基于廢棄超細砂的細粒混凝土性能試驗研究

宋云濤，董光輝，徐雪鴻，蘆安平，江朝華

(1.長江南京航道工程局，南京 210011； 2.河海大學 水利學科專業(yè)實驗教學中心，南京 210098)

1 研究背景

隨著國民經(jīng)濟和社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，人們對生態(tài)、環(huán)境保護的要求越來越高。傳統(tǒng)的開山采石方式，因爆破采石造成山體破壞、植被銳減，導致嚴重的水體、空氣污染和生態(tài)環(huán)境破壞而逐漸受到限制，天然砂石材料面臨嚴重短缺和枯竭。另外，各種航道整治工程如長江中下游疏浚工程產(chǎn)生大量疏浚砂，陜北等沙漠地區(qū)也分布著大量的超細砂。這些砂子細度小，通常細度模數(shù)<0.7，比表面積、空隙率和吸水量大。利用廢棄超細砂制備混凝土替代普通混凝土，可以減少土地占用，降低工程造價，有效緩解天然砂石材料短缺或枯竭問題，具有廣闊的應(yīng)用前景和良好的生態(tài)效益。

細粒混凝土也稱無粗骨料混凝土，主要由水泥、砂、填料和高效減水劑組成，其中砂替代普通混凝土中粗骨料，填料(粉煤灰、礦粉、石灰石等細顆粒)替代普通混凝土中的細骨料，水泥為膠凝材料，同時必須摻入高效減水劑降低用水量[1]。目前細?；炷林饕獞?yīng)用于粗骨料匱乏而砂蘊藏量豐富的沙漠等地區(qū)。研究表明以細度模數(shù)為1.18左右的沙漠沙為主要原料制備壓實細?；炷?，當水泥和石灰石摻量分別為350 kg/m3和200 kg/m3時，混凝土的抗壓強度可達16.0 MPa[2]。Belhadj等[3]發(fā)現(xiàn)細粒混凝土的力學性能和斷裂性能受砂的物理性能如棱角形狀、最大直徑和粒徑分布等的影響。Karima等[4]將細?；炷磷鳛橐环N新的修復材料，發(fā)現(xiàn)其立方體試件的粘結(jié)強度顯著提高，達到3.17 MPa。

在細?；炷恋慕M合物中必須使用填料，以確保所需的密實度，并因此獲得足夠的強度[5]。目前，細?；炷林凶畛Ｓ玫奶畛洳牧鲜鞘沂郏鳛橐环N廢棄物集料的破碎物，其不僅容易獲得而且環(huán)保。此外粉煤灰等火山灰材料具有火山灰性質(zhì)，研究表明將粉煤灰作為摻合料加入混凝土中有助于發(fā)揮填充作用，促進試件密實度和強度的提高。因此可將粉煤灰作為細?；炷撂盍?，充分發(fā)揮其填充和火山灰雙重作用[6-7]。

本文首先基于干混試樣最大堆積密度檢測不同粉煤灰摻量對干混試樣密度的影響，然后研究粉煤灰摻量對細?；炷敛煌g期抗壓強度、劈裂抗拉強度和浸水強度的影響，并以同等強度普通混凝土為對比進行了經(jīng)濟分析，為廢棄超細砂的資源化利用提供有效途徑。

2 試驗材料及試驗方法

2.1 原材料

試驗所用廢棄超細砂來自長江中下游航道整治工程，其pH值為7.67，呈弱堿性，含水率為5.04%，經(jīng)全部風干后方可用于試驗。廢棄超細砂取樣現(xiàn)場、顆粒形貌分別見圖1和圖2，廢棄超細砂化學成分和顆粒級配分別見表1和表2。

圖1 廢棄超細砂取樣現(xiàn)場Fig.1 Sampling site of waste ultra-fine sand

圖2 廢棄超細砂顆粒形貌Fig.2 Morphology of waste ultra-fine sand

表1 廢棄超細砂化學成分Table 1 Chemical composition of waste ultra-fine sand

表2 廢棄超細砂顆粒級配分布Table 2 Particle size distribution of waste ultra-fine sand

由圖2可知，廢棄超細砂顆粒獨立，顆粒之間無粘結(jié)，顆粒晶體透明，邊緣平直光滑，顆粒棱角比較圓滑，可見該廢棄超細砂顆粒間摩擦力小，團聚力小，塑性差。

由表1可知，超細砂中SiO2、Al2O3含量比較高，分別達68.73%和11.33%，其次為CaO、Fe2O3、MgO、K2O和Na2O。廢棄超細砂中以上7種主要成分含量達98.9%，說明其他物質(zhì)及有機質(zhì)含量較少。

