不同配比固廢膠凝材料抗壓強(qiáng)度研究

摘""要：采用價(jià)格相對(duì)低廉的膠凝材料（電石渣、礦粉、熟石灰）代替水泥，進(jìn)行固廢膠凝材料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)研究表明，混合土的強(qiáng)度均隨時(shí)間增長而強(qiáng)度增加。相同原料配比條件下，熟石灰∶礦粉按照1∶1配比等量代替水泥比電石渣∶礦粉按照1∶1配比等量代替水泥制成的混合土強(qiáng)度高，兩者強(qiáng)度均略低于傳統(tǒng)水泥混凝土。提高礦粉摻量占比后，強(qiáng)度會(huì)大幅度提高。但是，同時(shí)提高熟石灰和礦粉摻量占比或電石渣和礦粉摻量占比后，混合土強(qiáng)度不會(huì)大幅提高，甚至略有降低。電石渣或熟石灰、礦粉、細(xì)石、砂、水制成的混合土施工和易性、保水性跟水泥混凝土具有相似性；研究成果可以為固廢膠凝材料在對(duì)混凝土強(qiáng)度要求低的基坑支護(hù)面層施工、市政道路預(yù)制砌塊制作等領(lǐng)域中的應(yīng)用提供依據(jù)，有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：電石渣""礦粉""固廢材料""抗壓強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU521.3

Study"on"the"Compressive"Strength"of"Solid"Waste"Cementitious"Materials"with"Different"Ratios

ZHANG"Jiqing1""TIAN"Jing2""XU"Kaishan1""ZHUANG"Yalin1

1.Qingdao"Rruiyuan"Engineering"Group"Co.，"Ltd.，"Qingdao，"Shandong"Province，"266550"China；2.Chengfa"Group"（Qingdao）"Qisheng"Investment"and"Development"Co.，"Ltd.，"Qingdao，"，Shandong"Province，"266550"China

Abstract：It"uUsesing"relatively"inexpensive"cementitious"materials"（carbide"slag，"mineral"powder，"hydrated"lime）"instead"of"cement"，"to"conduct"compressive"strength"tests"on"solid"waste"cementitious"materials."The"experimental"results"show"that"the"strength"of"the"mixed"soil"increases"with"time.;"Under"the"same"raw"material"ratio"conditions，"the"mixture"ofstrength"of"the"mixed"soil"made"by"replacing"cement"with"hydrated"lime：""and"mineral"powder"in"a"1：1"ratio"instead"of"cement"hasis"higher"strength"than"the"mixturethat"of"calcium"carbide"slag："and"mineral"powder"in"a"1：1"ratio"instead"of"cement.，"and"Bboth"have"slightly"lower"strength"than"traditional"cement"concrete."After"increasing"the"proportion"of"mineral"powder"content，"the"strength"will"be"significantly"improved.""HoweverButnbsp;at"the"same"time，"increasing"the"proportion"of"hydrated"lime"and"mineral"powder"or"the"proportion"of"carbide"slag"and"mineral"powder"at"the"same"time"will"not"significantly"improveincrease"the"strength"of"the"mixed"soil，"and"even"slightly"decrease."The"construction"workability"and"water"retention"of"mixed"soil"made"from"of"calcium"carbide"slag"or"hydrated"lime，"mineral"powder，"sand，"fine"stone，"and"water"are"similar"to"those"of"cement"concrete;"The"research"results"can"provide"a"basis"reference"for"the"application"of"solid"waste"cementitious"materials"in"the"construction"of"foundation"pit"support"surface"layers"with"low"concrete"strength"requirements，"and"the"production"of"municipal"road"prefabricated"blocks，"which"has"certain"practical"significance.

