疏浚土免燒裹殼骨料在混凝土中的應用

李 娜，薛凱茹，羅 敏，吳 燕

(天津科技大學化工與材料學院，天津 300457)

0 引 言

近年來，隨著城鎮化建設規模的不斷擴大，混凝土建筑正如雨后春筍般拔地而起。碎石骨料作為混凝土的必備材料，其用量也在逐年增長。相關報道顯示，僅2017年全國建材行業碎石骨料用量高達184.4億t。針對碎石骨料用量大及其開采所造成的生態環境破壞現象，已有大量學者研究采用固體廢棄物代替碎石應用到混凝土中，在減少碎石用量的同時達到保護生態環境的目的[1]。

Mithun等[2]以銅渣(CS)代替河砂作為細骨料制備堿礦渣混凝土，其性能與普通硅酸鹽水泥混凝土性能相當。Bravo[3]、肖倍[4]、呂洪淼[5]、何啟東[6]等研究發現再生骨料混凝土的力學性能低于普通混凝土的力學性能。劉慶東等[7]通過裹漿、改性得到的強化再生骨料混凝土砌塊滿足國家標準。周州等[8]以燒結粉煤灰陶粒作為粗骨料，粉煤灰(超細粉煤灰與一級粉煤灰1∶1)總摻量為40%(質量分數)，制得LC50輕質高強輕骨料混凝土。李博[9]研究了高強度陶粒混凝土在水、Na2SO4溶液和NaCl溶液中的凍融循環耐久性能，發現高強度陶粒混凝土在Na2SO4和NaCl溶液中的抗凍性能較普通混凝土更優異。從目前已取得的研究成果可知，再生骨料混凝土和陶粒輕質混凝土都具有潛在的應用價值。

目前，每年清淤工程得到的疏浚底泥高達數十億噸，底泥脫水耗時長，長期大量的堆積會對環境造成二次污染，因此疏浚底泥高效資源化利用是亟待解決的問題[10-11]。本課題組[12-16]前期已對疏浚底泥制備的免燒裹殼骨料(WSLAs)進行了深入研究，制備出的免燒裹殼骨料單顆強度達到2.78 MPa，筒壓強度為7.90 MPa，達到了GB/T 17431.1—2010《輕集料及其試驗方法第1部分：輕集料》的要求。

為了進一步拓展疏浚土的應用途徑，研究以WSLAs作為粗骨料代替碎石骨料(CSAs)制備混凝土試件，并采用正交法探討了水灰比、砂率、骨料體積分數、骨料級配、WSLAS取代率對混凝土試件抗壓強度和耐久性能的影響。

1 實 驗

1.1 試驗材料

試驗所用的疏浚土(含水率小于10%)是來自太湖的疏浚底泥(含水率 40%)經脫水、干燥處理后得到。根據GB/T 6900—2016《鋁硅系耐火材料化學分析方法》和GB/T 21114—2007《耐火材料X射線熒光光譜化學分析熔鑄玻璃片法》對疏浚土的化學成分進行分析，分析結果如表1所示。試驗中所用到的水泥均為工業級硅酸鹽水泥(42.5級)，WSLAs和CSAs的基本性能如表2所示，其中WSLAs為自制骨料，CSAs為市售碎石骨料。圖1是試驗中所用到粗、細骨料的級配分布，其中細骨料的細度模數為2.5(中砂)，圖1(a)為中砂的級配滿足混凝土使用要求，由圖1(b)可知粗骨料均采用連續級配，包含5～10 mm、5～16 mm、5～20 mm、5～25 mm四種級配。

表1 太湖疏浚土的主要化學成分Table 1 Main chemical composition of Tai Lake dredged soil

表2 骨料的性能Table 2 Performance of aggregates

1.2 試件制備

圖1 骨料粒徑分布圖Fig.1 Size distribution of aggregates

混凝土試件制備工藝流程如圖2所示。先將濕底泥與膠凝材料混合，經14 d陳化后粉碎得到活化泥粉(粒徑小于1 mm)，再經造粒機制得免燒骨料，最后進行裹殼處理，制得裹殼骨料，經7 d養護，得到WSLAs[13]。然后，將WSLAs、CSAs、水泥、中砂按比例攪拌混合，并在攪拌過程中加水拌和，拌合時間為30 s。采用澆筑、人工插搗的方法分兩層將拌合物澆筑于100 mm×100 mm×100 mm的模具中，為使插棒留下孔洞消失，插搗結束后用橡皮錘輕敲試模四周，試件成型后，覆膜靜置24 h，脫模、噴水養護28 d后進行混凝土各項性能測試。

圖2 混凝土試件制備工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of concrete specimen preparation

1.3 測試方法

1.3.1 抗壓強度

將試件安放在GNT600Y試驗機的下壓板上，試件的承壓面以及中心與下壓板對準并使其接觸均衡，開動試驗機，在實驗過程中以0.4 MPa/s的速率進行加載，當試件接近破壞開始急劇變形時，停止調整試驗機油門，直至破壞，然后記錄破壞荷載。試件抗壓強度試驗結果計算及確定按式(1)進行：

