陳 磊,張金團(tuán)*,黃東陽(yáng),羅元銘,趙 虎

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.賀州學(xué)院建筑與電氣工程學(xué)院,廣西 賀州 542800;3.北京住總第二開發(fā)建設(shè)有限公司,北京 100080)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷加快,公路、橋梁、房屋等建筑項(xiàng)目不斷增多,混凝土的需求量激增,生產(chǎn)效率高、質(zhì)量高、快捷方便的商用混凝土攪拌站(廠)應(yīng)運(yùn)而生。2021年末,我國(guó)年生產(chǎn)混凝土33萬(wàn)m3[1]。如果遇到生產(chǎn)或運(yùn)輸問題導(dǎo)致混凝土不符合施工規(guī)范,商用混凝土?xí)龇祻S處理,返廠的混凝土在進(jìn)入回收處理系統(tǒng)進(jìn)行再生利用的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量混凝土廢漿(concrete waste slurry powder,CWSP),廢漿呈現(xiàn)強(qiáng)堿性[2-3]。由于攪拌站缺乏配套處理技術(shù),導(dǎo)致廢漿無(wú)法妥善處理,如果將其利用起來(lái),既可以增加效益,又可以減少對(duì)環(huán)境的污染,保護(hù)環(huán)境。

許多學(xué)者對(duì)混凝土廢漿的利用進(jìn)行了研究。張?jiān)扑嘯4]將混凝土廢漿粉加入混凝土中,發(fā)現(xiàn)廢漿粉短期內(nèi)會(huì)提高混凝土抗壓強(qiáng)度。胡立志[5]以攪拌站廢渣為主,設(shè)計(jì)開發(fā)了適用于混凝土的復(fù)合摻料,提升混凝土的體積穩(wěn)定性。但波等[6]用攪拌站混凝土污水沉淀物代替部分粉煤灰加入混凝土中,發(fā)現(xiàn)沉淀物可以起到良好的填充作用。陳軍亮等[7]研究了不同濃度的廢泥漿水對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)隨泥漿濃度增長(zhǎng),混凝土抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)。還有部分學(xué)者[8-11]研究了攪拌站廢水、廢漿、細(xì)骨料等對(duì)混凝土耐久性能的影響,發(fā)現(xiàn)廢水、廢漿可以提升混凝土的耐久性能。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,研究混凝土廢漿粉摻量對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間以及水泥水化性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

1)水泥:采用富川華潤(rùn)P.O42.5R普通硅酸鹽水泥,主要性能指標(biāo)見表1,主要成分見表2。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

表2 水泥主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位:%

2)砂:采用廣西賀州廣廈石場(chǎng)生產(chǎn)的機(jī)制砂。

3)水:為試驗(yàn)室用自來(lái)水。

4)CSWP:混凝土廢漿塊取自廣西賀州廣廈環(huán)?？萍加邢薰尽{塊在烘箱中用105 ℃烘干至恒重,然后通過(guò)研磨機(jī)研磨,最后通過(guò)篩網(wǎng)篩分得到試驗(yàn)樣品,樣品主要成分見表3。

表3 混凝土廢漿粉主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位:%

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)設(shè)置了5組不同摻量的CSWP,按水泥質(zhì)量的0～20%直接加入水泥中制作水泥砂漿,其中摻量為0的為對(duì)照組。

1.3 試驗(yàn)步驟

首先按照表4制備砂漿,將攪拌后的砂漿分別倒入標(biāo)準(zhǔn)試模中,振動(dòng)密實(shí)。24 h后拆模,在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)1 d、3 d、7 d、28 d。按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn):JGJ/T 70—2009》中規(guī)定的方法測(cè)試砂漿抗壓強(qiáng)度與凝結(jié)時(shí)間。選取指定齡期與摻量的試塊樣品,用無(wú)水乙醇終止試樣水化,進(jìn)行微觀試驗(yàn)。用瑪瑙研磨后過(guò)0.08 mm篩網(wǎng),使用日本理學(xué)株式會(huì)社的Rigaku Ultima X射線衍射儀測(cè)試水化產(chǎn)物X射線衍射圖譜,對(duì)水泥的水化產(chǎn)物進(jìn)行物相分析,掃描方式為2θ,掃描范圍為10°～60°;使用德國(guó)耐馳公司的STA449-F5型同步熱分析儀測(cè)試水化產(chǎn)物TG-DSC曲線,測(cè)試范圍為30～1 000 ℃,升溫速率為10 ℃·min-1;使用日本電子株式會(huì)社的JSM-7610F型掃描電子顯微鏡,觀察微觀形貌。