Key"Wwords：：Calcium"Ccarbide"slag;"Mineral"powder;"Solid"waste"materials;"Compressive"strength

傳統(tǒng)混凝土是以沙子、石子、水和水泥作為基本原料制成的。張吉慶等人[1]用電石渣、礦粉代替水泥，對(duì)由不同配比混合土構(gòu)成的基坑支護(hù)的面層強(qiáng)度進(jìn)行了研究。WU"Y"L等人[2]使用電石渣作為堿激發(fā)劑，并選用不同反應(yīng)活性的礦渣、糠醛渣焚燒灰、粉煤灰等作為火山灰質(zhì)材料，研究了其反應(yīng)活性對(duì)固廢膠凝材料固化濱海相軟質(zhì)土宏觀、微觀特性的作用影響。彭志順[3]進(jìn)行了與全固廢材料為基礎(chǔ)的綠色混凝土試驗(yàn)有關(guān)的深入研究。

崔孝煒等人[4]提出礦粉有助于顯著提升混凝土的力學(xué)特性和耐久性。易耀林和他的團(tuán)隊(duì)[5]指出，使用電石渣和礦粉可以增強(qiáng)固化土在早期的強(qiáng)度。王文軍等人[6]指出，加入納米礦粉可以優(yōu)化侵蝕環(huán)境中淤泥的固化效果。周春霞[7]探討了煤矸石、粉煤灰等工業(yè)固體廢棄物作為煤礦膠結(jié)充填材料的核心組分的可行性。李運(yùn)紅[8]做了全固廢堿激發(fā)膠凝材料在止水帷幕中的應(yīng)用研究。王林[9]探討了基于金尾礦-礦粉-電石渣-水泥膠凝材料的泡沫輕質(zhì)土性能研究。

固廢研究大多在于分析其反應(yīng)過程及成分組成，而在相同條件下不同比例固廢膠凝材料的強(qiáng)度與工程應(yīng)用方面研究很少。本研究使用電石渣或熟石灰作為堿激發(fā)劑，礦粉作為火山灰質(zhì)材料，制備了全固廢膠凝材料，并通過進(jìn)行不同配合比的固廢混合土強(qiáng)度試驗(yàn)，確定了最佳的配合比并得出相關(guān)結(jié)論。將其用于基坑支護(hù)的面層施工，對(duì)實(shí)現(xiàn)廉價(jià)固廢膠凝材料代替水泥在臨時(shí)性建筑中的應(yīng)用起到了借鑒作用。

1"抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

制備不同原材料、不同配比的混合土試塊。試塊尺寸100"mm×100"mm×100"mm，共計(jì)11組，每組12塊，每組編號(hào)1#～11#。其中將4#試驗(yàn)配合比（水∶水泥∶砂：石子=0.6∶1∶1.34∶3.12），1#試驗(yàn)配合比（水∶熟石灰∶礦粉∶砂∶石子=0.5∶0.5∶0.5∶1.34∶3.12），和5#試驗(yàn)配合比（水∶電石渣∶礦粉∶砂∶石子=0.6∶0.5∶0.5∶1.34∶3.12），設(shè)定為基準(zhǔn)配合比。每組原材料配比如表1所示。對(duì)其進(jìn)行室外同條件養(yǎng)護(hù)后，分別從每組中取3塊，在3"d、7"d、14"d、28"d的時(shí)候進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見圖1～圖4。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖1知：砂石質(zhì)量一定的情況下，由水泥（4#）按照基準(zhǔn)配比制成的混凝土強(qiáng)度最高，28"d同條件養(yǎng)護(hù)條件下，最高強(qiáng)度為22.76"MPa；其次為熟石灰和礦粉（1#），兩者之和同質(zhì)量代替水泥制成的混合土，28"d同條件養(yǎng)護(hù)條件下，最高強(qiáng)度為12.51"MPa；最低為電石渣和礦粉（5#），兩者之和同質(zhì)量代替水泥制成的混合土，28"d同條件養(yǎng)護(hù)條件下，最高強(qiáng)度為9.74"MPa。

3種組合制成混合土的強(qiáng)度均隨時(shí)間的增長而強(qiáng)度增加。前7"d強(qiáng)度增加快，7"d后強(qiáng)度增加變緩慢。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖2知：砂石質(zhì)量一定的情況下，水泥、熟石灰和礦粉、電石渣和礦粉，質(zhì)量分別加倍，變?yōu)樵瓉碣|(zhì)量的2倍，僅水泥制成的混凝土強(qiáng)度（4#和11#）略有增加外，28"d同條件養(yǎng)護(hù)條件下，最高強(qiáng)度由22.76"MPa增長為26.94"MPa；其他兩種配比的混合土，強(qiáng)度未明顯增加，甚至熟石灰和礦粉（1#和10#）質(zhì)量加倍后，混合土質(zhì)量反而降低，由28"d同條件養(yǎng)護(hù)條件下，強(qiáng)度由12.51"MPa降為11.01"MPa。

