馬保亮,王 安

(中交二公局東萌工程有限公司,陜西 西安 710065)

0 引言

近年來,隨著人們環(huán)保意識的逐漸增強(qiáng),廢棄混凝土對環(huán)境的危害引起了更多人的重視,如何將廢棄混凝土重新回收再利用成為土木工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

一些學(xué)者利用室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)研究混凝土再生料制備的改性再生混凝土抗壓強(qiáng)度,張向?qū)萚1]以再生輕骨料取代率和干表觀密度為變化參數(shù),研究了再生輕骨料取代天然骨料對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。宋超等[2]、朱啟貴等[3]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了孔隙率、透水系數(shù)對再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明透水系數(shù)和孔隙率與再生混凝土的抗壓強(qiáng)度成負(fù)相關(guān),即透水系數(shù)和孔隙率越大,再生混凝土抗壓強(qiáng)度越小。丁東方[4]則利用等應(yīng)力循環(huán)加卸載方法,得到了再生粗骨料混凝土的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€,并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

隨著研究的進(jìn)一步深入,相關(guān)研究人員開始在混凝土再生料拌合過程中加入不同材料,研究外加材料對再生混凝土力學(xué)性能的影響,盧缽等[5]、何政卿等[6]、陳龍等[7]通過在再生混凝土拌合過程中分別加入粉煤灰、煤矸石和水滑石等材料,然后通過室內(nèi)試驗(yàn)探討了粉煤灰、煤矸石及水滑石摻量對再生混凝土力學(xué)性能、孔隙率及凈水效果的影響。由于混凝土再生料表面呈堿性,不利于植物的生長,為了降低再生混凝土的pH值,制備出適合植物生長的植生型生態(tài)混凝土,胡春明等[8]、王志鵬等[9]分別利用蠟封法和硅烷浸漬法對多組生態(tài)混凝土進(jìn)行降堿處理,后測定生態(tài)混凝土孔隙水環(huán)境的pH值,研究孔隙狀態(tài)、蠟封法及硅烷浸漬法對生態(tài)混凝土孔隙堿性水環(huán)境的影響。趙雪云等[10-11]分別對不同應(yīng)變速率和高溫下的再生混凝土進(jìn)行試驗(yàn),研究了再生混凝土在相應(yīng)條件下的力學(xué)性能。

近些年來,我國每年都需燃燒近50萬t煤炭,煤炭的廣泛使用為我們的生活提供了便利,但煤炭燃燒過后遺留的廢棄煤渣不僅造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染,還存在一定的資源浪費(fèi)問題,如何使廢棄煤渣得到再利用成為亟需解決的問題。現(xiàn)有的混凝土再生料降堿技術(shù)并不適合在工程領(lǐng)域廣泛使用,亟需一種能廣泛使用且具有良好經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保效果的降堿方法。

本次試驗(yàn)通過在再生混凝土拌合過程中加入不同含量的廢煤渣和銨明礬,探究廢煤渣和銨明礬對再生混凝土孔隙率、酸堿性及抗壓強(qiáng)度的影響。不僅解決了廢煤渣的再利用問題,同時還提出了一種新型的降堿技術(shù),制備出的再生混凝土不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)性,還具有優(yōu)良的環(huán)保效果,綜合效益十分顯著。

1 試驗(yàn)研究

1.1 原材料

1)水泥 P·C 42.5復(fù)合硅酸鹽水泥,其主要化學(xué)組分和力學(xué)性能如表1,2所示。

表1 水泥主要化學(xué)組分

表2 水泥力學(xué)性能

2)再生骨料 再生粗骨料粒徑均為7～15mm,表觀密度為2 530kg/m3;再生細(xì)骨料粒徑均為3～6mm,表觀密度為2 310kg/m3。再生骨料相較于一般骨料具有孔隙率大和吸水性強(qiáng)等特點(diǎn)。

3)廢煤渣 廢煤渣經(jīng)破碎處理后,選擇粒徑7～10mm 的煤渣代替部分混凝土再生骨料,其表觀密度為1 350kg/m3,也具有吸水性強(qiáng)、孔隙率大等特點(diǎn)。