表4 水泥砂漿配合比 單位:g

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

CSWP摻量對(duì)各齡期水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響如圖1所示。由圖1可以看出,水泥砂漿1 d、3 d齡期的抗壓強(qiáng)度隨CSWP摻量增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。當(dāng)摻量為0時(shí),砂漿1 d、3 d齡期抗壓強(qiáng)度為11.15 MPa、11.81 MPa;摻量為20%時(shí),砂漿1 d、3 d齡期抗壓強(qiáng)度為8.87 MPa、9.21 MPa;CSWP摻量每增加5%,砂漿1 d、3 d抗壓強(qiáng)度平均降低5.1%、5.5%。隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加,砂漿7 d、28 d齡期抗壓強(qiáng)度隨CSWP增加大致呈先增加后減小趨勢(shì),且都在摻量為5%時(shí)達(dá)到最大,與對(duì)照組相比分別提升了10%、2%。養(yǎng)護(hù)齡期為7 d且CSWP摻量在5%～20%時(shí),砂漿抗壓強(qiáng)度均高于對(duì)照組,由此可見,CSWP的摻入可以增加水泥砂漿的前期強(qiáng)度。

圖1 CSWP摻量對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 凝結(jié)時(shí)間

CSWP摻量對(duì)砂漿凝結(jié)時(shí)間的影響如圖2所示。由圖2可以看出,與對(duì)照組相比,CSWP的加入降低了砂漿的凝結(jié)時(shí)間,且摻量越大,降低越明顯。當(dāng)CSWP摻量為20%時(shí),試樣的凝結(jié)時(shí)間最短,為329 min。這表明CSWP具有一定的促凝效果,它的加入提高了水泥水化反應(yīng)速率,加快了C-S-H(水化硅酸鈣)的生成,降低了砂漿的凝結(jié)時(shí)間。

圖2 CSWP摻量對(duì)砂漿凝結(jié)時(shí)間的影響

2.3 XRD試驗(yàn)

圖3給出了CSWP摻量為0和5%的砂漿試塊養(yǎng)護(hù)7 d、28 d水化產(chǎn)物的XRD圖譜。通過(guò)Jade6軟件進(jìn)行物相分析并對(duì)比各水化樣特征峰可知,摻入CSWP后,水化產(chǎn)物中并沒有新物質(zhì)生成,仍以Ca(OH)2(簡(jiǎn)稱CH)、CaCO3以及未完全水化的Ca3SiO5(簡(jiǎn)稱C3S)等物質(zhì)為主。由圖3(a)可以看出,摻入CSWP 7 d后,水化產(chǎn)物中CH衍射峰增強(qiáng),C3S衍射峰減弱,這主要是因?yàn)镃SWP的加入使體系中未完全水化的C3S水化生成C-S-H凝膠以及CH,提高了CH的生成速率,與此同時(shí),生成的C-S-H凝膠使砂漿更加密實(shí),提高了砂漿前期強(qiáng)度。但通過(guò)峰強(qiáng)度對(duì)比來(lái)看,CSWP對(duì)水泥水化速率的促進(jìn)較為緩慢。由圖3(b)可知,水化28 d后,5%試樣的CH衍射峰強(qiáng)度與對(duì)照組試樣相當(dāng),這是因?yàn)殡S著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加,雖然CSWP可以促進(jìn)水泥水化,生成更多的CH晶體,但CSWP中所含的SiO2等活性物質(zhì)發(fā)生火山灰效應(yīng)[12],消耗了CH,二者共同作用,使5%試樣與對(duì)照組試樣在XRD圖譜中表現(xiàn)出相近的CH衍射強(qiáng)度。

(a)7 d

(b)28 d

2.4 TG-DSC分析

CSWP摻量為0和5%的砂漿試塊養(yǎng)護(hù)7 d、28 d水化產(chǎn)物的TG-DSC曲線如圖4所示。TG-DSC試驗(yàn)可以進(jìn)一步確定水泥漿體水化產(chǎn)物及其相對(duì)含量。從圖4可以看出,水化產(chǎn)物的吸熱峰有3個(gè),分別是100～200 ℃的結(jié)合水吸熱峰、450～500 ℃的CH吸熱峰和650～850 ℃的CaCO3吸熱峰。水化產(chǎn)物鈣礬石(AFt)以及C-S-H凝膠中含有部分結(jié)合水,與其他產(chǎn)物的失水峰相互重合,難以分清,無(wú)法作為定量依據(jù)。CH作為水泥主要水化產(chǎn)物之一,含量的高低可以代表水泥水化的快慢程度。圖中CH吸熱峰明顯,可以通過(guò)CH的含量來(lái)表明水化速度。

(a)7 d

(b)28 d

試驗(yàn)曲線失重段主要有兩個(gè),一個(gè)是CH在450 ℃分解失重,一個(gè)是CaCO3在780 ℃分解失重,主要反應(yīng)式分別為:

張廷雷[13]研究發(fā)現(xiàn),CH的含量可以用質(zhì)量損失率以及方程式中各種物質(zhì)的摩爾質(zhì)量計(jì)算得出,其公式為:

