劉宏敏

(湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,武漢　430070)

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鋁渣骨材作為混凝土粗細(xì)骨材再利用的研究

劉宏敏

(湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,武漢430070)

鋁渣骨材; 安定化處理; 抗壓強(qiáng)度; 彈性模數(shù); 動態(tài)彈性模數(shù)

1　引　言

國內(nèi)回收的鋁渣，早期則盲目的固化掩埋作為最終處置，不但易造成二度污染，也會形成無處堆置的窘境。盲目的固化中間處理及獨(dú)立掩埋最終處置，也只能治標(biāo)不能治本。若能將鋁渣制作成粗細(xì)骨材，資源再生利用，不但能解決無處堆置窘境，亦不會造成資源的浪費(fèi)，也符合廢棄物處理或處置的環(huán)保目標(biāo)[1]。

2　試　驗

2.1鋁渣處理

本研究首先將鋁渣作無害化、減量化處理，達(dá)到生態(tài)、節(jié)能、減廢、健康等綠建筑評估指標(biāo)，其研究方法共分為四部份，第一部份為安定化處理，主要將鋁渣分解成安定的磷酸鋁，將氨氣回收；第二部份為研磨處理將安定化處理后的塊狀鋁渣研磨成粉末，主要容易和波索蘭材料混拌，并增加混合料和水接觸面積，加速水化速率，以提升鋁渣的機(jī)械強(qiáng)度[2]；第三部份滾動、造粒程序主要為稀釋、固化、螯合達(dá)到無害化及資源化，制作出大小不等粗細(xì)骨材；第四部份制作綠建材-鋁渣骨材混凝土及多功能再生混凝土并探討?zhàn)B護(hù)時間、水膠比、膠結(jié)料對強(qiáng)度的影響。

2.2試驗方法及儀器設(shè)備

2.2.1比重及吸水率

2.2.1.1粗骨材

本試驗主要在測定粗骨材表面含水率，作為工地、拌和廠的水泥混凝土配合比例的調(diào)整[3]。其步驟如下:

(1)將粗石、細(xì)石浸水24 h，清洗干凈后，將水倒出;

(2)取濕潤狀態(tài)的粗石、細(xì)石各1000 g稱為Wwet，用干布處理至SSD狀態(tài)，再稱重為Wssd,計算公式如下：

式中p=SSD表面含水率(%);Wssd=面干內(nèi)飽和骨材重(g)。

2.2.1.2細(xì)骨材

圖1　細(xì)骨材比重吸水率試驗流程圖Fig.1　Fine aggregate proportion of water absorption test flow chart

本試驗根據(jù)細(xì)粒料比重及吸水率的試驗(CNS487A3006)(ASTMC128)主要為測定細(xì)粒料的容積比重(松比重)、視比重及吸水率，作為調(diào)整配比的依據(jù)。試驗流程如圖1。

2.2.2骨材單位體積重試驗

試驗根據(jù)粒料單位質(zhì)量及空隙試驗法試驗[4]。主要目的為測定粗骨材及細(xì)骨材混合的最佳單位體積重，以作為混凝土配比設(shè)計中的骨材用量依據(jù)，試驗儀器主要為搗棒、量筒(小型)及勺子。將試樣分做三次放入及搗實，且每次搗實次數(shù)為25次，需注意每次搗實深度亦應(yīng)深入下一層，且使試樣與量筒平高，再將量器加試樣重紀(jì)錄的，即可進(jìn)行相關(guān)試驗計算，其計算公式如下。

其中：γG=位料單位重(kg/m3)；WG=量器內(nèi)粒料重(kg);V=量器體積(m3)。

2.3混凝土拌合

本研究混凝土拌合，首先將骨材處理至濕潤狀態(tài)，待表面含水達(dá)穩(wěn)定狀況時，在拌合前分別測得骨材的表面含水率，經(jīng)調(diào)整符合骨材實際含水狀態(tài)的配比，并計算及準(zhǔn)備各種材料拌合的用量，在混凝土拌合時為維持水膠比及達(dá)到預(yù)定的坍度(20 cm以上)及坍流度(60 cm以上)，以添加強(qiáng)塑劑與減少拌合水等量的方式來實施拌合作業(yè)，再由實際材料用量、含氣量及材料性質(zhì)等資料推算試拌后實際的混凝土配比。