由表2可知，廢棄超細砂<0.075 mm的顆粒僅占總質(zhì)量的1.29%，少于10%；其顆粒主要分布于0.15～0.3 mm范圍，含量高達78.55%。經(jīng)計算,該廢棄超細砂細度模數(shù)為0.82；X射線衍射(X-Ray Diffraction，XRD)分析表明廢棄超細砂中石英、長石等原生類礦物的特征峰最為明顯，為主要礦物。廢棄超細砂中的SiO2主要以石英和長石晶體存在。

試驗中水泥為海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥；Ⅱ級粉煤灰，密度為923 kg/m3，需水量比為104%；減水劑為交通運輸部南京水利科學研究院自制的聚羧酸高效減水劑。

2.2 試驗方法

細?；炷恋膹姸扰c干混試樣的密實度密切相關(guān)，即與粉煤灰填料含量密切相關(guān)。干混試樣最大堆積密度檢測方法為：固定水泥用量為400 kg/m3，改變粉煤灰摻量，然后添加廢棄超細砂，將水泥、粉煤灰、砂三者混合，在JJ-5型水泥凈漿攪拌機內(nèi)攪拌3 min至均勻，然后在HZJ-A振動臺振動約1 min，摻入超細砂重復攪拌和振動直至達到預設(shè)體積500 mL為止，隨后測定干混試樣的堆積密度。

按照一定配合比，稱取廢棄超細砂、水泥、粉煤灰等物料，加入JJ-5型水泥膠砂攪拌機內(nèi)干拌均勻，再加入水濕拌3 min，同摻0.45%減水劑。將拌合物加入100 mm×100 mm×100 mm三聯(lián)試模，采用HZJ-A混凝土振動臺分2次振動成型，每次振動1 min。成型后在試模表面覆蓋薄膜，24 h后脫模，脫模后試件在標準條件下養(yǎng)護至規(guī)定齡期；強度測試依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)在SHT4305型微機控制電液伺服萬能試驗機進行。

圖3 干拌物密度與粉煤灰 摻量的關(guān)系曲線Fig.3 Relation between density and fly ash content

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 粉煤灰摻量對細?；炷粮苫烀芏鹊挠绊?/h3>

固定水泥摻量為400

kg/m3，改變粉煤灰摻量，而廢棄超細砂則添加到水泥、粉煤灰、砂三者混合物經(jīng)干拌振搗密實后體積達到500 mL為止，隨后測定干混物料量并計算其密度。干拌物密度與粉煤灰摻量的關(guān)系見圖3。

由圖3可知，隨著粉煤灰摻量的增加，干拌物料的堆積密度隨著粉煤灰摻量的增加先增加后減少，存在一個峰值。粉煤灰摻量約為400 kg/m3時，干拌物料密度達到最大值，為2 120.3 kg/m3，此時粉煤灰和水泥的摻量之比約為1∶1。粉煤灰和水泥細顆粒首先填充在超細砂顆粒之間，隨著粉煤灰摻量的增加，干拌物料的堆積密度不斷增加。當超細砂顆粒之間的空隙逐漸填滿后，繼續(xù)添加的粉煤灰顆粒則將占據(jù)砂粒體積空間，在預設(shè)固定體積下這將導致廢棄超細砂用量的降低，因而干拌物的密度隨著粉煤灰摻量的增加而減小。故粉煤灰存在最佳摻量，約為400 kg/m3。

3.2 粉煤灰摻量對細?；炷量箟簭姸鹊挠绊?/h3>

本試驗固定水膠比為0.38，減水劑摻量為0.45%。通過調(diào)整粉煤灰的摻量，研究不同粉煤灰和廢棄超細砂配合比對細?；炷猎嚰?、14、28 d抗壓強度的影響。各組試件配合比見表3，抗壓強度試驗結(jié)果見圖4。

表3 細?；炷僚浜媳萒able 3 Mix proportion of fine concrete specimen

圖4 粉煤灰摻量對細?；炷量箟簭姸鹊挠绊慒ig.4 Influence of fly ash content on compressive strength of fine-grained concrete

從圖4可知，隨著粉煤灰摻量的增加，試件各齡期抗壓強度先增加后減少，呈火山型曲線。當粉煤灰摻量為16.6%時，7、14、28 d抗壓強度均達到最大值，分別為13.23、19.14、22.56 MPa。此時粉煤灰和水泥的摻量之比為1∶1，粉煤灰摻量對強度影響的趨勢與干拌物料最大堆積密度檢測結(jié)果基本一致。當粉煤灰摻量超過16.6%時，繼續(xù)增加粉煤灰，試件抗壓強度逐漸變小，粉煤灰摻量為34.0%時，較之不摻加粉煤灰，試件7、14、28 d抗壓強度分別下降8.4%、10.9%和8.8%。