4)銨明礬(NH4Al(SO4)2·12H2O) 白色,密度為1.46g/cm3,其水溶液呈弱酸性。

5)水 正常自來水。

1.2 改性再生混凝土配合比設(shè)計

依據(jù)生態(tài)混凝土的結(jié)構(gòu)特征和其本身的孔隙率屬性,1m3的生態(tài)混凝土可視為由相同體積的再生骨料堆積而成,水泥并沒有完全填充生態(tài)混凝土中的孔隙,其主要作用是將再生骨料顆?；ハ囵そY(jié)起來,從而使生態(tài)混凝土塊體具有一定的抗壓強(qiáng)度。因此,1m3的改性再生混凝土質(zhì)量主要由再生骨料、水泥及水的質(zhì)量構(gòu)成,改性再生混凝土的密度為1 700～2 100kg/m3。其次,由于再生骨料和廢煤渣均具有良好的吸水性,且銨明礬也需溶于水中才能更好地參與酸堿中和反應(yīng),為使混凝土再生骨料不因過于干燥而導(dǎo)致無法黏結(jié),在拌合改性再生混凝土過程中,應(yīng)適當(dāng)提高水與水泥的比例。根據(jù)以上原則,可對改性再生混凝土的配合比進(jìn)行初步設(shè)計。不同銨明礬和廢煤渣取代率條件下的改性再生混凝土試驗(yàn)配合比如表3所示。編號MF-1,MZ-1分別表示改性再生混凝土試塊中銨明礬和廢煤渣的取代率均為10%,其他編號表示類似。

表3 不同取代率下改性再生混凝土試驗(yàn)配合比

1.3 試件制作及室內(nèi)試驗(yàn)

制作100mm×100mm×100mm改性再生混凝土試塊,每種取代率各3塊。首先向混凝土攪拌機(jī)中依次加入再生粗骨料、再生細(xì)骨料、細(xì)砂、水泥,攪拌3min,使各種再生骨料充分混合均勻;然后加入銨明礬,繼續(xù)攪拌3min,使銨明礬與再生混凝土混合料充分混合;最后向混凝土攪拌機(jī)中緩慢加入水和減水劑的混合溶液,繼續(xù)攪拌4min,使銨明礬充分遇水發(fā)生酸堿中和反應(yīng),達(dá)到降低混凝土再生骨料表面pH值的目的。將拌制好的改性再生混凝土分3次裝入模具中,每次填入厚度為35mm左右,每次填入改性再生混凝土后,將裝有改性再生混凝土的模具放在振動臺上進(jìn)行插入振搗,使模具內(nèi)的改性再生混凝土試塊黏結(jié)密實(shí)。將帶模的改性再生混凝土試塊在室內(nèi)放置48h后,再進(jìn)行脫模處理,使改性再生混凝土顆粒充分黏合,避免脫模過程中對試塊的外形造成損壞,進(jìn)而影響改性再生混凝土的抗壓強(qiáng)度。將脫模處理后的改性再生混凝土試塊放入室外,上覆保濕布,每日進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù),如圖1所示。改性再生混凝土試塊養(yǎng)護(hù)至一定齡期后,對其進(jìn)行室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn),探究其力學(xué)性能。本次室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)裝置為電液伺服試驗(yàn)機(jī),加載速率為0.5mm/min,如圖2所示。

圖1 養(yǎng)護(hù)一定齡期的改性再生混凝土試塊

圖2 單軸壓縮示意

1.4 改性再生混凝土pH值的測定

首先將灑水養(yǎng)護(hù)至一定齡期的改性再生混凝土試塊放在干凈平板上進(jìn)行破碎處理,后將碎塊放在室內(nèi)進(jìn)行約48h的風(fēng)干處理,再將風(fēng)干處理后的碎石塊放進(jìn)研缽中進(jìn)行研磨處理,最后將風(fēng)干、研磨處理后的改性再生混凝土試塊過2mm篩,進(jìn)行篩分處理,得到粒徑小于2mm的改性再生混凝土粉末;取10.0g篩分過后的改性再生混凝土粉末放置于100mL量筒內(nèi),隨后向量筒內(nèi)加入40mL清水,用橡皮塞將量筒口塞住,防止碳化,用振動機(jī)對量筒進(jìn)行間歇式振蕩、攪拌,每次間隔約10min,共攪拌3h,后靜置一定時間,取其上清液。將酸堿檢測計先按照說明書進(jìn)行標(biāo)定,然后將標(biāo)定完成的酸堿檢測計插入上清液中,待酸堿檢測計讀數(shù)穩(wěn)定后,進(jìn)行讀數(shù),檢測結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后兩位。