2.4試驗材料

本研究所使用材料如下,某鋁業(yè)處理廠鋁渣、某電廠粉煤灰(F級)、某水淬爐石粉、水泥∶比重=3.15、鋁渣粗骨材、鋁渣細(xì)骨材、強(qiáng)塑劑，粗細(xì)骨材基本性質(zhì)如表1 所示。

表1　粗細(xì)骨材基本性質(zhì)

本研究混凝土配比計算是依黃氏混凝土致密配比的理論、混凝土條件及材料性質(zhì)，以(1)～(6)式分別計算污泥細(xì)骨材、粉煤灰、污泥粗骨材、水泥、水淬爐石粉及水等材料的單位用量。

(1)鋁渣細(xì)骨材的單位用量：

(2)粉煤灰的單位用量：

(3)鋁渣粗骨材的單位用量：

(4)水泥的單位用量：

(5)水淬爐石粉的單位用量：

(6)水的單位用量：

WW=λ×(wc+wsl)

2.5硬固混凝土的力學(xué)試驗方法

超音波速度法簡稱超音波法[5]，其原理為將超音波傳入待測物中，利用接受器測定脈波通過待測物內(nèi)的速度，來推估待測物的質(zhì)量及求動態(tài)參數(shù)值。本研究即采用直接法量測，經(jīng)由P波接頭與S波接頭可分別量測得壓力波與剪力波的波傳時間。

再利用ASTMD2845-83規(guī)范的計算公式，即可求得改良后的VP，VS，μd，Gd，Ed:

(1)動態(tài)彈性模數(shù)(kgf/cm2):

式中ρ=試體密度(g/cm3);VP=壓力波波速(m/s);VS=剪力波波速(m/s)。

(2)動態(tài)剪力模數(shù)(kgf/cm2):

式中ρ=試體密度(kg/m3)，VS=剪力波波速(m/s)。

(3)動態(tài)泊松比:

3　結(jié)果與討論

3.1處理前后鋁渣物理化學(xué)特性

本計劃內(nèi)容主要針對某地區(qū)鋁業(yè)處理廠的粉煤灰-鋁渣，經(jīng)磷酸安定化處理由X光繞射分析(XRD)了解鋁渣安定化處理前后各個相位的組成生成物，鋁渣處理前后的主要結(jié)晶形化合物為Al、Al2O3、Al4.8Co5.15、Ca2SiO4、Ca54MgAl2Si16O90，次要結(jié)晶形化合物為MgAl2O4、CaS 等。再由X光熒光分析(XRF)探討鋁渣處理后試樣中各元素含量，其中以C、O、Si、Al、Ca、K、Mg、Na、P、S等元素含量含量最高，配合XRD分析所得的各種化合物再以重量分析計算其化學(xué)成份計量，得知進(jìn)而推算鋁渣處理前后各元素的氧化態(tài)含量百分比[1]。

3.2處理后鋁渣造粒特性

本計劃內(nèi)容主要針對某地區(qū)鋁業(yè)處理廠的粉煤灰-鋁渣，經(jīng)磷酸安定化處理、將塊狀鋁渣研磨成粉末狀，再和水泥、水淬爐石粉、粉煤灰等波索蘭材料調(diào)配、混拌、滾動、造粒成粒徑大小不等球狀的人造粗、細(xì)骨材，經(jīng)養(yǎng)護(hù)28 d齡期后，再作為混凝土粗、細(xì)骨材使用。其主要目的提高人造骨材抗壓強(qiáng)度及工作度，降低骨材本身吸水率及磨損率，減少重金屬的溶出量，增加其穩(wěn)定性[1]。

本研究共制作10種造粒配比如表2所示，在所有配比中，則以C28-S28-ASFA44配比強(qiáng)度最佳，但就成本考量則以C6-S51-ASFA43成本最低，其強(qiáng)度佳、吸水率較低，本研究將以此作為造粒配比。

表2　鋁渣骨材骨材基本性質(zhì)

3.3養(yǎng)護(hù)時間的影響

圖2　養(yǎng)護(hù)時間與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖Fig.2　Curing time and compressive strength

就水泥混凝土材料而言，養(yǎng)護(hù)時間越長，水泥化作用越完全，材料強(qiáng)度則越高，根據(jù)劉子振[2]研究指出水泥混凝土強(qiáng)度與波索蘭材料添加量的多寡、水膠比的大小、養(yǎng)護(hù)方法、養(yǎng)護(hù)時間的長短、配比致密程度等而有所不同。