探究其原因，懷疑細(xì)度大的膠凝摻料過多的包裹住砂石骨料后，砂石的強(qiáng)度未能充分發(fā)揮。另外，膠凝材料占比增大后，導(dǎo)致水化反應(yīng)未充分發(fā)揮。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖3知：砂石質(zhì)量一定，熟石灰和礦粉總和一定，并且之和與水泥質(zhì)量相等的情況下，礦粉占比越高，混合土強(qiáng)度越高。熟石灰∶礦粉=1∶3（3#）28"d同條件養(yǎng)護(hù)條件下，最高強(qiáng)度為15.27"MPa；熟石灰∶礦粉=1∶4（6#）28"d同條件養(yǎng)護(hù)條件下，最高強(qiáng)度為15.17"MPa；而熟石灰∶礦粉=1∶1（1#）28"d同條件養(yǎng)護(hù)條件下，強(qiáng)度為12.51"MPa；熟石灰∶礦粉=4∶1（7#）28"d同條件養(yǎng)護(hù)條件下，強(qiáng)度僅為5.03"MPa，強(qiáng)度大大降低。

砂石質(zhì)量配比一定，并且膠凝材料質(zhì)量總和與水泥相等的情況下，礦粉占比越高，混合土強(qiáng)度越高，礦粉摻量對(duì)混合土強(qiáng)度的影響呈正相關(guān)。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖4知：電石渣∶礦粉=1∶4（8#）28"d同條件養(yǎng)護(hù)條件下，最高強(qiáng)度為13.36"MPa；電石渣∶礦粉=1∶1（5#）28"d同條件養(yǎng)護(hù)條件下，強(qiáng)度為9.74"MPa。砂石質(zhì)量一定，電石渣和礦粉總和一定，并且之和與水泥質(zhì)量相等的情況下，礦粉占比越高，混合土強(qiáng)度越高。由6#和8#可知，質(zhì)量配比一樣的情況下，熟石灰和礦粉制成的混合土強(qiáng)度比電石渣和礦粉制成的混合土強(qiáng)度高，與圖1的部分結(jié)論相一致。

礦粉占比大，混合土強(qiáng)度高。相同質(zhì)量條件下，熟石灰對(duì)礦粉的激發(fā)作用，比電石渣作用效果要好。

根據(jù)試驗(yàn)配比結(jié)果，研究人員選取一個(gè)基坑支護(hù)面層施工項(xiàng)目，采用電石渣和礦粉這兩種膠凝材料替換水泥，制成新型混合土面層，進(jìn)行室外應(yīng)用試驗(yàn)。

2""工程概況

某基坑支護(hù)項(xiàng)目位于青島市黃島區(qū)長江東路。基坑深4～10"m，周長約為470"m。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)域位于基坑10-10單元，長度為60"m，高度為2.7"m，坡度比為1∶0.5。試驗(yàn)段的地質(zhì)情況為①素填土、③全風(fēng)化花崗巖、④強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

3"試驗(yàn)方案

為盡可能消耗電石渣、降低成本，電石渣∶礦粉約按2∶1比例混合，即水∶電石渣∶礦粉∶砂∶石子=0.47∶0.66∶"0.34∶1.34∶3.12。面層施工采用干法噴射，將原料混合均勻，在料管的噴嘴處加水，混合土通過空壓機(jī)等設(shè)備，將其噴射到試驗(yàn)邊坡上。干噴施工如圖5所示。

4""試驗(yàn)結(jié)果

4.1""和易性試驗(yàn)

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：噴射混合全固廢材料比水泥拌合的混凝土出料速度慢，更易堵塞。堵塞次數(shù)較多。分析原因可能為電石渣含水率較高，礦粉的細(xì)度低，礦粉、電石渣、砂子、石料混合時(shí)，摻混料粘附于磨料斗和管壁上，加氣時(shí)很難在管內(nèi)流動(dòng)，導(dǎo)致堵塞。

