胡玉婷

（中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300450）

0 引言

在我國大部分地區(qū)，建筑用砂主要采用的是天然砂和機制砂。 然而，隨著基礎建設的不斷發(fā)展，優(yōu)質(zhì)砂資源逐漸減少，甚至出現(xiàn)天然砂和機制砂短缺的窘境［1］。 與此同時，水泥生產(chǎn)行業(yè)帶來的碳排放量大，在建設過程中急需降低水泥用量，以符合國家倡導的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。 因此，探尋新型建筑材料，替代部分水泥和天然砂，以制備水泥基材料顯得較為迫切［2，3］。

從現(xiàn)有工業(yè)體系中，開發(fā)具有潛在活性的固體廢棄物作為水泥基材料原材料是一種常用的研究思路和技術［4，5］。 混凝土攪拌站生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量堿性的廢料和廢液，直接排放會對當?shù)厮春屯寥涝斐森h(huán)境污染［6］，而廢料和廢液中含有一定量的水泥、粉煤灰、礦粉和其他膠凝材料組分以及不同尺寸的粗細骨料［7，8］，經(jīng)過相應的技術處理后，具有成為水泥基材料原材料的潛力。張巖巖［9］通過測試抗壓強度、SEM 和孔結構，研究了攪拌站污泥取代水泥對砂漿性能的影響。 結果表明，隨著攪拌站污泥摻量增加，砂漿強度降低，但摻量小于10%時與基準組強度相近。 張敏［10］通過測試抗壓強度、干燥收縮和SEM，研究了新、老攪拌站污泥粉對混凝土性能的影響。 結果表明，新攪拌站污泥粉摻量不超過10%增加了混凝土抗壓強度，同時降低了干燥收縮。 這表明攪拌站廢料應用于水泥基材料具有可行性。 攪拌站廢料資源化利用符合國家倡導的“無廢城市”建設戰(zhàn)略，而固廢資源化利用也是建筑行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標的重要舉措。

基于此，將攪拌站廢料粉和廢料砂分別取代部分水泥和標準砂制備膠砂，研究攪拌站廢料對膠砂流動度和強度的影響，結合掃描電鏡研究內(nèi)部微觀結構，揭示其影響機理，從而減少攪拌站廢料的無序排放，實現(xiàn)其高附加值利用。

1 原材料和實驗方案

1.1 原材料

試驗所用的水泥為P·O42.5 級水泥，比表面積為348 m2／kg；所用的攪拌站廢料來源于殘存于混凝土攪拌車內(nèi)，生產(chǎn)時間在2 h 內(nèi)的新拌混凝土，攪拌站廢料砂細度模數(shù)為2.4；攪拌站廢料粉比表面積為451 m2／kg，28d 的活性指數(shù)為81%。 混凝土攪拌站生產(chǎn)廢料粉和廢料砂的生產(chǎn)工藝，如圖1 所示。 采用ISO 標準砂；拌和水選用城市自來水。 水泥和攪拌站廢料粉的化學成分，見表1。

圖1 攪拌站廢料粉和廢料砂的生產(chǎn)工藝

表1 水泥和攪拌站廢料粉的化學成分%

1.2 試件制備

膠砂是由水泥、攪拌站廢料粉和廢料砂、標準砂和水混合而成，其質(zhì)量配合比，見表2。 試驗共設計6 組配合比，其中M-0 為不摻攪拌站廢料粉和廢料砂的基準組，M-10P 和M-20P 分別為攪拌站廢料粉取代10%和20%水泥的膠砂試件；M-10S 和M-20S 分別為攪拌站廢料砂取代10%和20%標準砂的膠砂試件；M-10P-10S 為攪拌站廢料粉取代10%水泥，同時攪拌站廢料砂取代10%標準砂的膠砂試件。 膠砂水膠比恒定為0.5。

表2 攪拌站廢料的膠砂配合比g

先將水泥、攪拌站廢料粉和廢料砂以及標準砂干拌2 min 混合均勻，加水繼續(xù)攪拌3 ～4 min，而后測定拌和物流動度，隨后將膠砂倒入40 mm×40 mm×40 mm 塑料模具中成型，將成型好的模具放到振動臺上振動60 次，使膠砂變得均勻密實，貼上標簽，置于溫度（20±2）℃，濕度95%的養(yǎng)護箱中直至脫模和測試齡期。

1.3 試驗方法

不同攪拌站廢料粉和廢料砂的膠砂流動度，采用水泥膠砂流動度測定儀（型號HFD-LDD-3）按照（GB／T2419-2005）《水泥膠砂流動度測定方法》進行測試。

采用水泥膠砂攪拌機（型號JJ-5）成型膠砂，24 h 后拆模，養(yǎng)護至3 d、7 d 和28 d 齡期時，測試其立方體抗壓強度，使用3 個立方體試件抗壓強度的平均值，作為每組試件的抗壓強度，具體參照（GB／T17671-2021）《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》進行。

膠砂微觀形貌采用電子掃描顯微鏡（型號JSM-6360LV）進行分析。

2 試驗結果與討論

2.1 廢料對膠砂流動度的影響

流動度是反映膠砂工作性能的一個重要指標。 圖2 為攪拌站廢料對膠砂流動度的影響。 由圖2 可知，膠砂流動度隨攪拌站廢料摻量增加，呈先增后減的趨勢，摻加10%的攪拌站廢料粉和攪拌站廢料砂分別取代水泥和標準砂的膠砂流動度分別為175 mm 和168 mm，相比于基準組M-0 分別提高了6%和1.81%；而摻加20%的攪拌站廢料粉和攪拌站廢料砂分別取代水泥和標準砂的膠砂流動度分別為160 mm 和155 mm，相比于M-0分別減小了3.03%和6%；而同時摻加10%攪拌站廢料粉和10%攪拌站廢料砂時，膠砂流動度略小于基準組。

