鐵尾礦陶粒混凝土的制備與性能分析

李曉光，侯鑫鑫，梁保真，王攀奇,Saddam Ali

(1.長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710055；2.陜西建工第五建設(shè)集團(tuán)有限公司，西安 710032)

0 引 言

陶粒作為一種輕骨料被廣泛應(yīng)用于混凝土制備。諸雪青[1]用粉煤灰燒制陶粒并制備出LC30、LC40等級(jí)的陶粒混凝土；王帥[2]使用粉煤灰陶粒制備出了一種密度低于1 400 kg/m3的輕質(zhì)混凝土。

鐵尾礦作為一種固體廢棄物，可制備成陶粒[3-4]。鐵尾礦陶粒表面粗糙，內(nèi)部為不連通孔隙，具有一定強(qiáng)度，可作為輕骨料混凝土的原材料。李涵[5]將陜西某地鐵尾礦燒制成陶粒，并制備出LC15～LC30等級(jí)的輕質(zhì)混凝土?，F(xiàn)階段研究表明，陶粒混凝土耐久性優(yōu)于普通混凝土[6-7]，陶粒的“自養(yǎng)護(hù)”效應(yīng)可以增強(qiáng)混凝土密實(shí)程度，從而提高抗凍性[8]。本文通過(guò)測(cè)試陜南地區(qū)的鐵尾礦陶粒混凝土的力學(xué)性能以及耐久性，探究其是否具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久性好以及環(huán)保的效果。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：采用冀東海德堡(涇陽(yáng))水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，28 d抗壓強(qiáng)度為45 MPa。粉煤灰：采用大唐陜西發(fā)電有限公司渭河熱電廠生產(chǎn)粉煤灰，符合GT/T 1596—2017中F類Ⅱ級(jí)粉煤灰技術(shù)要求。粗骨料：采用陜西秦達(dá)建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的鐵尾礦陶粒。該陶粒以秦嶺南麓鐵尾礦細(xì)粉作為主要原料，與粘結(jié)劑混合后，經(jīng)過(guò)造粒成型、干燥、預(yù)熱、燒結(jié)4個(gè)過(guò)程制備而成。陶粒的物理性能如表1所示，顆粒級(jí)配如表2所示。

本次試驗(yàn)均采用干燥陶粒。細(xì)集料：采用普通砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，堆積密度為1 600 kg/m3，顆粒級(jí)配良好。每次適配混凝土前，將其烘干后使用。水：自來(lái)水。外加劑：使用某公司生產(chǎn)的高效聚羧酸減水劑。

表1 陶粒的物理性能Table 1 Physical properties of ceramsite

表2 陶粒的顆粒級(jí)配Table 2 Particle size distribution of ceramsite

1.2 配合比設(shè)計(jì)

按照《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 12—2019)和《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)的相關(guān)規(guī)定制備試驗(yàn)所需的混凝土試件。對(duì)于陶?；炷粒劝凑者m配強(qiáng)度確定膠凝材料用量，再根據(jù)粗、細(xì)骨料松散堆積總體積計(jì)算粗、細(xì)骨料用量，最后適配混凝土，發(fā)現(xiàn)坍落度依靠外加劑控制在(50±10) mm時(shí)，陶粒上浮現(xiàn)象不明顯。同時(shí)制備同等級(jí)普通混凝土作為參照?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)如表3所示。

表3 混凝土配合比設(shè)計(jì)Table 3 Design of concrete mix proportion /(kg·m-3)

1.3 試件制備與養(yǎng)護(hù)

先將粗骨料和砂在攪拌機(jī)攪勻，再加入膠凝材料再次攪勻，最后加入水和外加劑，邊加邊攪拌，攪拌時(shí)間控制在120 s。出料后立即入模具，并在振動(dòng)臺(tái)在振動(dòng)20 s，表面抹平，24 h后拆模，并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

1.4 試驗(yàn)方法

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2016)對(duì)所有試件進(jìn)行3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度測(cè)試，抗折強(qiáng)度測(cè)試以及彈性模量測(cè)試。根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)對(duì)LC30和C30試件進(jìn)行抗凍性能測(cè)試和抗氯離子滲透性能測(cè)試。使用掃描電鏡(SEM)觀察其微觀形貌特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能對(duì)比

圖1為L(zhǎng)C30～LC40和C30～C40在3 d、7 d、28 d齡期的抗壓強(qiáng)度,混凝土力學(xué)性能及表觀密度的測(cè)試數(shù)值見表4。

