu)最為密實(shí)。這有可能是由于此摻量下的渣土造成的水泥減少造成的水化產(chǎn)物減少與渣土的填充兩者作用所致。

4　結(jié)　論

通過對(duì)不同摻量的渣土對(duì)C50混凝土工作性和力學(xué)性能的影響研究，確定了渣土對(duì)C50混凝土工作性和力學(xué)性能的影響規(guī)律。通過上述研究，得出的主要結(jié)論如下。

(1)C50混凝土初始坍落度和坍落度損失隨著渣土摻量的增加而逐漸降低，在不改變用水量和外加劑用量前提下，向混凝土中加入的渣土摻量不宜超過10%；

(2)不同摻量的渣土對(duì)C50混凝土不同齡期下的抗壓強(qiáng)度影響不同。隨著渣土摻量(2.5%、5.0%、7.5%和10.0%)的增加，C50混凝土的早期抗壓強(qiáng)度(3 d、7 d)均低于基準(zhǔn)組，其中渣土摻量為7.5%時(shí)，其對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度(3 d、7 d)降低率最低，分別為基準(zhǔn)組的5.6%和4.5%。然而，隨著渣土摻量(2.5%、5.0%、7.5%和10.0%)的增加，C50混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組，其中渣土摻量為7.5%時(shí)，其對(duì)混凝土的強(qiáng)度提高率最高，為11.7%。

[1] 沈澈清,封云.地鐵1號(hào)線渣土可推11個(gè)八一廣場(chǎng)[EB/OL].http://jiangxi.jxnews.com.cn/system/2013/05/24/012435387.shtml,2013-05-24.

[2] 姚如青.杭州市建筑渣土管理主要問題與改進(jìn)對(duì)策[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,2014,5:160-163.

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Influence of Muck on Mechanical Properties of C50 Concrete

LIUChun1,WANGAn-hui2,YUPei2,RONGHui3

(1.Inpartment of Construction Engineering,Ningde Normal University,Ningde 352000,China;2.School of Civil Engineering,Shangqiu Institute of Technology,Shangqiu 476000,China;3.School of Materials Science and Engineering,TianJin ChengJian University,TianJin 300384,China)

At present, the muck from subway exits pile, low utilization and low added value, therefore, the influence of different contents of muck as admixtures on workability and mechanical properties of C50 concrete are studied in this paper. The experimental results indicate that the initial slump and 0.5 hours of slump loss decrease gradually with the increasing of muck contents. The early compressive strengths of C50 concrete with different muck contents are all lower than that of reference group, however, the compressive strengths of concrete with different muck contents at 28 d are all higher than that of reference group. The compressive strength of concrete at 28 d is the highest when the content of muck is 7.5% of cement contents. The microstructure of concrete with different muck contents show that the microstructure is gradually denser with the increasing of muck contents.

muck；concrete；slump；compressive strength；microstructure

劉春(1972-)，男，博士,副教授.主要從事巖土工程和混凝土材料方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)04-1322-05