王培新

（中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司，福建 福州 350003）

0 前言

我國(guó)于 20 世紀(jì) 80 年代后期開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（簡(jiǎn)稱 PHC 管樁）生產(chǎn)線，當(dāng)時(shí)年產(chǎn)量不足 50萬(wàn)方，發(fā)展到今天已經(jīng)走過(guò) 30 年的歷程，到了 2013 年我國(guó)的 PHC 管樁年產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到 30000 萬(wàn)方，生產(chǎn)工藝也在不斷改進(jìn)。如今大部分管樁企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率和模具周轉(zhuǎn)率采用的生產(chǎn)工藝為：離心成型—蒸汽養(yǎng)護(hù)—壓蒸養(yǎng)護(hù)。經(jīng)研究每立方米混凝土離心后可產(chǎn)生 110～120kg 余漿[1]，蒸汽養(yǎng)護(hù)和壓蒸養(yǎng)護(hù)過(guò)程中需要大量的蒸汽，在我國(guó)蒸汽主要依靠燃煤鍋爐來(lái)提供，所以每年會(huì)產(chǎn)生大量的燃煤爐渣。

管樁余漿通過(guò)多年的研究和實(shí)踐循環(huán)利用率已經(jīng)達(dá)到80% 以上[1,2]，而燃煤爐渣的綜合利用也有不少研究[3-5]，但將管樁余漿和燃煤爐渣結(jié)合在一起配制輕質(zhì)混凝土鮮有報(bào)道。本文通過(guò)試驗(yàn)研究，利用管樁余漿和燃煤爐渣配制輕質(zhì)混凝土是切實(shí)可行的，這為我國(guó)固體廢棄物的綜合處理提供新的方法，符合我國(guó)低碳環(huán)保的發(fā)展之路。

1 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：四川峨勝水泥集團(tuán)生產(chǎn) P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥。物理性能見(jiàn)表 1。

燃煤爐渣：四川某管樁公司燃煤鍋爐排出的經(jīng)水淬急冷而成的廢渣，最大粒徑 15mm，試驗(yàn)時(shí)篩取粒徑在 10mm 以下的爐渣，堆積密度 820kg/m3，出爐含水率 15%～20%，粉磨之后燒失量 15.0%。

管樁余漿：四川某管樁公司生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的余漿，含有水泥、細(xì)砂粉、外加劑和水，密度為 1600～1800kg/m3，含固量為 67%，0.08mm 篩余 5.4%。

粉煤灰：四川嘉陽(yáng)粉煤灰，產(chǎn)地樂(lè)山市犍為縣。細(xì)度：45μm 方孔篩篩余 22% ；需水量比 105% ；燒失量 3%。

外加劑：四川某外加劑公司生產(chǎn)奈系減水劑；固含量30%、砂漿減水率 21% ，與膠凝材料適應(yīng)性良好。

碎石：四川樂(lè)山市水口鎮(zhèn) 5～20mm 連續(xù)級(jí)配，緊密堆積密度 1550 kg/m3；表觀密度 2700kg/m3；空隙率 43%；壓碎值8%。

表1 水泥物理性能

機(jī)制砂：產(chǎn)地為四川樂(lè)山市水口鎮(zhèn)，緊密堆積密度1760kg/m3；表觀密度：2700kg/m3；空隙率 35% ；細(xì)度模數(shù)3.1。

河砂：產(chǎn)地為四川樂(lè)山市青衣江，緊密堆積密度為1620kg/m3，表觀密度 2650kg/m3；空隙率：39%；含泥量0.8% ，細(xì)度模數(shù) 1.8。