隨著水化的進行，水泥中的硅酸三鈣C3S和硅酸二鈣C2S與水反應(yīng)水化生成硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣以及水化鐵酸鈣和氫氧化鈣Ca(OH)2，Ca(OH)2達到一定濃度后將不斷侵蝕粉煤灰微珠，與粉煤灰中的活性SiO2和Al2O3反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和鋁酸鈣凝膠。隨水化反應(yīng)進行，水化硅酸鈣凝膠與Ca(OH)2沉淀共同組成“雙膜層”，與水泥漿體緊密結(jié)合并使之更加密實。在細?；炷林袚郊臃勖夯乙环矫婵梢园l(fā)揮細顆粒的填充作用形成密級配，另一方面粉煤灰具有良好的火山灰特性，物理和化學的雙重作用可以更好地提高混凝土的抗壓強度。另外水泥中的磷酸三鈣可以進一步與粉煤灰反應(yīng)，由于顆粒緊密級配和水泥水化的物理和化學雙重作用，生成碳鋁酸鈣晶體，從而有效促進細?；炷猎缙趶姸鹊陌l(fā)展。

3.3 粉煤灰摻量對細?；炷僚芽估瓘姸鹊挠绊?/h3>

本試驗固定水膠比為0.38，減水劑摻量為0.45%。通過調(diào)整粉煤灰的摻量，研究不同粉煤灰和廢棄超細砂配合比對細?；炷粮鼾g期試件劈裂抗拉強度的影響。表3為各試件的配合比，細?；炷粮鼾g期劈裂抗拉強度試驗結(jié)果見圖5。

圖5 粉煤灰摻量對細?；炷僚芽估瓘姸鹊挠绊慒ig.5 Effect of fly ash content on splitting tensile strength of fine-grained concrete

從圖5可知，隨著粉煤灰摻量的增加，細?；炷粮鼾g期試件劈裂抗拉強度先增加后減少。粉煤灰摻量為16.6%時，7、14、28 d齡期試件對應(yīng)的劈裂抗拉強度分別為1.14、1.74、2.01 MPa，此時粉煤灰和水泥的摻量之比仍為1∶1。粉煤灰摻量超過16.6%時，細?；炷猎嚰芽估瓘姸入S粉煤灰摻量增加反而下降。當粉煤灰摻量為34.0%時，試件7、14、28 d劈裂抗拉強度分別降低到0.85、1.32、1.74 MPa，略高于不摻粉煤灰情況下對應(yīng)齡期試件的劈裂抗拉強度(分別為0.71、1.28、1.67 MPa)。

適量的粉煤灰在細?；炷涟柚齐A段通過填充作用可以使泥顆?！敖庑酢睌U散，從而增加漿體的密實度；在漿體硬化階段，粉煤灰則充分發(fā)揮物理和活性充填料作用。以上作用可以有效減小細?；炷林锌紫扼w積及較粗的孔徑尺寸，使細粒混凝土劈裂抗拉強度得到提高。然而，粉煤灰顆粒本身呈球狀而光滑，摻入到細粒混凝土后將減小其內(nèi)摩阻力，提高細?；炷恋牧鲃有?，過量粉煤灰的摻入將破壞漿體的合理級配，對試件的劈裂抗拉強度產(chǎn)生不良影響。因而細?；炷猎嚰芽估瓘姸扰c干混試樣最大堆積密度檢測出現(xiàn)類似趨勢，即先增加后減少，從而導致細?；炷猎嚰芽估瓘姸入S粉煤灰摻量的增加先上升后下降的結(jié)果。

3.4 粉煤灰摻量對細?；炷两箟簭姸鹊挠绊?/h3>

本試驗通過調(diào)整粉煤灰的摻量，研究粉煤灰不同摻量對細?；炷猎嚰鼾g期試件浸水抗壓強度的影響。各齡期試件浸水抗壓強度試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 粉煤灰摻量對細?；炷两箟簭姸鹊挠绊慒ig.6 Influence of fly ash content on compressive strength of fine-grained concrete after immersion