根據(jù)表4可知LC30～LC40中，只有LC30的28 d抗壓強(qiáng)度滿足《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 12—2019)所要求的配制強(qiáng)度。減少水用量或增加水泥用量，不僅不符合規(guī)范要求還會(huì)增加經(jīng)濟(jì)成本，所以通過(guò)增加水泥用量提高強(qiáng)度不可行。陶?；炷凛^普通混凝土表觀密度下降約550 kg/m3，28 d抗壓強(qiáng)度偏低，這是因?yàn)椴煌谄胀ɑ炷恋慕缑嫫茐模樟；炷疗茐臅r(shí)，內(nèi)部陶粒被剪斷。陶?；炷?8 d抗壓強(qiáng)度受水膠比影響程度相較普通混凝土小，是因?yàn)樘樟?qiáng)度是輕骨料混凝土強(qiáng)度的主要影響因素[9]。

由圖1看出，鐵尾礦陶?；炷? d就可達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的80%，3 d齡期后強(qiáng)度增長(zhǎng)減慢是因?yàn)楦稍锾樟Ｔ谒缙谖樟瞬糠肿杂伤档土司植克冶萚10-11]，一些水泥漿已經(jīng)滲入陶粒的表面孔至一定深度[12]，陶粒界面區(qū)域變化提高了陶粒混凝土的早期強(qiáng)度。

從表4中看出，陶粒混凝土抗折強(qiáng)度大小約為普通混凝土的60%，主要原因?yàn)樘樟Ｗ陨韽?qiáng)度過(guò)低，同時(shí)也因?yàn)楸敬卧囼?yàn)陶粒粒徑較大，也會(huì)對(duì)抗折強(qiáng)度造成影響[13]。通過(guò)觀察陶?；炷疗茐臄嗝?，發(fā)現(xiàn)其抗折試驗(yàn)中破壞形態(tài)為陶粒被剪斷，而非界面過(guò)渡區(qū)破壞，這也證實(shí)了陶?；炷两缑孢^(guò)渡區(qū)的強(qiáng)度較高。

彈性模量大小受骨料強(qiáng)度影響較大，表4中LC30～LC40的彈性模量低于C30～C40，約為普通混凝土的65%左右，符合一般規(guī)律，即較小的彈性模量可以延長(zhǎng)其使用壽命和抗震性能。

圖1 LC30～LC40和C30～C40在不同齡期的抗壓強(qiáng)度Fig.1 Compressive strength of LC30 to LC40 and C30 to C40 with different ages

表4 混凝土力學(xué)性能及表觀密度Table 4 Mechanical properties and apparent density of concrete

2.2 耐久性能對(duì)比

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出數(shù)值，繪制混凝土動(dòng)彈性模量損失曲線和質(zhì)量損失曲線，見圖2(a)、(b)。LC30凍融循環(huán)狀態(tài)見圖3。

由圖2可知，LC30在凍融循環(huán)200次時(shí)，動(dòng)彈性模量下降超過(guò)50%，認(rèn)定該試件被破壞,而C30在凍融循環(huán)50次時(shí)質(zhì)量損失就已經(jīng)接近5%。LC30凍融循環(huán)質(zhì)量損失率先下降至負(fù)數(shù)，這是由于凍融循環(huán)下混凝土內(nèi)部損傷增大了微裂縫和有害孔的數(shù)量，混凝土吸入更多的水。從圖3中可以看出：凍融循環(huán)50次時(shí)，混凝土表面較少剝落；100～150次時(shí)，剝落嚴(yán)重，骨料露出試件表面；200次時(shí)，混凝土兩端開始大面積剝落，動(dòng)彈性模量下降了30.91%；250次時(shí)試件已經(jīng)完全凍壞。

相對(duì)于普通混凝土，陶?；炷量箖鲂阅茌^好，首先陶?；炷两缑孢^(guò)渡區(qū)較普通混凝土更密實(shí)，相較普通混凝土其孔隙儲(chǔ)水量也少，其次陶粒內(nèi)部孔在混凝土中形成 “儲(chǔ)備孔”，類似 “引氣”的作用，提高了混凝土的抗凍性能[14]。另外陶?；炷翉椥阅Ａ啃?，相對(duì)于普通混凝土，在凍融循環(huán)下產(chǎn)生的應(yīng)力作用下，可以產(chǎn)生更大應(yīng)變從而緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，陶?；炷劣懈鼜?qiáng)的抗凍性。

圖2 凍融循環(huán)下的質(zhì)量損失及動(dòng)彈性模量損失Fig.2 Quality loss and dynamic elastic modulus loss under freeze-thaw cycles

圖3 LC30不同凍融循環(huán)次數(shù)下的狀態(tài)Fig.3 State of LC30 under different freeze-thaw cycles