1.2 試驗(yàn)方法

輕質(zhì)混凝土成型時(shí)先將爐渣和砂子加入攪拌機(jī)中攪拌30s，再加入膠凝材料攪拌 60s，攪拌的同時(shí)加入水。將攪拌均勻的混凝土裝入 150mm×150mm×150mm 的試模中，在混凝土振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng) 15s 至表面出漿，抹平表面放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù) 24h 脫模。由于爐渣密度比較小，作為骨料時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制振動(dòng)時(shí)間，避免過(guò)振造成爐渣上浮。脫模之后本試驗(yàn)采用三種養(yǎng)護(hù)制度來(lái)養(yǎng)護(hù)輕質(zhì)混凝土：① 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)；② 脫模之后 80℃蒸汽養(yǎng)護(hù) 6h、10h；③ 80℃蒸養(yǎng) 6h 之后蒸壓養(yǎng)護(hù)（1.0MPa，180～200℃）12h。試塊養(yǎng)護(hù)到齡期后測(cè)輕質(zhì)混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果

2.1 爐渣輕質(zhì)混凝土的配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)用體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)試拌、調(diào)整和易性，使輕質(zhì)混凝土的坍落度在 (50±5)mm，試驗(yàn)前測(cè)得爐渣的含水率為 15%，余漿的含固量為 67%。試驗(yàn)配合比如表 2所示。

表2 爐渣輕質(zhì)混凝土配合比

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

混凝土的力學(xué)性能是混凝土的基礎(chǔ)。本文以水泥和粉煤灰為膠凝材料，爐渣做骨料配制輕質(zhì)混凝土為對(duì)比樣，通過(guò)試驗(yàn)和理論分析來(lái)研究利用管樁余漿和爐渣配制輕質(zhì)混凝土的可行性，同時(shí)研究了不同養(yǎng)護(hù)制度對(duì)余漿爐渣混凝土的影響。爐渣輕質(zhì)混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表 3 所示。

表3 爐渣輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度

2.2.1 膠凝材料用量對(duì)爐渣輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由于爐渣輕質(zhì)多孔，且抗壓強(qiáng)度低，用爐渣做骨料配制輕質(zhì)混凝土，爐渣成為影響輕質(zhì)混凝土強(qiáng)度發(fā)展的最關(guān)鍵因素。圖 1 給出了不同膠凝材料摻量下，不同養(yǎng)護(hù)條件下的輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖。

圖1 不同膠凝材料及不同養(yǎng)護(hù)制度對(duì)輕質(zhì)混凝土強(qiáng)度的影響圖

由圖 1 可知，配合比中水泥用量由 300kg/m3提高到350kg/m3之后，爐渣輕質(zhì)混凝土標(biāo)養(yǎng)條件下的抗壓強(qiáng)度提高了 12.5%。配合比 A3～A5 粉煤灰取代部分水泥配制爐渣輕質(zhì)混凝土，隨著取代量的增大，標(biāo)養(yǎng)條件下輕質(zhì)混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度有所下降，取代 30% 時(shí)強(qiáng)度下降 12.6%，這一趨勢(shì)跟普通混凝土相似。

同時(shí)由圖 1 可知，80℃ 蒸汽養(yǎng)護(hù) 6h 爐渣輕質(zhì)混凝土 28d抗壓強(qiáng)度相較于標(biāo)養(yǎng)條件略有增長(zhǎng)，80℃蒸汽養(yǎng)護(hù) 10h 時(shí)，爐渣輕質(zhì)混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰取代量的增加而增大，當(dāng)粉煤灰取代 30% 時(shí)，28d 強(qiáng)度增長(zhǎng) 21.1%。爐渣輕質(zhì)混凝土 80℃ 蒸養(yǎng) 6h 之后放入蒸壓釜中蒸壓養(yǎng)護(hù)（1.0MPa，180～200℃）12h，其抗壓強(qiáng)度相較于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)可增長(zhǎng) 25%左右，相較于蒸汽養(yǎng)護(hù) 10h 也有顯著增長(zhǎng)。其主要原因?yàn)闋t渣中含有部分潛在活性的 SiO2、Al2O3，水泥水化后產(chǎn)生C-S-H 凝膠和 Ca(OH)2，在蒸壓養(yǎng)護(hù)的高溫高壓環(huán)境下，爐渣中的硅酸鹽結(jié)構(gòu)和鋁酸鹽結(jié)構(gòu)被破壞，活性 SiO2、Al2O3溶出與Ca(OH)2反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物增加輕質(zhì)混凝土的密實(shí)度[6]。此時(shí)爐渣不僅作為輕質(zhì)骨料，還參與水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物填充了爐渣的空隙，增強(qiáng)膠凝材料和骨料之間的界面連接強(qiáng)度，宏觀表現(xiàn)為增加爐渣輕質(zhì)混凝土的抗壓強(qiáng)度。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)應(yīng)用SPSS21.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)量資料用（± s）表示，組間比較采用t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料用n（%）表示，組間比較采用χ2檢驗(yàn)，P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.2.2 表觀密度對(duì)余漿爐渣輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