從圖6可知，隨著粉煤灰摻量的增加，細?；炷猎嚰鼾g期浸水強度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。粉煤灰摻量為16.6%時，7、14、28 d試件浸水強度分別為12.43、17.80、21.31 MPa，為最大值，此時粉煤灰和水泥的摻量之比仍為1∶1。隨著粉煤灰摻量的繼續(xù)增加，細?；炷猎嚰箟簭姸瘸氏陆档内厔?。試件各齡期浸水抗壓強度變化主要是由于各組分間存在“梯度水化效應(yīng)”：水化初期細?；炷翉姸仍鲩L主要是由于水泥的水化，同時其水化產(chǎn)物會促進粉煤灰的水化；一定時期后粉煤灰的水化將加快，并成為強度增長的主要來源。細?；炷林蠸iO32-和SO42-離子可取代CO32-離子而分別生成硅酸鈣和鈣礬石，同時細?；炷林写嬖诘奶妓徕}又會加速硅酸鈣的水化反應(yīng)，從而有效調(diào)整水化硅酸鈣中Ca與Si的質(zhì)量比。另一方面，在硅酸鈣水化過程中，碳酸鈣又能對水泥水化起促進作用，產(chǎn)生水化碳鋁酸鈣。水化硅酸鈣、鈣礬石及水化碳鋁酸鈣的生成都將提高細?；炷恋慕箟簭姸?。

3.5 細?；炷罼射線衍射分析

對摻加16.6%粉煤灰的細?；炷翗藴署B(yǎng)護7、14、28 d的試件分別進行XRD分析，結(jié)果見圖7。

圖7 樣品XRD分析結(jié)果Fig.7 Results of XRD analysis of samples

從圖7可以看出，7 d齡期樣品中的主要礦物為石英，同時含有一定量氫氧化鈣、鈣礬石和水化硅酸鈣。14 d齡期樣品中主要礦物石英的衍射峰強度相比7 d齡期樣品有所下降，而水化硅酸鈣和鈣礬石的衍射峰強度均有所增強，樣品中仍含有少量氫氧化鈣。隨著齡期的進一步增長，樣品中石英和氫氧化鈣的衍射峰強度進一步下降。在28 d齡期樣品中石英和氫氧化鈣衍射峰強度達到3種齡期樣品中的最低值，而樣品中水化硅酸鈣和鈣礬石衍射峰強度進一步增強，原因為石英中的SiO2和游離Ca2+發(fā)生反應(yīng)而生成了Ca與Si的質(zhì)量比更低的水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠，并生成了鈣礬石，且兩者排列更加有序，有助于強度的增長，這和強度試驗結(jié)果相吻合。

3.6 經(jīng)濟分析

與普通混凝土相比，細?；炷辆哂泻芨弑壤纳坝昧?、較低的水泥用量和低水灰比，同時比普通砂漿具有更高的抗壓強度等力學性能。以廢棄超細砂為主要原料時，與普通C20混凝土相比，廢棄超細砂混凝土單方造價大致計算如表4所示。其中單方廢棄超細砂的運出費按20元/t計。

表4 普通C20混凝土和廢棄超細砂混凝土單方 造價比較Table 4 Comparison of cost between C20 concrete and fine grained concrete

從表4可知，與基準C20混凝土相比，單方超細砂細?；炷辽a(chǎn)成本降低45.1%，同時可以大量使用粉煤灰等工業(yè)廢渣。

4 結(jié) 論

(1)廢棄超細砂細?；炷潦且环N新型混凝土，其中超細砂替代普通混凝土中的粗骨料，粉煤灰替代普通混凝土中的細骨料，水泥為膠凝材料，同時必須摻入高效減水劑降低用水量。由于顆粒緊密級配和水泥及粉煤灰水化的物理和化學雙重作用，該超細砂細?；炷辆哂辛己玫男阅?。當水泥摻量為16.6%、粉煤灰摻量為16.6%、廢棄超細砂摻量為66.8%、水膠比為0.38、減水劑摻量為0.45%時，試件28 d抗壓、劈裂抗拉和浸水抗壓強度分別為22.56、2.01、21.31 MPa。XRD分析表明制備的細?；炷梁写罅康乃杷徕}和鈣礬石等水化產(chǎn)物。

(2)與基準C20混凝土相比，單方超細砂細?；炷辽a(chǎn)成本降低45.1%，同時可以大量使用粉煤灰等工業(yè)廢渣。該細?；炷烈陨盀橹饕希皇褂檬拥却止橇?，大量利用廢棄砂，可以有效緩解天然砂石材料的短缺和枯竭，替代普通混凝土制備壓載塊等就近應(yīng)用于航道整治工程，具有顯著的經(jīng)濟價值和廣闊的應(yīng)用前景。