噴到邊坡后，其粘黏聚力與水泥混合料的粘聚力相比，其作用一致，能立即沾附在邊坡表面。其中垂直段支護(hù)使用全固廢混合料進(jìn)行面層施工時(shí)，支護(hù)效果好，沒有出現(xiàn)批量混合土脫落現(xiàn)象。全固廢混和土面層適用于黏土和巖質(zhì)邊坡、基坑深度4～10"m的情況。在邊坡失穩(wěn)、富含地下水和沒有止水帷幕等邊坡或者深基坑工程中需要謹(jǐn)慎采用。

4.2""施工措施

通過應(yīng)用試驗(yàn)得出：全固廢材料混合土作為基坑支護(hù)面層時(shí)，需要注意以下問題。

（1）混合料倒入噴射機(jī)后，下料速度慢。可以采用輔助措施加快下料，例如采用橡皮錘輕敲擊料斗來加快混合料流動(dòng)。

（2）噴射施工中可能發(fā)生堵管，可提高砂石占比用量；降低電石渣含水量；采用粒徑小、有圓度的細(xì)石；在投料口加裝過濾篩網(wǎng)，阻止大塊料進(jìn)入管道；保持噴射過程連續(xù)施工。

（3）拌和及噴射時(shí)，要避免揚(yáng)塵污染。混合料干燥情況下，易產(chǎn)生揚(yáng)塵，黏結(jié)性低。過于潮濕則易使混合料脫落。所以，要合理設(shè)置含水率，確保管噴口調(diào)水閥門隨著含水率的不同，隨時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4.3""經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)配比，室外工程應(yīng)用試驗(yàn)及2024年建材市場(chǎng)最新消息價(jià)格對(duì)成本造價(jià)方面進(jìn)行了比較。通過使用全固廢材料面層，在機(jī)械、人工、運(yùn)輸價(jià)格不變的情況下，原材料成本每平米降低了12.6元。對(duì)基坑深度10"m、周長1"000"m的一般規(guī)模的基坑支護(hù)工程，僅面層一項(xiàng)，可減少成本12.6萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4.4""環(huán)境效益分析

礦粉對(duì)環(huán)境造成的影響與水泥一致，但電石渣中可能含有Cd、Ni、CN-和Cl-等污染元素。建議含有超標(biāo)有害物質(zhì)、未經(jīng)過無害化處理且存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的電石渣等工業(yè)固體廢物，不應(yīng)直接用于農(nóng)田土壤或建筑材料，以防進(jìn)入食物鏈，對(duì)人類健康構(gòu)成威脅[17]。與其讓電石渣堆積在農(nóng)田并占據(jù)肥沃的土地，不如將其作為基坑支護(hù)的表層材料，更能夠降低其對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。從這個(gè)角度看，基坑支護(hù)作為臨時(shí)性的建筑，面層施工耗用電石渣，有一定的節(jié)能和環(huán)保效益。

5"結(jié)語

通過試驗(yàn)及分析結(jié)果，得到以下結(jié)論。

（1）相同原料配比條件下，熟石灰：礦粉按照1∶1配比等量代替水泥比電石渣∶礦粉按照1∶1配比等量代替水泥制成的混合土強(qiáng)度高，兩者強(qiáng)度均略低于傳統(tǒng)水泥混凝土。提高礦粉摻量占比后，強(qiáng)度會(huì)大幅度提高。

（2）同時(shí)提高熟石灰和礦粉摻量占比或電石渣和礦粉摻量占比后，混合土強(qiáng)度不會(huì)大幅提高，甚至略有降低。

（3）混合土強(qiáng)度均隨時(shí)間增長而強(qiáng)度增加。

（4）在對(duì)混凝土強(qiáng)度要求低的基坑支護(hù)面層施工等領(lǐng)域中，固廢膠凝材料同比例代替水泥，施工和易性、保水性與水泥混凝土類似，可采用干法進(jìn)行噴射混合土面層施工，具有可操作性。具體摻比根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)情況而定，并且價(jià)格經(jīng)濟(jì)，節(jié)能環(huán)保，建議在固廢資源豐富的地區(qū)，在基坑支護(hù)工程中推廣使用。

參考文獻(xiàn)

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