圖2 不同摻量攪拌站廢料對膠砂流動度的影響

摻加少量攪拌站廢料粉或攪拌站廢料砂改善了膠砂流動度，進一步增加摻量則會降低膠砂流動性。 由于廢料粉顆粒細、活性低，細小顆粒可以起到填充效應，少量廢料粉能夠填充漿體中部分空隙，釋放更多的自由水，與水泥和砂形成連續(xù)的水膜。 膠砂內(nèi)部水膜之間起著潤滑劑的作用［11］，提高了膠砂流動性［12-16］。 此外，因為廢料粉比表面積大，含有較多的內(nèi)部孔隙，吸收水分，因此隨著摻量增加，部分自由水被吸附導致需水量增加［17，18］，同時降低了固體顆粒的水膜厚度，使得內(nèi)部阻力增大導致膠砂拌和物流動度減?。?9］。另一方面，相比于標準砂，摻加少量廢料砂有助于增加流動度；但是廢料砂中存在大量相互連通的孔隙，其孔隙率和吸水率均比標準砂大，導致膠砂吸水能力增強，表面吸附水增加，內(nèi)部阻力增大，從而引起膠砂流動度下降［20，21］。

2.2 廢料對膠砂抗壓強度的影響

攪拌站廢料粉和廢料砂對膠砂3d、7d 和28d的抗壓強度影響，如圖3 所示。 由圖3 可知，隨著攪拌站廢料粉或廢料砂摻量的增加，膠砂抗壓強度呈下降趨勢。 在早齡期3 d 和7 d 時，攪拌站廢料膠砂的抗壓強度低于基準組膠砂。 養(yǎng)護至28 d，摻加10%和20%攪拌站廢料粉的膠砂抗壓強度分別為53.3 MPa 和40.4 MPa，相比于基準膠砂分別增加了4.1%和降低了21.1%；摻加10%和20%攪拌站廢料砂的膠砂抗壓強度分別為48.2 MPa 和44.8 MPa，相比于基準膠砂分別降低了5.9%和12.5%；而同時摻加10%攪拌站廢料粉和10%廢料砂的膠砂28d 抗壓強度相比于基準膠砂增長了2.9%，也高于單摻20%攪拌站廢料粉或廢料砂的膠砂。 究其原因在于混凝土攪拌站廢料含有未水化顆粒，會發(fā)生二次水化反應，產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物［22］，隨著養(yǎng)護齡期增長，有助于提高抗壓強度；但隨著廢料摻量的逐漸增大，廢料稀釋作用的效果逐漸明顯，導致水化產(chǎn)物量減少，降低了膠砂抗壓強度［23］。 而攪拌站廢料砂由于具有較大的孔隙率和吸水率，會吸附周圍的自由水，降低膠砂的工作性，減少了水泥水化所需的用水量，導致生成的C-S-H 凝膠減少，不利于提高抗壓強度［24］。

圖3 不同摻量攪拌站廢料對膠砂抗壓強度的影響

2.3 廢料對膠砂微觀形貌的影響

選取有代表性的膠砂試件，觀察其28d 微觀形貌，如圖4 所示。 從圖4 可以看出，基準膠砂具有較為緊密的內(nèi)部微觀結構，未見明顯的大孔孔隙和微裂縫，水化產(chǎn)物含量較多，少量細孔孔隙分散其中；摻加10%攪拌站廢料粉膠砂，水化產(chǎn)物更多，其原因可能在于廢料粉中含有未水化顆粒，發(fā)生二次水化反應，產(chǎn)生了更多水化產(chǎn)物。 此外，微小顆粒填充了較大孔隙，改善其孔隙結構，相比于基準膠砂，內(nèi)部微觀結構更加緊密，未見連通的孔隙和微裂縫等缺陷；摻加10%攪拌站廢料砂膠砂內(nèi)部存在明顯的孔隙和微裂縫，部分大孔孔隙和裂縫連通，內(nèi)部結構較為疏松，水化產(chǎn)物較少；而摻加10%攪拌站廢料粉和10%攪拌站廢料砂的膠砂內(nèi)部結構也較為緊密，沒有連通的大孔隙和裂縫，這與膠砂抗壓強度發(fā)展規(guī)律對應。

圖4 攪拌站廢料膠砂微觀形貌

3 結論

（1） 摻加10%攪拌站廢料粉或廢料砂有利于提高膠砂流動度，但摻加20%攪拌站廢料粉或廢料砂，或同時摻加10%攪拌站廢料粉和10%廢料砂降低了膠砂流動度。

（2） 混凝土攪拌站廢料膠砂早齡期抗壓強度低于基準膠砂；摻加10%攪拌站廢料粉的膠砂28d 抗壓強度高于基準膠砂。 而同時摻加10%攪拌站廢料粉和10%廢料砂的膠砂28d 抗壓強度高于單摻20%攪拌站廢料粉或廢料砂的膠砂。

（3） 摻加10%攪拌站廢料粉細化了膠砂內(nèi)部孔隙；摻加10%攪拌站廢料砂增加了膠砂內(nèi)部孔隙，疏松了其內(nèi)部結構；同時摻加10%攪拌站廢料粉和10%廢料砂膠砂內(nèi)部結構也較為密實。