王偉芳

(渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000)

火力發(fā)電會(huì)產(chǎn)生大量的工業(yè)固廢物,這些固廢物綜合利用率低,且加劇了環(huán)境問(wèn)題,因此,為綠色環(huán)?？茖W(xué)發(fā)展,利用工業(yè)固廢物生產(chǎn)混凝土成為科學(xué)研究的一個(gè)焦點(diǎn)。對(duì)此,許多學(xué)者進(jìn)行了研究。例如,姚志榮等利用固廢粉煤灰和雙氧水發(fā)泡劑,制備了一種泡沫混凝土,試驗(yàn)結(jié)果表明,該混凝土的抗壓強(qiáng)度性能良好[1]。為有效利用廢電池回收過(guò)程中產(chǎn)生的大宗工業(yè)固廢,楊陳等以鐵鋁渣、碳酸鈣渣等為原料制備了環(huán)保型的陶粒、陶粉,然后以此制備一種陶粒發(fā)泡混凝土。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)加入25%陶粒、5%陶粉、5%脫硫石膏、40%粉煤灰時(shí),該陶粒發(fā)泡混凝土的抗壓強(qiáng)度為5.1MPa[2]。除此之外,張延年等以鐵尾礦砂、粉煤灰以及礦渣粉取代混凝土中30%水泥,制備了一種多固廢混凝土,并研究其性能。試驗(yàn)結(jié)果表明,鐵尾礦砂可以增加混凝土強(qiáng)度、優(yōu)化材料結(jié)構(gòu),增強(qiáng)材料的滲透性能[3]。以上學(xué)者的研究都為固廢基混凝土的制備提供了參考,基于此,試驗(yàn)制備了一種以鐵鋼渣、脫硫石膏、粉煤灰、鐵尾礦等工業(yè)廢渣為固廢基的膠凝材料混凝土,并進(jìn)行單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)研究最佳配比,研究其力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料。P.O 42.5普通硅酸鹽水泥(工業(yè)純,無(wú)錫市江淮建材);固廢材料(涉縣清漳水泥,具體材料參數(shù)見(jiàn)表1和表2);粗骨料石英砂(工業(yè)純,長(zhǎng)興創(chuàng)新超細(xì)粉,0.3～0.6 mm);細(xì)骨料石英粉(工業(yè)純,佛山市歐勵(lì)特新材料,0.074 mm);聚丙烯纖維(化學(xué)分析純,北京融耐爾工程材料,PP纖維,直徑30 μm,長(zhǎng)度12 mm);PC-1009型聚羧酸減水劑(化學(xué)分析純,濟(jì)南福鑫精細(xì)化工);過(guò)氧化氫發(fā)泡劑(化學(xué)分析純,北京萬(wàn)佳標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研發(fā)中心);二氧化錳催化劑(化學(xué)分析純,濟(jì)南歐都新材料);羥丙基甲基纖維素醚穩(wěn)泡劑(化學(xué)分析純,廊坊潤(rùn)卓節(jié)能科技)。

表1 固廢材料成分組成Tab.1 Composition of solid waste materials %

表2 固廢材料基本性能Tab.2 Basic properties of solid waste materials

主要設(shè)備。WD-300型立式攪拌桶(濟(jì)寧威達(dá)機(jī)械有限公司);FA1004型電子天平(紹興萬(wàn)力儀器);JJ-1BA型攪拌器(華城潤(rùn)華實(shí)驗(yàn)儀器);DYJG-9023型烘箱(杭州億捷科技);JITAI-S10KN型電子多功能試驗(yàn)機(jī)(北京吉泰科儀檢測(cè)設(shè)備);CUBE-Ⅱ型掃描電子顯微鏡(上海皆淮儀器設(shè)備)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 混凝土試件制備流程

(1)用電子天平稱(chēng)取適量的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、固廢基膠凝材料、粗骨料、細(xì)骨料以及PP纖維,將這些材料依次放入攪拌桶中,設(shè)置攪拌時(shí)間為5 min,充分混合均勻。

(2)將減水劑和水加入攪拌桶中,繼續(xù)攪拌5 min,然后依次加入發(fā)泡劑、催化劑和穩(wěn)泡劑,攪拌2 min獲得泡沫混凝土砂漿。

(3)將制備的泡沫混凝土砂漿倒入準(zhǔn)備好的模具中,并用抹灰刀抹平試件表面多余的漿料,然后放置在養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境中48 h。