ASFAC024至ASFAC052等配比中其單軸抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)材齡增加而增加，試體其材齡7 d強(qiáng)度皆能達(dá)材齡28 d強(qiáng)度的86%以上如表3所示，顯示以鋁渣粗、細(xì)骨材取代天然粗細(xì)骨材有助于早期強(qiáng)度的發(fā)展，其中以ASFA024強(qiáng)度最高，最低則為ASFA052，如圖2所示。

表3　鋁渣骨材混凝土試體抗壓結(jié)果

就ASFAC024至ASFAC052等8個配比而言，其彈性模數(shù)隨著養(yǎng)護(hù)時間增加而增加，其中仍以ASFAC024彈性模數(shù)最大，最低則為ASFAC052，如圖3所示。

在同一水膠比狀況下，動態(tài)彈性模數(shù)隨著養(yǎng)護(hù)時間增加而增加，其中仍以ASFAC024彈性模數(shù)最大，最低則為ASFAC052，如圖4所示。

圖3　養(yǎng)護(hù)時間與彈性模數(shù)關(guān)系圖Fig.3　Curing time and modulus of elasticity

圖4　養(yǎng)護(hù)時間與動態(tài)彈性模數(shù)關(guān)系圖Fig.4　Curing time and dynamic modulus of elasticity

本研究中養(yǎng)護(hù)7～56 d動態(tài)彈性模數(shù)可達(dá)8.84～17.41 GPa，根據(jù)王社良[3]指出軟巖動態(tài)彈性模數(shù)界于0.66～1.20 ，完全視軟巖風(fēng)化破碎程度而定，本研究焚化灰骨材混凝土養(yǎng)護(hù)56 d后的動態(tài)彈性模數(shù)大約為軟巖的15倍左右。

證實鋁渣骨材混凝土抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時間增加而增加，變形量則逐漸下降，越來越接近脆性破壞模式。

3.4抗壓強(qiáng)度與彈性模數(shù)的關(guān)系

3.5抗壓強(qiáng)度與動態(tài)彈性模數(shù)的關(guān)系

動態(tài)彈性模數(shù)可運(yùn)用于承受動態(tài)荷重時的基礎(chǔ)設(shè)計，一般動態(tài)彈性模數(shù)均大于靜態(tài)彈性模數(shù)，在同一水膠比狀況下，養(yǎng)護(hù)時間越長動態(tài)彈性模數(shù)越大。

4　結(jié)　論

本文探討鋁渣骨材作為混凝土粗細(xì)骨材再利用的工程特性研究，嘗試以鋁渣粗、細(xì)骨材制作再生混凝土從微觀至巨觀作深入研究，并進(jìn)行一系列試驗的得到以下結(jié)論。

(1)本研究造粒部份以C28-S28-ASFA44配比強(qiáng)度最佳，本研究為成本考量采用C6-S51-ASFA43配比制作粗細(xì)骨材;

(2)鋁渣骨材混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模數(shù)隨養(yǎng)護(hù)時間增加而增加，其中以ASFAC024值最大，ASFAC052值最低;

(3)試體其材齡7 d強(qiáng)度皆能達(dá)材齡28 d強(qiáng)度的86%以上，其中以ASFAC024強(qiáng)度最高。

[1]李小卉.城市建筑垃圾分類及治理研究[J].環(huán)境衛(wèi)生工程,2011,(04)：31-33.

[2]劉子振.廢舊燒結(jié)磚再生混凝土性能試驗研究[J].混凝土,2011,(03):35-38.

[3]王社良.磚含量對再生骨料性能影響的試驗研究[J].混凝土,2011,(02):70-75.

[4]趙玉青.超細(xì)粉煤灰配制碎磚骨料混凝土試驗研究[J].混凝土,2011,(10):18-22.

Engineering Characteristics of Aluminium Dust Aggregate Used as Recycling Concrete Aggregate

LIU Hong-min

(Hubei Water Resources Technical College，Wuhan 430070,China)

This article probes into the engineering characteristics of aluminum slag artificial aggregate used as recycling concrete aggregate material. After stability treatment aluminum slag mixed with pozzolan material and water are translated into ball aggregate of different sizes through extrusion,injection molding,rubbing and granulation,then cured used as coarse and fine aggregate of concrete. Then concrete is made to discuss the relations among time of maintenance,compression strength,elasticity modulus. A series of tests are made to obtain the regression curves as

aluminum slag artificial aggregate;stability treatment;compression strength;elasticity modulus;dynamic elasticity modulus

劉宏敏(1974-),男,碩士,講師.主要從事土木建筑工程方面的研究.

TD985

A

1001-1625(2016)02-0655-05