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)定，得出LC30和C30的非穩(wěn)定態(tài)氯離子遷移系數(shù)和氯離子滲透高度平均值見表5。從表5中看出，C30的氯離子遷移系數(shù)和氯離子滲透高度值都比LC30大，可知陶?；炷量孤入x子滲透能力也顯著高于普通混凝土。

首先，LC30水膠比低于C30，因此混凝土更密實(shí)，抗氯離子滲透效果更好。其次，普通混凝土的界面過(guò)渡區(qū)范圍內(nèi)，由于泌水現(xiàn)象，普通骨料周圍形成一定厚度的水膜層或稀水泥漿，待水分蒸發(fā)，會(huì)產(chǎn)生較多的微裂紋或形成疏松的多孔結(jié)構(gòu)。干燥陶粒在新拌混凝土中不斷吸水，阻礙水膜層或水泥漿層的形成，同時(shí)陶?；炷帘砻娲植?，水泥石可以與陶粒緊密粘接，界面過(guò)渡區(qū)的有害孔數(shù)量減少，孔徑變小[15-16]，因此混凝土抗氯離子滲透能力得以提高。

表5 非穩(wěn)定態(tài)氯離子遷移系數(shù)和氯離子滲透高度平均值Table 5 Average values of chloride penetration height and transport coefficient of unstable chloride ion

2.3 SEM分析

為了研究鐵尾礦陶粒和普通骨料的界面過(guò)渡區(qū)，使用SEM觀察養(yǎng)護(hù)28 d的混凝土界面區(qū)，結(jié)果如圖4所示。可以明顯看出，陶粒界面區(qū)域的硬化水泥石較普通骨料更致密，這是因?yàn)樘樟ｐB(yǎng)護(hù)后期的“返水”效果，水化反應(yīng)更充分。普通骨料界面區(qū)域疏松多孔，也是其耐久性差的根本原因。同時(shí)還觀察到進(jìn)入陶粒內(nèi)部的水泥漿形成的水化產(chǎn)物，使得陶粒和硬化水泥漿體有著較強(qiáng)的嚙合作用，因此陶?；炷恋慕缑鎱^(qū)結(jié)合更緊密，強(qiáng)度更高。

圖4 界面過(guò)渡區(qū)SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of interface transition zone

2.4 經(jīng)濟(jì)性分析與應(yīng)用

裝配式混凝土的成本主要取決于原材料費(fèi)以及人工費(fèi)、機(jī)械費(fèi)。鐵尾礦陶?；炷僚c普通混凝土的成本區(qū)別在原材料費(fèi)用上。鐵尾礦陶粒混凝土的原材料價(jià)格如表6所示。本次試驗(yàn)中LC30與C30混凝土的成本統(tǒng)計(jì)如表7所示。

從表7可看出，每立方鐵尾礦陶?；炷猎牧铣杀靖叱銎胀ɑ炷脸杀镜?0.61%。由于鐵尾礦陶粒混凝土低表觀密度及較好的耐久性，在實(shí)際工程運(yùn)用過(guò)程中，其“輕質(zhì)”的特點(diǎn)可以減少承重結(jié)構(gòu)中鋼筋和混凝土的用量，較好的耐久性也可以增長(zhǎng)其使用壽命，彌補(bǔ)成本上的劣勢(shì)。在陜西能源綠色建筑產(chǎn)業(yè)園建設(shè)中，外墻掛板采用鐵尾礦陶粒混凝土預(yù)制板，進(jìn)一步提高了裝配率。

表6 原材料價(jià)格表Table 6 Price list of raw materials /(yuan·t-1)

表7 混凝土的成本統(tǒng)計(jì)Table 7 Cost statistics for concrete /(yuan·m-3)

3 結(jié) 論

(1)鐵尾礦陶粒混凝土28 d強(qiáng)度滿足《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 12—2019)LC30配制強(qiáng)度的要求。

(2)鐵尾礦陶?；炷猎缙趶?qiáng)度增長(zhǎng)快，3 d強(qiáng)度可達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的80%，后期增長(zhǎng)慢，由于陶粒強(qiáng)度低，降低水膠比并不能與普通混凝土一樣可以顯著提高強(qiáng)度。其抗折強(qiáng)度和彈性模量分別只有同等級(jí)普通混凝土的60%和65%左右。

(3)鐵尾礦陶粒混凝土的抗凍性能和抗氯離子滲透能力優(yōu)于普通混凝土。

(4)鐵尾礦陶?；炷恋某杀靖叱銎胀ɑ炷?0.61%。