固廢改良土及其環(huán)境影響的試驗研究

CaCO3型廢石粉對混凝土性能影響的試驗研究

魏忠，張新勝，魏桃山，賈亞瓊

摘要

本文從CaCO3型廢石粉的特性進行研究，通過不同摻量廢石粉膠砂強度試驗和混凝土配合比優(yōu)化，對不同強度等級的廢石粉混凝土進行工作性能、力學性能的檢測和分析，研究廢石粉混凝土的工作機理及主要問題。結果表明通過技術手段可以有效改善廢石粉混凝土的各項性能，并且滿足施工要求，具有良好的經(jīng)濟價值和推廣意義。

關鍵詞：碳酸鈣；廢石粉；配合比優(yōu)化

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引言

隨著我國經(jīng)濟的快速增長和城市化進程的加快，建筑業(yè)在不斷地發(fā)展?；炷潦墙ㄖI(yè)的脊梁。商品混凝土中的天然河砂日益短缺，已經(jīng)無法滿足行業(yè)的需求，同時天然河砂的價格在不斷上漲，越來越多的混凝土企業(yè)選擇使用破碎的石灰石來替代細集料。石灰石破碎過程中會產(chǎn)生大量的碎屑及石粉，這些碎屑和石粉大量堆積，造成了環(huán)境污染和資源浪費。如果能合理有效地利用這些廢石粉，不僅可以節(jié)約資源，還能改善環(huán)境，從而取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。廢石粉中含有大量的石屑和石粉，石屑棱角較多，可以替代一部分粗集料；石粉可以替代一部分細集料或者膠凝材料。關于石灰石粉在混凝土中所起的作用有兩種觀點：一種認為石粉是一種惰性摻合料，它不參與水泥的水化過程，只是在混凝土中起微集料填充作用；另一種則認為石粉參與水泥的水化過程，并且對混凝土的工作性能、力學性能和耐久性能都有一定的影響。本文主要研究碳酸鈣型的廢石粉對混凝土性能的影響及相關問題的解決方法和途徑。

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試驗材料的選擇

1.1 水泥

為了有效控制水泥顆粒組成對水化熱的影響，降低水泥水化速度，應選擇顆粒分布較寬的水泥，這樣有利于實現(xiàn)混凝土的高流動性、低坍落度損失、高后期強度和優(yōu)良耐久性。本試驗選用新鄉(xiāng)天瑞水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5水泥，相關指標檢測如表1、表2所示。

表1 水泥物理性能指標

表2 水泥化學成分分析（%）

1.2 礦物摻合料

優(yōu)質(zhì)粉煤灰和礦粉對混凝土的和易性起著重要的作用，故在礦物摻合料的選擇上要慎重。本試驗選用的粉煤灰為河南焦作電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，其物理性能指標如表3所示。

表3 粉煤灰物理性能指標

礦粉為新鄉(xiāng)新星S95礦粉，其物理性能指標如表4所示。

表4 礦粉物理性能指標

1.3 骨料

骨料的顆粒形狀及表面狀態(tài)直接影響著新拌混凝土的流動性能，對于廢石粉混凝土來說，石子自身的含泥量對試驗數(shù)據(jù)的準確性顯得很關鍵。本試驗中石子為滎陽賈峪鎮(zhèn)5～20mm連續(xù)級配碎石，砂子為賈峪鎮(zhèn)機制砂和水洗砂混合后的中砂，相關物理性能指標如表5、表6所示。

表5 粗骨料物理性能指標

表6 細骨料物理性能指標

1.4 廢石粉的化學組成

廢石粉選用滎陽某石料加工廠生產(chǎn)石子剩下的碎料，其含粉量為18%，其化學組成如表7所示。

表7 石粉的化學組成（%）

1.5 減水劑

本試驗所用減水劑為河南科之杰生產(chǎn)的脂肪族高效減水劑，其物理性能指標如表8所示。

表8 減水劑物理性能指標

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試驗過程及方法

2.1 廢石粉膠砂試驗

由于廢石粉中含有碎石顆粒，在進行膠砂試驗時，需將廢石粉用4.75mm的篩子進行篩分，測得廢石粉中含粉量為18%，細度為25%。將篩出的石粉進行膠砂試驗，按照0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%的取代率取代水泥。