(1)

式中：fcc為混凝土立方體試件抗壓強度，MPa；F為試件破壞荷載，N；A為試件承壓面積，m2。

1.3.2 抗凍性

依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》對混凝土的抗凍性進行性能測試，經過25次凍融循環后測其抗壓強度，得出抗壓強度損失率進而確定抗凍性能，25次抗凍融循環強度損失率應按式(2)計算：

(2)

式中：Δfc為試件經25次凍融循環后的抗壓強度損失率,%(精確至0.1)；fcc為初始試件的抗壓強度,MPa；fc25為經25次凍融循環后的試件抗壓強度測定值,MPa。

1.3.3 抗硫酸鹽侵蝕性

依據GB/T 50082—2009 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》對混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性進行性能測試，對25次干濕循環的試件進行抗壓強度測試，得出抗壓強度損失率進而確定抗硫酸鹽侵蝕性，計算方法同凍融循環抗壓強度損失率的計算方法。

1.4 表征方法

采用BK-POL型偏光顯微鏡對WSLAs、CSAs表面的孔隙結構進行觀察，采用LEO1530VP型掃描電子顯微鏡對WSLAS、CSAS的界面過渡區(ITZ)微觀形貌進行分析。

2 結果與討論

2.1 正交試驗測試結果

依據C20混凝土的配合比設計，采用正交試驗探究對混凝土性能影響較大的水灰比A、砂率(質量分數)B、骨料體積分數C、級配D、WSLAs取代率E等因素，選擇五因素四水平的正交表L16(45)，相應的因素和水平如表3所示。并對混凝土試件抗壓強度，經凍融循環、硫酸鹽侵蝕后試件抗壓強度進行表征分析，具體實驗結果如表4所示。

表3 正交試驗因素水平表Table 3 Orthogonal test factor level table

表4 正交試驗測試結果Table 4 Results of orthogonal experiment

2.1.1 WSLAs取代率和工藝配合比對混凝土抗壓強度的影響

以混凝土試件的抗壓強度為考察指標進行極差分析和方差分析，研究WSLAs取代率和工藝配合比對考察指標的影響，找出最優方案。極差分析如表5所示，方差分析如表6所示。

表5 抗壓強度的極差分析Table 5 Range analysis of compressive strength

表6 抗壓強度的方差分析Table 6 Variance analysis of compressive strength

表5中K1、K2、K3、K4、K5代表各水平考察指標的總和，各因素對混凝土抗壓強度影響程度的極差順序為：RE>RA=RC>RB>RD。最優方案為：水灰比0.45、砂率35%、骨料體積分數0.37、級配5～10 mm、WSLAs取代率0%。隨著WSLAs取代率的增大，混凝土的抗壓強度隨之下降。從表6中可以看出，WSLAs取代率對混凝土抗壓強度的影響最為顯著，工藝配合比對混凝土抗壓強度的影響都不顯著。

2.1.2 WSLAs取代率和工藝配合比對混凝土凍融循環、硫酸鹽侵蝕后抗壓強度的影響

以混凝土經凍融循環、硫酸鹽侵蝕后抗壓強度損失率為考察指標進行極差分析和方差分析，研究WSLAs取代率和工藝配合比對混凝土凍融循環、硫酸鹽侵蝕抗壓強度的影響，并找出相應的最佳水平。極差分析如表7所示，方差分析如表8、表9所示。

表7 凍融循環、硫酸鹽侵蝕后抗壓強度損失率的極差分析

表8 凍融循環后抗壓強度損失率的方差分析

表9 硫酸鹽浸蝕后抗壓強度損失率的方差分析

混凝土經凍融循環、硫酸鹽侵蝕后抗壓強度損失率越小越好。由表7得知，各因素對混凝土凍融循環后抗壓強度的影響程度順序為: WSLAs取代率<骨料級配<砂率<骨料體積<水灰比；各因素對混凝土硫酸鹽侵蝕后抗壓強度的影響程度順序為: WSLAs取代率<水灰比<骨料級配<骨料體積<砂率。制備經凍融循環、硫酸鹽侵蝕后混凝土抗壓強度損失率最小的最優方案為：水灰比0.50、砂率31%、骨料體積分數0.41、骨料級配5～25 mm、WSLAs取代率100%。

從表8 和表9 中可以看出，對混凝土經凍融循環后抗壓強度有顯著影響的因素有水灰比、砂率、骨料體積，對混凝土經硫酸鹽侵蝕后抗壓強度有顯著影響因素有砂率、骨料體積，而WSLAs取代率對混凝土經凍融循環、硫酸鹽侵蝕后抗壓強度均沒有顯著影響。