B 系列采用體積法設(shè)計(jì)配合比，通過(guò)調(diào)整管樁余漿的用量來(lái)得到不同容重的輕質(zhì)混凝土，不同養(yǎng)護(hù)制度下不同容重的余漿爐渣輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度曲線見(jiàn)圖 2。

圖2 表觀密度對(duì)余漿爐渣輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響曲線圖

由抗壓曲線圖可以看出，表觀密度對(duì)輕質(zhì)混凝土的影響非常明顯，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下表觀密度由 1650kg/m3增加到1800kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度增加了 40%。通過(guò)觀察抗壓曲線圖的斜率可知，在其他養(yǎng)護(hù)條件下表觀密度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響也有相似的規(guī)律。爐渣輕質(zhì)多孔，管樁余漿含有水泥和細(xì)粉料，用余漿和爐渣配制輕質(zhì)混凝土?xí)r，余漿填充在爐渣的空隙結(jié)構(gòu)當(dāng)中，當(dāng)余漿用量少時(shí)，輕質(zhì)混凝土的抗壓強(qiáng)度主要由爐渣自身強(qiáng)度提供，同時(shí)由于余漿填充在爐渣的孔結(jié)構(gòu)和表面增強(qiáng)了爐渣的抗壓強(qiáng)度。余漿爐渣輕質(zhì)混凝土的表觀密度達(dá)到 1650kg/m3時(shí)，從輕質(zhì)混凝土試塊的破壞表面（見(jiàn)圖3）可以看到，余漿將爐渣全部包圍形成一個(gè)整體，只在試塊的中間部分有少量的大孔存在，此時(shí)余漿爐渣輕質(zhì)混凝土的抗壓強(qiáng)度由爐渣和水泥的水化產(chǎn)物提供。當(dāng)余漿爐渣輕質(zhì)混凝土的表觀密度達(dá)到 1800kg/m3時(shí)，余漿將爐渣充分包裹，爐渣的孔已經(jīng)全部被余漿填充，水泥水化產(chǎn)物將余漿中的細(xì)粉料和爐渣膠結(jié)在一起使結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，大大增加余漿爐渣輕質(zhì)混凝土的抗壓強(qiáng)度。

余漿含固量在 67%，主要由管樁離心過(guò)程中甩出來(lái)的水泥和砂粉組成，其主要化學(xué)成分為 SiO2、Al2O3、CaO 和Fe2O3等，爐渣也含有少量的活性 SiO2、Al2O3。在高溫、高壓和高濕度的蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，水泥發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生C-S-H 凝膠和 Ca(OH)2，Ca(OH)2在高溫下快速將砂粉和爐渣中的玻璃相結(jié)構(gòu)分解，使活性 SiO2、Al2O3溶出并參與反應(yīng)，生成 C-S-H 凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)填充在輕質(zhì)混凝土的空隙當(dāng)中，使輕質(zhì)混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，宏觀表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度增大，這一點(diǎn)可從圖 2 中明顯看出。