(4)脫模,然后將泡沫混凝土試件繼續(xù)放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d。

1.2.2 試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)

為優(yōu)化混凝土工藝參數(shù),試驗(yàn)針對(duì)水膠比、固廢摻量、集料摻量、PP纖維摻量以及減水劑摻量這5個(gè)因素設(shè)計(jì)了單因素優(yōu)化分析試驗(yàn),并為后續(xù)正交試驗(yàn)奠定基礎(chǔ),具體配合比設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表3[4-5]。

表3 單因素試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)Tab.3 Single factor test mix design

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

通過(guò)試驗(yàn)機(jī)對(duì)泡沫混凝土試件進(jìn)行抗壓測(cè)試,試件的抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式如下:

f=F/A

(1)

式中:f為抗壓強(qiáng)度,單位MPa;F為破壞荷載,單位N;A為試件受壓面積,單位mm2。

1.3.2 抗折強(qiáng)度測(cè)試

通過(guò)試驗(yàn)機(jī)對(duì)泡沫混凝土試件進(jìn)行抗折測(cè)試,試件的抗折強(qiáng)度計(jì)算公式如下:

(2)

式中:ff為抗折強(qiáng)度,單位MPa;F為破壞荷載,單位N;l為支架跨度,單位mm;b為試件截面寬度,單位mm;h為試件截面高度,單位mm。

1.3.3 微觀分析

通過(guò)掃描電鏡對(duì)試件進(jìn)行SEM分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 水膠比

由圖1(a)可知,對(duì)于不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的混凝土試件,當(dāng)材料中水膠比從0.4增加到0.5時(shí),抗壓強(qiáng)度不斷上升。當(dāng)水膠比為0.4時(shí),養(yǎng)護(hù)28 d試件的抗壓強(qiáng)度為15.21 MPa,而養(yǎng)護(hù)3、7 d的試件的抗壓強(qiáng)度能達(dá)到28 d時(shí)的60.82%、75.08%;當(dāng)水膠比為0.45時(shí),養(yǎng)護(hù)28 d試件的抗壓強(qiáng)度為16.53 MPa,而養(yǎng)護(hù)3、7 d的試件抗壓強(qiáng)度能達(dá)到28 d時(shí)的64.25%、80.10%;當(dāng)水膠比為0.5時(shí),養(yǎng)護(hù)28 d試件的抗壓強(qiáng)度為18.84 MPa,而養(yǎng)護(hù)3、7 d的試件的抗壓強(qiáng)度能達(dá)到28 d時(shí)的65.97%、80.73%。因此,當(dāng)水膠比范圍在0.4～0.5時(shí),試件養(yǎng)護(hù)3 d的抗壓強(qiáng)度能達(dá)到28 d時(shí)的60.82%～65.97%,試件養(yǎng)護(hù)7 d的抗壓強(qiáng)度能達(dá)到28 d時(shí)的75.08%～80.73%,這表明了適當(dāng)?shù)脑黾铀z比可以提高材料抗壓強(qiáng)度。由圖1(b)可知,在一定程度上,養(yǎng)護(hù)28 d試件的抗折強(qiáng)度與水膠比呈正相關(guān)。當(dāng)材料中水膠比從0.4增加到0.45時(shí),試件抗折強(qiáng)度也從1.73 MPa上升到2.24 MPa,增幅為29.48%;而當(dāng)水膠比為0.5時(shí),試件抗折強(qiáng)度為2.63 MPa,對(duì)比水膠比0.45時(shí)增幅為17.41%。發(fā)生這些現(xiàn)象的原理是,當(dāng)水膠比增大時(shí),增加了水泥砂漿的流動(dòng)性能,促進(jìn)水化反應(yīng)的發(fā)生,同時(shí),水泥漿料中水含量增加,使得發(fā)泡劑反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣膨脹效果增加,使混凝土內(nèi)部氣泡均勻分布,從而提高試件強(qiáng)度性能[6-7]。

圖1 不同水膠比試件的強(qiáng)度Fig.1 Strength of test pieces with different water-binder ratios