表9 不同摻量廢石粉的膠砂試驗

▲ 圖1 廢石粉膠砂試驗抗折強度圖

▲ 圖2 廢石粉膠砂試驗抗壓強度圖

由圖1～2、表9可以看出：

（1）摻入廢石粉的膠砂試塊3d和28d的抗折強度，整體上是隨著石粉摻量的增加而降低；石粉摻量在5%～25%范圍內(nèi)，3d抗折強度影響不大，處于相對平穩(wěn)的狀態(tài)；石粉摻量在30%～50%范圍內(nèi)，抗折強度降低趨勢較明顯。由此可以得出：對于石粉膠砂試塊早期強度而言，25%～30%是石粉摻量的一個相對臨界值。

（2）摻入廢石粉的膠砂試塊3d和28d的抗壓強度，同樣整體上是隨著石粉摻量的增加而降低，石粉摻量在0%～30%時，抗壓強度下降趨勢較為明顯；當廢石粉摻量超過30%時，抗壓強度基本趨于穩(wěn)定，摻量在30%～50%范圍內(nèi)，抗壓強度變化值在5MPa以內(nèi)。

2.2 廢石粉取代粉煤灰及砂子試驗

將原始廢石粉按照普通混凝土配合比設計方法進行設計，分別設計C15、C20、C25和C30四個強度等級的廢石粉混凝土，廢石粉采用內(nèi)摻法，分別取代不同數(shù)量的粉煤灰和機制砂，檢測其力學性能和工作性能。不同摻量廢石粉的混凝土配合比及性能測試結果詳見表10、表11。

由試驗數(shù)據(jù)可以看出：

（1）同等級混凝土在水灰比相同的條件下，對減水劑的需求隨著廢石粉摻量的增加而增加，但是混凝土和易性有明顯的改善，比普通混凝土流動性好，粘聚性強，泌水少，保水性好。這主要是由于廢石粉在混凝土中起到了水泥漿體的作用。

表10 不同摻量廢石粉的混凝土配合比試驗

表11 不同摻量廢石粉混凝土的工作性能

（2）在同強度等級條件下，未摻加廢石粉的混凝土的早期強度比摻加廢石粉的混凝土的早期強度發(fā)展的要快，這是由于水泥的水化速度要高于廢石粉的水化速度。

（3）在一定范圍內(nèi)，廢石粉混凝土的劈裂抗拉強度隨著廢石粉摻量的增加而增加，泌水率隨著廢石粉摻量的增加而降低，這是由于廢石粉中的石粉是碳酸鈣型，水化后水硬性較好，密實度較高。

（4）廢石粉混凝土的初凝和終凝時間均比普通混凝土略長，其容重也比普通混凝土略高。

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試驗結果及分析

（1）隨著石粉含量的增加，混凝土坍落度先是增加，而后又減小，加入外加劑后又增加。這說明摻入適量的廢石粉可以增加漿體的量，從而對混凝土的工作性能有改善；但繼續(xù)摻加廢石粉，由于廢石粉中石粉的吸水作用使混凝土變得粘稠，混凝土的坍落度降低；加入外加劑后，廢石粉混凝土的保水性能得以發(fā)揮，混凝土流動性大大改善。

（2）廢石粉膠砂實驗中，廢石粉中石粉的摻入并沒有提高膠砂試塊的抗壓強度和抗折強度，可見廢石粉的活性較低，甚至沒有活性，廢石粉基本上不參與水化作用。

（3）隨著廢石粉摻量的增加，混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)先減小又增加的趨勢。當廢石粉含量在一定的范圍內(nèi)時，混凝土的抗壓強度會有所提高；當廢石粉含量超出該范圍時，混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)下降趨勢。因廢石粉的品質(zhì)和含粉量的不同，該極限范圍會有所不同。

（4）由于廢石粉中含有大量的石屑，石屑棱角較多，低摻量廢石粉加入后，廢石粉需水量小于普通混凝土，在同等級混凝土條件下，廢石粉混凝土的空隙率要低于普通混凝土，空隙率減少，密實度提高，抗壓強度從而提高，既而使廢石粉混凝土的抗?jié)B透性要高于普通混凝土。

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結論

（1）當廢石粉含量在5%～30%時，廢石粉混凝土的抗壓強度及抗拉強度要高于同齡期同等級普通混凝土，抗凍、抗?jié)B性比普通混凝土好。

（2）廢石粉摻量在5%～30%范圍內(nèi)，混凝土的單方用水量下降3～7千克每立方米，外加劑摻量有所下降。但是當廢石粉摻量高于30%以上時，單方用水量有所上升，外加劑摻量也會隨之增加，混凝土和易性有所提高。

來源：中國知網(wǎng)