2.1.3 結果分析

混凝土的抗壓強度、耐久性能是其應用的重要性能，而混凝土經凍融循環[17-18]、硫酸鹽侵蝕后抗壓強度的損失率是考察混凝土耐久性能的指標[19]。由上述分析可知，WSLAs取代率對混凝土的抗壓強度影響顯著，而水灰比、砂率、骨料體積、骨料級配對混凝土抗壓強度沒有顯著影響。水灰比、砂率、骨料體積、骨料級配、WSLAs取代率對經混凝土經凍融循環、硫酸鹽侵蝕后抗壓強度影響最小的最佳水平一致，均為A2B1C3D4E4，其中WSLAs取代率不僅對混凝土的耐久性能沒有顯著影響，而且對混凝土的耐久性能影響最小。雖然隨著WSLAs取代率的增大，混凝土的抗壓強度顯著降低，但是當WSLAs取代率100%，水灰比0.50、砂率31%、骨料體積分數0.41、骨料級配5～25 mm時，混凝土的抗壓強度為20.7 MPa(見表10)，滿足試驗設計C20的標準(測試結果如表10所示)，可用于梁、板、柱、樓梯、屋架等普通鋼筋混凝土結構。且混凝土經抗凍融循環、硫酸鹽侵蝕后強度損失率分別為8.31%、9.28%(見表10)，符合D25(<25%)、KS15(<25%)等級的國家標準。

表10 最優方案制備混凝土性能測試結果Table 10 Test results of the properties of concrete prepared by the optimal scheme

2.2 機理分析

圖3為WSLAs、CSAs混凝土試件的斷面圖。從圖3可以看出骨料約占混凝土試件總體積的60～70%，WSLAs與CSAs一樣在試件中分布均勻，彼此間基本沒有粘連或團聚的現象。影響混凝土力學性能、耐久性能的因素主要有骨料、水泥基和界面過渡區(ITZ)[20-21]。在強度等級較低的普通混凝土中，混凝土的破壞取決于混凝土中骨料與水泥基界面過渡區的性能。ITZ與水泥漿體發生的水化反應一致，但水化產物的結構和性能不同。這是因為骨料在與水泥漿拌和時，骨料表面附有一層水膜，使得ITZ水泥漿水灰比高，水化反應產物的密度低，孔隙率較高。由圖3可知，WSLAs、CSAs與水泥基間ITZ的結構疏松，孔洞發達，孔徑較大，且有粗大的AFt、CH晶體富集，其中CSAs混凝土ITZ的孔隙較WSLAs混凝土ITZ的孔隙大，反之，密度較小[22]。

圖3 骨料與水泥基的微觀形貌圖Fig.3 Microstructures of aggregate and cement

圖4 骨料表面微觀形貌圖Fig.4 Microstructure of aggregate surface

ITZ反應產物的結構與骨料的性能有很大的關系[23]。圖4是WSLAs、CSAs兩種骨料表面微觀形貌圖，骨料表面的孔隙越多，骨料的吸水率越高。由圖4可知WSLAs表面孔隙明顯較CSAs表面孔隙多，且表面較粗糙。WSLAs、CSAs的吸水率分別為5.1%、1.2%(見表2)。因為WSLAs具有較高的吸水率，其與水泥漿拌和時吸收部分水分，在WSLAs表面不會形成水膜，一定程度上降低了ITZ的水灰比，消除了類似于CSAs與水泥漿拌和造成的水穴，且隨著水泥水化過程的進行，WSLAs內部所吸收的水分釋放，促使水化過程進一步完成并填充孔隙，提高水化產物分布的均勻性及其界面的密實度，增大了WSLAs與水泥基的粘結力，進而提高WSLAs混凝土的界面性能。另一方面，WSLAs因表面比CSAs表面粗糙，比表面積較大，且WSLAs殼層與水泥基體成分一致，均為水泥水化過程的產物，因此WSLAs與水泥砂漿的粘結力強，不易產生界面裂縫。

3 結 論

(1)采用疏浚土制備免燒裹殼骨料(WSLAs)，以WSLAs替代碎石骨料(CSAs)與水泥漿拌和制備混凝土，不僅提高了疏浚土的利用率，而且也為疏浚土的綜合利用提供了一條新途徑。

(2)通過正交試驗結果分析，發現各因素對于試件抗壓強度的影響大小為：WSLAs取代率>水灰比=骨料體積分數>砂率>骨料級配；對于試件凍融循環抗壓強度的影響大小為：水灰比>骨料體積>砂率>骨料級配>WSLAs取代率；對于試件硫酸鹽侵蝕抗壓強度的影響大小為：砂率>骨料體積>骨料級配>骨料體積>WSLAs取代率。

(3)當WSLAs的取代率為100%時，水灰比0.50，砂率31%，骨料體積分數0.41，骨料級配為5～25 mm連續級配時，制備的混凝土具有較高性能。WSLAS抗壓強度為20.7 MPa，滿足C20級混凝土的國家標準，且WSLAS經25次凍融循環、25 d硫酸鹽侵蝕的抗壓強度損失率分別為8.31%、9.28%，符合D25(<25%)、KS15(<25%)等級的國家標準。

(4)WSLAs能夠代替CSAs制備低強度混凝土，主要因為WSLAs的“吸放水”特性，不僅能提高水化產物分布的均勻性及其界面密實度，還增大了WSLAs與水泥石的結合力，從而達到了提升混凝土抗壓強度和耐久性能的目的。