2.1.2 固廢摻量

試驗(yàn)采用的固廢基凝膠材料主要由礦渣、鋼渣、脫硫石膏、粉煤灰等工業(yè)固體廢料組成,關(guān)于固廢摻量的單因素測(cè)試結(jié)果如圖2。由圖2(a)可知,當(dāng)材料中的固廢材料摻量增加時(shí),養(yǎng)護(hù)3 d的試件抗壓強(qiáng)度一直下降,而對(duì)于養(yǎng)護(hù)7 d和養(yǎng)護(hù)28 d的試件,抗壓強(qiáng)度則出現(xiàn)先上升后下降的現(xiàn)象;當(dāng)固廢材料摻量為40%時(shí),養(yǎng)護(hù)7 d和養(yǎng)護(hù)28 d的試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大臨界值,分別為14.23 MPa和17.25 MPa;當(dāng)材料中的固廢材料摻量過(guò)高時(shí),不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間試件的抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)較大幅度下降的趨勢(shì)。由圖2(b)可知,當(dāng)試件中的固廢摻量從30%增至50%時(shí),抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的變化;當(dāng)摻量為40%時(shí),抗折強(qiáng)度到達(dá)峰值,為2.85 MPa;而當(dāng)摻量為50%時(shí),抗折強(qiáng)度下降至1.82 MPa,降幅為36.14%。綜合分析可知,在混凝土中摻入固廢材料,會(huì)降低材料早期的抗壓強(qiáng)度,但適量的固廢材料摻量,可以同時(shí)增加混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度。

圖2 不同固廢摻量試件的強(qiáng)度Fig.2 Strength of specimens with different solid waste content

發(fā)生以上這些現(xiàn)象的主要原因是,固廢材料中含有的粉煤灰等物質(zhì)可以增加混凝土的微集料效果,能產(chǎn)生致密勢(shì)能從而減少材料中有害孔隙、裂紋的產(chǎn)生,增加材料致密性;同時(shí),固廢材料可以增強(qiáng)混凝土材料的活性,促進(jìn)水化反應(yīng)的發(fā)生,所以,早期混凝土材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)較疏松,但在中后期,材料中的C-S-H膠凝材料會(huì)與氫氧化鈣等物質(zhì)會(huì)逐漸沉淀,形成一種“雙膜層”結(jié)構(gòu),從而增加水泥砂漿基體間的膠黏性;除此之外,在混凝土中加入粉煤灰、脫硫石膏等固廢材料,其中的玻璃微珠滾軸效果能增強(qiáng)水泥砂漿的流動(dòng)性,在材料中產(chǎn)生減水勢(shì)能,因此,適量的固廢材料摻量,可以同時(shí)增加材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度[8-9]。

2.1.3 集料摻量

圖3為混凝土中石英砂、石英粉等不同集料摻量對(duì)試件抗壓、抗折強(qiáng)度的影響。

圖3 不同集料摻量試件的強(qiáng)度Fig.3 Strength of specimens with different aggregate content

由圖3可知,當(dāng)試件中集料摻量從60%增加到80%時(shí),對(duì)于不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的試件,各強(qiáng)度均呈現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象。當(dāng)集料摻量為60%時(shí),養(yǎng)護(hù)28 d的試件抗壓強(qiáng)度為15.34 MPa,而養(yǎng)護(hù)3、7 d試件的抗壓強(qiáng)度分別為10.23、11.72 MPa,分別能達(dá)到28 d時(shí)的66.69%、76.40%;當(dāng)集料摻量為70%時(shí),各強(qiáng)度均到達(dá)峰值,此時(shí),養(yǎng)護(hù)28 d的試件抗壓強(qiáng)度為18.46 MPa,而養(yǎng)護(hù)3、7 d試件的抗壓強(qiáng)度分別為12.45、14.42 MPa,分別能達(dá)到28 d時(shí)的67.44%、78.11%;然而,當(dāng)集料摻量為80%時(shí),養(yǎng)護(hù)28 d的試件抗壓強(qiáng)度為16.74 MPa,而養(yǎng)護(hù)3、7 d試件的抗壓強(qiáng)度分別為11.23、12.932 MPa,分別能達(dá)到28 d時(shí)的67.08%、77.24%。發(fā)生以上現(xiàn)象的原理是,集料中的石英粉可以在混凝土固泡過(guò)程中起到填補(bǔ)和包裹孔隙、裂紋的作用,從而增強(qiáng)材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,同時(shí),集料中的石英砂可以提高水泥砂漿的流動(dòng)性能,從而減少混凝土制備過(guò)程中內(nèi)部氣泡、裂紋等產(chǎn)生,而且石英砂粒徑較大、需水量小,且具有較小比表面積,因此,適量石英砂等集料摻量可提高材料抗壓強(qiáng)度,但集料摻量過(guò)高會(huì)在一定程度上抑制混凝土材料的水化反應(yīng),導(dǎo)致水化反應(yīng)進(jìn)行不完全,材料強(qiáng)度降低。因此,隨著混凝土中集料摻量增加,各強(qiáng)度均出現(xiàn)先增后減現(xiàn)象[10]。

