節(jié)能利廢型膨脹水泥混凝土的研究

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(jìn)行研究，通過不同摻量廢石粉膠砂強(qiáng)度試驗和混凝土配合比優(yōu)化，對不同強(qiáng)度等級的廢石粉混凝土進(jìn)行工作性能、力學(xué)性能的檢測和分析，研究廢石粉混凝土的工作機(jī)理及主要問題。結(jié)果表明通過技術(shù)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(jì)價值和推廣意義。

關(guān)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(jì)的快速增長和城市化進(jìn)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(xì)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(fèi)。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(jì)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(xì)集料或者膠凝材料。關(guān)于石灰石粉在混凝土中所起的作用有兩種觀點(diǎn)：一種認(rèn)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(rèn)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(xué)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(guān)問題的解決方法和途徑。

01

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(yīng)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(qiáng)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(guān)指標(biāo)檢測如表1、表2所示。

表1 水泥物理性能指標(biāo)

表2 水泥化學(xué)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(biāo)如表3所示。

表3 粉煤灰物理性能指標(biāo)

礦粉為新鄉(xiāng)新星S95礦粉，其物理性能指標(biāo)如表4所示。

表4 礦粉物理性能指標(biāo)

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(zhǔn)確性顯得很關(guān)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(jī)制砂和水洗砂混合后的中砂，相關(guān)物理性能指標(biāo)如表5、表6所示。

表5 粗骨料物理性能指標(biāo)

表6 細(xì)骨料物理性能指標(biāo)

1.4 廢石粉的化學(xué)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(xué)組成如表7所示。

表7 石粉的化學(xué)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(biāo)如表8所示。

表8 減水劑物理性能指標(biāo)

02

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(jìn)行膠砂試驗時，需將廢石粉用4.75mm的篩子進(jìn)行篩分，測得廢石粉中含粉量為18%，細(xì)度為25%。將篩出的石粉進(jìn)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(qiáng)度圖

▲ 圖2 廢石粉膠砂試驗抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度下降趨勢較為明顯；當(dāng)廢石粉摻量超過30%時，抗壓強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定，摻量在30%～50%范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)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(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，分別設(shè)計C15、C20、C25和C30四個強(qiáng)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(jī)制砂，檢測其力學(xué)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(jié)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(qiáng)，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(qiáng)度等級條件下，未摻加廢石粉的混凝土的早期強(qiáng)度比摻加廢石粉的混凝土的早期強(qiáng)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(qiáng)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。

03

試驗結(jié)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(qiáng)度和抗折強(qiáng)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(qiáng)度呈現(xiàn)先減小又增加的趨勢。當(dāng)廢石粉含量在一定的范圍內(nèi)時，混凝土的抗壓強(qiáng)度會有所提高；當(dāng)廢石粉含量超出該范圍時，混凝土的抗壓強(qiáng)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(qiáng)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。

04

結(jié)論

（1）當(dāng)廢石粉含量在5%～30%時，廢石粉混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)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(dāng)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)