式中,WCa(OH)2為Ca(OH)2的相對(duì)含量;MCa(OH)2和MH2O為對(duì)應(yīng)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量,w1為450 ℃時(shí)剩余物質(zhì)百分比,w2為500 ℃時(shí)剩余物質(zhì)百分比,具體如表5所示。

表5 各試樣對(duì)應(yīng)的w1和w2值 單位:%

根據(jù)TG-DSC試驗(yàn)曲線,摻加CSWP的水泥漿體中的CH含量如圖5所示。由圖5可以看出,水化7 d時(shí),CSWP摻量為5%試樣的CH含量較對(duì)照組提升了10%。引起CH含量上升的原因是CSWP的加入促進(jìn)了水泥水化速率,加快了CH的生成,這與XRD試驗(yàn)結(jié)果相符。水化28 d后CSWP摻量5%試件的CH含量相比于對(duì)照組變化不大,這是因?yàn)镃SWP的加入雖然促進(jìn)了CH的生成,但隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加,CSWP中的SiO2、Al2O3等物質(zhì)發(fā)生火山灰效應(yīng),消耗了CH,當(dāng)生成量與消耗量相當(dāng)時(shí),就表現(xiàn)出了CH含量相近的現(xiàn)象。此時(shí),5%試樣中C-S-H凝膠生成量也較多,故強(qiáng)度略高于對(duì)照組。

圖5 水泥漿體中Ca(OH)2含量的變化情況

2.5 SEM試驗(yàn)

圖6給出了CSWP摻量為0和5%的試樣養(yǎng)護(hù)7 d、28 d水化產(chǎn)物的SEM照片。如圖6(a)所示,CSWP摻量為0的試樣水化產(chǎn)物中已經(jīng)可以看到團(tuán)絮狀的C-S-H凝膠以及棒針狀的鈣礬石,盡管水化產(chǎn)物之間已有部分鏈接,但孔隙較多,沒有形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。從圖6(b)可以看出,CSWP的加入使砂漿體系中團(tuán)簇狀水化產(chǎn)物較對(duì)照組增多,且孔隙明顯減少。這表明CSWP的加入,加速了水化產(chǎn)物之間的鏈接,提高了砂漿強(qiáng)度,這與砂漿前期強(qiáng)度變化情況一致。從圖7(c)和圖7(d)可以看出,隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加,與7 d齡期相比,28 d齡期水化產(chǎn)物之間鏈接更為密切,形成整體。這主要是因?yàn)殡S著齡期增加,水化產(chǎn)物增加,砂漿體系變得更加密實(shí)。

(a)摻量為0,7 d

(b)摻量為5%,7 d

(c)摻量為0,28 d

(d)摻量為5%,28 d

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)控制混凝土廢漿粉摻量來(lái)研究其對(duì)砂漿力學(xué)性能、凝結(jié)時(shí)間等的影響,并通過(guò)X射線衍射、TG-DSC試驗(yàn)、掃描電鏡對(duì)砂漿水化產(chǎn)物進(jìn)行微觀分析,得出如下結(jié)論:1)CSWP摻入后,會(huì)縮短砂漿的凝結(jié)時(shí)間。當(dāng)摻量為5%～20%時(shí),有利于砂漿7 d齡期抗壓強(qiáng)度;摻量為5%時(shí),可以提高砂漿28 d齡期抗壓強(qiáng)度;各摻量均對(duì)砂漿早期(1 d、3 d)的抗壓強(qiáng)度不利。2)水化產(chǎn)物的XRD試驗(yàn)與TG-DSC試驗(yàn)證明CSWP加入后砂漿水化產(chǎn)物中并無(wú)新物質(zhì)生成,CSWP的加入會(huì)促進(jìn)水泥中未水化的C3S發(fā)生水化反應(yīng),生成C-S-H以及CH,使水化產(chǎn)物中CH的衍射峰增強(qiáng),提高砂漿中CH的含量,C-S-H凝膠使得砂漿抗壓強(qiáng)度上升。后期隨著CSWP中SiO2等活性物質(zhì)產(chǎn)生火山灰效應(yīng),消耗CH,導(dǎo)致試樣具有相當(dāng)?shù)腃H衍射峰強(qiáng)度。3)通過(guò)SEM試驗(yàn)可以看出,CSWP的加入,使砂漿中團(tuán)簇狀水化產(chǎn)物增多,有利于砂漿強(qiáng)度的提升。

本文采用的方法為將混凝土廢漿粉直接摻入到砂漿中,研究其對(duì)砂漿性能的影響。如果將混凝土廢漿粉代替部分水泥加入砂漿中,對(duì)砂漿性能的影響如何需要進(jìn)一步研究。與此同時(shí),本文在研究時(shí)只選擇了混凝土廢漿粉這一種摻合料,與其他摻合料復(fù)摻的結(jié)果也有待進(jìn)一步研究。