圖3 余漿爐渣輕質(zhì)混凝土試塊破壞圖片

2.2.3 余漿含固量和成分對(duì)余漿爐渣輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

管樁余漿由離心過(guò)程中甩出的水泥漿、砂粉、水和外加劑組成，余漿的含固量和成分隨原材料、配合比、離心工藝等的變化在一定范圍內(nèi)變化。配制余漿爐渣輕質(zhì)混凝土需要特定的配合比，當(dāng)余漿的含固量和成分發(fā)生變化時(shí)，可通過(guò)調(diào)整膠凝材料或者砂的含量來(lái)控制余漿爐渣輕質(zhì)混凝土的質(zhì)量。圖 3 給出了余漿含固量和成分變化對(duì)余漿爐渣輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度的變化圖。

圖4 余漿含固量和成分對(duì)余漿爐渣輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響圖

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)研究了不同膠凝材料用量、余漿用量、表觀密度、余漿的含固量和成分對(duì)余漿爐渣輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，由試驗(yàn)結(jié)果分析可得出如下結(jié)論：

（1）采用爐渣做輕骨料水泥做膠凝材料配制混凝土?xí)r，水泥用量 350 kg/m3時(shí)配制的爐渣輕質(zhì)混凝土，其抗壓強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下 28d 可達(dá)到 20.6MPa，完全滿足混凝土 C15的強(qiáng)度等級(jí)要求。用粉煤灰部分取代水泥配制爐渣輕質(zhì)混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28d 抗壓強(qiáng)度會(huì)有所下降。80℃蒸汽養(yǎng)護(hù)爐渣輕質(zhì)混凝土對(duì)其早期強(qiáng)度有較大提高，但 28d 強(qiáng)度會(huì)有所倒縮。蒸壓養(yǎng)護(hù)（200℃、1.0MPa）可明顯提高爐渣輕質(zhì)混凝土的抗壓強(qiáng)度。

（2）不摻加其他材料全部利用管樁余漿和燃煤爐渣配制輕質(zhì)混凝土是完全可行的，采用體積法控制輕質(zhì)混凝土的表觀密度在 1800kg/m3，試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28d 的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到18.9MPa。當(dāng)管樁余漿的含固量和成份發(fā)生變化時(shí)，可以通過(guò)添加水泥、粉煤灰、砂調(diào)整配合比來(lái)控制余漿爐渣輕質(zhì)混凝土的質(zhì)量。

管樁余漿為管樁生產(chǎn)過(guò)程中排放的廢液，燃煤爐渣為管樁蒸壓養(yǎng)護(hù)過(guò)程中燃煤鍋爐排放的固體廢渣，利用管樁余漿和燃煤爐渣配制輕質(zhì)混凝土，將管樁生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢液和廢渣 100% 利用，達(dá)到了節(jié)能減排、變廢為寶的目的，為我國(guó)的綠色發(fā)展之路添磚加瓦。

[1]黃紅建，賴兆瓊.管樁余漿的成分及其應(yīng)用的研究[J].廣東建材，2005(12): 103-105.

[2]余健文，李法堯.管樁費(fèi)漿利用的試驗(yàn)研究[J].廣東建材，2006(3): 10-12.

[3]張健營(yíng).蒸壓粉煤灰廢渣磚生產(chǎn)工藝研究[J].磚瓦、2011(10): 29-31.

[4]劉紅宇，尹維新，洪彩霞.粉煤灰和煤粉爐渣用于建筑砂漿的試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品，2008(2): 52-54.

[5]宋坤亮.全廢渣蒸壓粉煤灰磚的生產(chǎn)與工程應(yīng)用[J].粉煤灰綜合利用，2010(2): 41-42.

[6]陸金馳，李東斌.煤粉爐渣在蒸壓條件下反應(yīng)活性研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011(6): 122-124.