張銀虎,周麗云,劉芳

(蘇州中材建設(shè)有限公司,江蘇 昆山 215300)

鋸泥是花崗巖石材加工過程中留存的大量粉狀固體廢棄物[1]。如果長時間大量堆積會對大氣、土壤及水體造成很大污染。鋸泥的主要化學(xué)成分有SiO2、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等[2]。其中二氧化硅為主,比例在60%以上,此化學(xué)組成適用于大部分的建筑材料,尤其是在混凝土、砂漿、自流平、玻璃等行業(yè)可大量使用[3]。粉煤灰和脫硫石膏是火力發(fā)電產(chǎn)生的固體廢棄物,將三者按一定比例進行混合,通過加入膠凝材料,基于物理及化學(xué)雙重密實理論,制備多主分的鋸泥混凝土。通過調(diào)整膠凝材料組成及比例關(guān)系獲得最佳鈣礬石生成量及生成速度,填充孔隙提高密實度,獲得性能優(yōu)良的鋸泥混凝土材料,其力學(xué)性能符合C30等級要求[4]。

1 實驗

采用花崗巖石材鋸泥,本文中其作為主要固體廢棄物消耗量,用量不低于60%。粉煤灰來自山東某火力發(fā)電廠,符合GB/T 1956—2005規(guī)定的Π級灰品質(zhì)指標(biāo)要求。所采用的脫硫石膏來自同一家火力發(fā)電廠,顆粒級別為0.150 mm(100目)篩篩余后的粉末,且經(jīng)過75 ℃烘干處理。三種主要原料的化學(xué)組成見表1～3。

表1 花崗巖鋸泥化學(xué)組成

表2 粉煤灰化學(xué)組成

表3 脫硫石膏化學(xué)組成

所使用的膠凝材料為中聯(lián)水泥有限公司所產(chǎn)的PO 42.5普通硅酸鹽水泥。為了調(diào)整凝結(jié)時間,加入了該水泥有限公司所產(chǎn)的R.SAC42.5硫鋁酸鹽水泥。兩種水泥的化學(xué)成分見表4,力學(xué)性能見表5。

表4 普通硅酸鹽水泥及硫鋁酸鹽水泥的化學(xué)成分

表5 普通硅酸鹽水泥及硫鋁酸鹽水泥的力學(xué)性能

實驗步驟:按照實驗配比稱取粉料,倒入攪拌機中,干拌1～3 min后加水,繼續(xù)攪拌3～5 min。將攪拌好的混合料制備成混凝土試塊,試驗采用兩種成型方法:第一種采用靜壓震動成型,混凝土表面壓強為(5±0.05) kPa,采用規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm的立方體鑄鋼三聯(lián)試模。套模預(yù)先清理干凈,均勻涂上脫模劑,裝入混凝土拌合物后,插搗、振動一直持續(xù)至荷重塊不再明顯下降。第二種采用靜壓成型方法,成型壓強為17 MPa,采用規(guī)格為200 mm×100 mm×50 mm的鋼模擠壓成型。試件成型后立即脫模,經(jīng)過一段時間的自然養(yǎng)護后移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下繼續(xù)養(yǎng)護,直到測試齡期論文采用的主要性能測試如下:

1.1 抗壓強度

所制得的混凝土試樣經(jīng)過養(yǎng)護后在萬能試驗機上進行力學(xué)測試。在測試過程中,試樣各邊長度公差不能超過±1 mm。試樣的抗壓強度計算公式按(1)進行計算。

(1)

其中:C—混凝土試件抗壓強度,MPa;

P—試樣破壞荷載壓力,N;

A—試件承壓面積,mm2。

論文根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn),將3個試樣測試的算術(shù)平均值作為該組試件的抗壓強度。如果3個測試值中的最大值或最小值與中間值超過15%,則取中間值作為該組試樣的抗壓強度值。如果最大值與最小值與中間值的差值均超過15%,則該試件測試結(jié)果作廢。

1.2 吸水率

將制備好的試樣放入溫度(105±5) ℃的干燥箱內(nèi)進出烘干。每干燥4 h稱量一次,直到兩次測量差小于0.1%時,得出試樣干燥狀態(tài)下的質(zhì)量(m0)。

將烘干后的試樣浸泡在(20±3) ℃的水中(24±0.5) h。取出試樣后去除其表面附著水,稱量浸水后試樣的質(zhì)量(m1)。吸水率的計算見式(2):

(2)

式中:W—試樣吸水率,%;

m0—試樣干燥質(zhì)量,g;

m1—試樣吸水24 h后的質(zhì)量,g。

實驗測試三次,求其平均值,即為該試樣的表觀吸水率。

1.3 表觀密度

干表觀密度按式(3)計算:

(3)

式中:ρ0—試件表觀密度,kg/m3;

m0—試樣干燥質(zhì)量,kg;

V——試件自然狀態(tài)體積,m3。

實驗結(jié)果采用三次試樣得出結(jié)論的算術(shù)平均值。

1.4 抗凍性

實驗前4 d將混凝土試件浸泡在(20±2) ℃的飽和石灰水中,4 d后進行凍融實驗。每次凍融循環(huán)按照要求要在24 h內(nèi)完成。凍融結(jié)束時試件的溫度控制在(-18±2) ℃和(5±2) ℃。每25次凍融循環(huán)后進行一次稱重?？箖鲂砸詢鋈谘h(huán)50次質(zhì)量損失率進行表征。實驗以3個試樣的算術(shù)平均值為測試結(jié)果。