2.1.4 聚丙烯纖維摻量

由圖4(a)可知,對(duì)于不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的試件,當(dāng)試件中PP纖維摻量從0.1%增加至0.3%時(shí),抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)下降的情況。當(dāng)試件中含有0.1%PP纖維時(shí),養(yǎng)護(hù)3、7以及28 d試件的抗壓強(qiáng)度分別為12.08、14.52、18.21 MPa;當(dāng)試件中含有0.2%PP纖維時(shí),養(yǎng)護(hù)3、7、28 d試件抗壓強(qiáng)度分別為11.78、14.03、17.54 MPa,下降幅度分別為2.48%、3.37%、3.68%;當(dāng)試件中含有0.3%PP纖維時(shí),養(yǎng)護(hù)3、7、28 d的試件抗壓強(qiáng)度分別為11.42、13.64、17.15 MPa,對(duì)比0.1% PP纖維摻量時(shí)下降幅度分別為5.46%、6.06%和5.82%。發(fā)生這些現(xiàn)象的原因是,PP纖維具備表面粗糙多孔的特點(diǎn),在混凝土材料中摻入適量PP纖維,可以增強(qiáng)水泥砂漿與膠凝材料的粘結(jié)效果,同時(shí),PP纖維均勻分散到混凝土材料中,可以形成多面立體的材料結(jié)構(gòu),從而增強(qiáng)材料的抗壓強(qiáng)度。然而,當(dāng)PP纖維摻量過(guò)多時(shí),會(huì)在混凝土中出現(xiàn)分布不均的現(xiàn)象,并出現(xiàn)團(tuán)聚效果,從而破壞材料結(jié)構(gòu),因此,材料抗壓強(qiáng)度下降[11]。

圖4 不同PP纖維摻量試件的強(qiáng)度Fig.4 Strength of specimens with different PP fiber content

由圖4(b)可知,對(duì)于養(yǎng)護(hù)28 d的試件,當(dāng)PP纖維摻量逐漸增加,其抗折強(qiáng)度也在不斷增大。當(dāng)試件中摻入0.1%PP纖維時(shí),其抗折強(qiáng)度為2.12 MPa;當(dāng)試件中PP纖維摻量增加到0.2%、0.3%時(shí),其抗折強(qiáng)度分別為2.19、2.34 MPa,對(duì)比0.1%PP纖維摻量時(shí),增加幅度分別為3.30%、10.37%。發(fā)生這種變化的原理是,當(dāng)PP纖維均勻分布到材料中時(shí),可以形成多相體系,其中纖維材料和泡沫混凝土材料互相作用,性能互補(bǔ),即PP纖維能夠在應(yīng)力作用時(shí)起到承載應(yīng)力的效果,避免應(yīng)力集中,同時(shí)約束、牽制材料中孔隙的產(chǎn)生以及裂紋擴(kuò)展。因此,在材料中摻入PP纖維可以增加抗折強(qiáng)度[12]。

2.1.5 減水劑摻量

由圖5可知,當(dāng)材料中減水劑摻量從0.2%增加到0.8%時(shí),試件各強(qiáng)度曲線(xiàn)均出現(xiàn)上升現(xiàn)象。

圖5 不同減水劑摻量試件的強(qiáng)度Fig.5 Strength of specimens with different water reducing agent content

由圖5(a)可知,對(duì)于養(yǎng)護(hù)3、7、28 d試件,當(dāng)減水劑摻量為0.2%時(shí),各試件抗壓強(qiáng)度分別為11.05、12.53、16.45 MPa;當(dāng)減水劑摻量為0.8%時(shí),各試件抗壓強(qiáng)度分別為12.32、13.86、17.63 MPa,提升幅度分別為11.49%、10.61%和7.17%。由圖5(b)可知,當(dāng)減水劑摻量為0.2%時(shí),試件抗折強(qiáng)度為2.14 MPa;當(dāng)摻量增加到0.8%時(shí),試件抗折強(qiáng)度提升至2.32 MPa,增幅為8.41%。發(fā)生以上現(xiàn)象的原理是,試驗(yàn)采用的聚羧酸減水劑可以在水泥砂漿中階枝共聚,進(jìn)而形成高分子聚合物,能夠抑制材料中的絮凝結(jié)構(gòu)形成,增強(qiáng)水泥砂漿的流動(dòng)性,并促進(jìn)混凝土水化反應(yīng),因此,增加材料中的減水劑摻量,可以提高泡沫混凝土強(qiáng)度[13]。

2.2 正交試驗(yàn)分析

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,試驗(yàn)選擇了合適的配比參數(shù)范圍,設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn),具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 正交試驗(yàn)因素、水平Tab.4 Orthogonal test factors and levels

在正交試驗(yàn)中試件養(yǎng)護(hù)時(shí)間均為28 d,其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度正交試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表5、表6。

表5 抗壓強(qiáng)度極差分析Tab.5 Analysis of compressive strength range

表6 抗折強(qiáng)度極差分析Tab.6 Analysis of compressive strength range

分析表5、表6可知,各因素對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響程度大小依次為:水膠比>固廢摻量>集料摻量>PP纖維摻量>減水劑摻量,優(yōu)化配比為A4B3C3D2E4,而各因素對(duì)試件抗折強(qiáng)度影響程度依次為:水膠比>固廢摻量>PP纖維摻量>集料摻量>減水劑摻量,優(yōu)化配比為A4B3C3D4E4。綜合來(lái)看,水膠比和固廢摻量對(duì)試件強(qiáng)度影響較大,其次是集料摻量與PP纖維摻量,影響最小的是減水劑摻量,因此,確定本試驗(yàn)最優(yōu)配比,分別是:0.5水膠比,40%固廢材料,70%集料,0.1%PP纖維,0.8%減水劑[14]。

2.3 SEM分析

根據(jù)1.3.3中的測(cè)試方法,對(duì)最優(yōu)配比方案養(yǎng)護(hù)28 d的試件進(jìn)行SEM分析,結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可知,材料表面結(jié)構(gòu)緊密,其中,層片狀的物質(zhì)為氫氧化鈣,簇狀物質(zhì)為水化硅酸鈣凝膠材料,還有一些二氧化硅小顆粒將混凝土中水化反應(yīng)的孔隙、裂縫填充包裹,同時(shí),這些物質(zhì)相互緊密結(jié)合在一起,形成一種立體的致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而增強(qiáng)材料的力學(xué)性能[15]。由此可見(jiàn),試驗(yàn)制備的固廢基膠凝材料混凝土材料結(jié)構(gòu)緊密,力學(xué)性能較好。

圖6 最優(yōu)配比試件SEM分析Fig.6 SEM analysis of the optimum proportioning specimen

3 結(jié)論

試驗(yàn)制備了一種固廢基膠凝材料混凝土,并通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)對(duì)材料配比進(jìn)行優(yōu)化,具體結(jié)論如下。

1)水膠比0.4～0.5范圍內(nèi),材料抗壓、抗折強(qiáng)度與水膠比呈正相關(guān)關(guān)系。

2)適量的固廢材料摻入混凝土,可以同時(shí)增加材料的抗壓、抗折強(qiáng)度。

3)集料摻量60%～80%范圍內(nèi),抗壓、抗折強(qiáng)度曲線(xiàn)均先增后減。

4)聚丙烯纖維摻量在0.1%～0.3%范圍內(nèi),抗壓強(qiáng)度隨摻量增加而下降,抗折強(qiáng)度隨摻量增加而增加。

5)減水劑在0.2%～0.8%范圍內(nèi),泡沫混凝土的強(qiáng)度與減水劑摻量呈正相關(guān)。

綜上,最優(yōu)配比方案為:0.5水膠比,40%固廢材料,70%集料,0.1%PP纖維,0.8%減水劑。