2 鋸泥混凝土基礎(chǔ)配比研究

實驗選取的四個因素分別為粉煤灰、石膏、鋸泥+環(huán)保砂及水的摻量。粉煤灰的摻入量三個水平的設(shè)計量為200,250,300 kg/m3;脫硫石膏摻入量三個水平的設(shè)計量為10,15,20 kg/m3;鋸泥+環(huán)保砂摻入量三個水平的設(shè)計量為1 400,1 500,1 800 kg/m3;水摻入量三個水平的設(shè)計量為100,150,200 kg/m3。

論文設(shè)計了4因素3水平正交表進行實驗分析,如表6。

表6 實驗正交設(shè)計

實驗材料干拌1 min后,先用震動靜壓成型,然后加水繼續(xù)攪拌3 min。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,震動頻率2 860次/min,壓強為5 kPa,震動成型時間為3 min。成型后立即脫模,放入溫度為(20～1) ℃、濕度≥95%的標(biāo)準(zhǔn)保養(yǎng)箱內(nèi)進行養(yǎng)護,試驗期為28 d。

根據(jù)正交實驗方案,設(shè)計了9組試件,測試試件的抗壓強度與表觀密度,見表7。

表7 混凝土試件抗壓強度與表觀密度

表8為混凝土試件28 d抗壓強度及表觀密度極差分析。由表7與表8分析得出,各因素中對鋸泥混凝土材料力學(xué)性能影響最大的是石膏摻量,其次是粉煤灰的替代量,影響最小的是鋸泥含量。而對表觀密度影響最大的則是鋸泥含量,影響最小的是粉煤灰的替代量。同時,通過對比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),試樣的表觀密度與抗壓強度兩個參數(shù)之間沒有直接的關(guān)系,也即制備的固廢混凝土的抗壓強度并未出現(xiàn)隨表觀密度的增大而增加。根據(jù)極差分析優(yōu)化結(jié)果,確定鋸泥混凝土的基礎(chǔ)配比,石膏摻量水平為2,粉煤灰摻量水平為1,水灰比水平2,鋸泥摻量水平2。

表8 混凝土試件28 d抗壓強度及表觀密度極差分析

3 鋸泥擠壓混凝土性能優(yōu)化配比研究

根據(jù)上述基礎(chǔ)配比研究,調(diào)整各固體物料組成比例,對鋸泥混凝土的綜合性能進行優(yōu)化。此處采用擠壓成型(靜壓力為17 MPa)的形式,試塊的尺寸為500 mm×100 mm×200 mm。成型后進行混合養(yǎng)護,自然養(yǎng)護的溫度為(20±5) ℃,濕度為30%～40%;標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護在水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中完成。壓制成型的混凝土試塊見圖1。

圖1 壓制成型的混凝土試塊

通過上面的分析發(fā)現(xiàn)粉煤灰替代量和脫硫石膏摻量對混凝土試件的強度影響較大,因此,確定膠凝材料組分中粉煤灰替代量和石膏的最佳摻量成為必然。

圖2給出的是粉煤灰摻量對鋸泥混凝土試塊28 d抗壓強度影響規(guī)律。

圖2 粉煤灰摻量比對鋸泥混凝土28 d抗壓強度影響規(guī)律

由圖2可以看出,未摻入粉煤灰時,鋸泥混凝土28 d抗壓強度達45 MPa;粉煤灰摻量從10%增加至60%的過程中,鋸泥混凝土28 d強度呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢。當(dāng)摻量為10%時,混凝土強度高于未摻粉煤試樣,達46 MPa。當(dāng)粉煤灰摻量高于30%時,混凝土強度呈現(xiàn)大幅下降,而當(dāng)粉煤灰摻量為60%時,混凝土28 d的強度低于30 MPa,不滿足要求。

圖3給出的是脫硫石膏摻量對鋸泥混凝土試塊28 d抗壓強度影響規(guī)律。由圖可以看出,當(dāng)摻量比從0增至4%的過程,隨著摻量的增加,混凝土抗壓強度呈現(xiàn)增大趨勢。在摻量為4%的時候達到最大值,混凝土抗壓強度較未摻脫硫石膏混凝土強度增加約20%。當(dāng)摻量超過4%以上,混凝土試塊強度隨脫硫石膏摻入量的增加而降低;當(dāng)摻量達到8%時,鋸泥混凝土膨脹開裂,抗壓強度為0。由此可見,適量石膏對鈣礬石在膠凝系統(tǒng)中的生成有促進作用,對硬化的強度也有提高作用。但摻量過高,硬化體中生成的鈣礬石量過大,導(dǎo)致體積穩(wěn)定性變差,硬化體出現(xiàn)膨脹裂縫,強度降低。

圖3 脫硫石膏摻入比例對鋸泥混凝28d抗壓強度的影響規(guī)律

4 結(jié)論

以鋸泥、粉煤灰、脫硫石膏等固體廢棄物為主要集料,通過加入硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料,采用振動成型、擠壓成型兩種形式制備了不同配比的混凝土試塊。實驗得到了鋸泥混凝土基礎(chǔ)配比,并對配比進行了優(yōu)化,最終得到了符合C30標(biāo)準(zhǔn)的混凝土配比分別為:普通硅酸鹽水泥(425水泥)320～350 kg/m3,II級低鈣粉煤灰310～350 kg/m3,硫鋁酸鹽水泥10～50 kg/m3,脫硫石膏25～40 kg/m3,環(huán)保砂0～500 kg/m3,鋸泥1 150～1 300 kg/m3,水145～180 kg/m3。研究了攪拌時間、攪拌過程、加水方式等因素對混凝土拌合物均勻性及硬化體力學(xué)性能的影響,得到了最佳的制備工藝參數(shù)為干料預(yù)拌時間為3 min,采用淋水法效果最好。