1.5 改性再生混凝土孔隙率的測定

由于再生混凝土試塊形態(tài)較一般混凝土不同,孔隙較多,為更準(zhǔn)確地測量出改性再生混凝土試塊的孔隙率,本次試驗(yàn)采用烘干-浸泡法對改性再生混凝土試塊的孔隙率進(jìn)行測量。首先將養(yǎng)護(hù)一定齡期后的改性再生混凝土試塊進(jìn)行烘干處理,測量其干燥狀態(tài)下的質(zhì)量M1,然后將干燥的改性再生混凝土試塊置于盛滿水的容器中,利用排水法測量出改性再生混凝土試塊的體積V,將其在盛滿水的容器中放置4d后,測得其在水中的質(zhì)量M2,將得到的數(shù)據(jù)帶入公式S=(M2-M1)/(Vρw)×100%中,求得各個試塊的孔隙率S,取3個試塊的平均值作為該改性再生混凝土試塊的孔隙率。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),得到改性再生混凝土試塊在不同廢煤渣和銨明礬取代率下7,14,28d的抗壓強(qiáng)度,取其平均值,按照上述方法測得改性再生混凝土平均孔隙率和pH值,試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同齡期改性再生混凝土平均抗壓強(qiáng)度

2.1 改性再生混凝土抗壓強(qiáng)度分析

銨明礬取代率為0時,改性再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨煤渣取代率和養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律如圖3所示。結(jié)合表4可得出含廢煤渣的改性再生混凝土整體抗壓強(qiáng)度為5.18～6.79MPa。

圖3 廢煤渣對改性再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

廢煤渣取代率為0時,改性再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨銨明礬取代率和養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律如圖4所示。結(jié)合表4可得出含銨明礬的改性再生混凝土整體抗壓強(qiáng)度在1.81～7.08MP。

圖4 銨明礬對改性再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3可知,銨明礬取代率為0時,隨著廢煤渣取代率的增加,改性再生混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,改性再生混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度逐漸增大,但增大幅度逐漸減小,說明改性再生混凝土在7～14d強(qiáng)度增長較快。改性再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨廢煤渣取代率增加而降低的主要原因有:混凝土再生料一般是石子或石子與水泥的混合塊體,其本身強(qiáng)度相較于廢棄煤渣強(qiáng)度要高;廢煤渣孔隙多,吸水性較強(qiáng),煤渣骨料總的比表面積較大,包裹煤渣骨料所需的水泥漿液較多;此外,廢煤渣孔隙較多,影響了骨料之間的相互黏結(jié),骨料之間黏結(jié)力降低,進(jìn)而導(dǎo)致了改性再生混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度降低。

由圖4可知,在廢煤渣取代率為0時,隨著銨明礬取代率的增加,改性再生混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度逐漸降低,且當(dāng)銨明礬含量由0增加至10%和由30%增加至50%時,改性再生混凝土抗壓強(qiáng)度的下降幅度均小于銨明礬含量由10%增加至30%時改性再生混凝土抗壓強(qiáng)度的下降幅度。含銨明礬改性再生混凝土抗壓強(qiáng)度降低的主要原因有:隨著銨明礬取代率的增加,水泥含量逐漸減小,易發(fā)生水化反應(yīng)的礦物成分(如SiO2)含量降低,導(dǎo)致了再生骨料之間的黏結(jié)力逐漸減小,進(jìn)而導(dǎo)致改性再生混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。從抗壓強(qiáng)度的降低幅度來看,銨明礬取代率從10%增加到30%時,降幅最大,普遍降幅在40%左右,但隨著銨明礬取代率的繼續(xù)增加,降低幅度又逐漸減弱,分析原因可能為當(dāng)銨明礬含量由10%增至30%時,水泥含量明顯減少,銨明礬在混凝土再生骨料之間形成的黏結(jié)力弱于水泥在混凝土再生料之間形成的黏結(jié)力,混凝土骨料之間的黏結(jié)力明顯減弱,改性再生混凝土的破壞形式逐漸由骨料顆粒受壓破壞向骨料間膠結(jié)受壓出現(xiàn)破壞裂縫轉(zhuǎn)變,再生混凝土試塊破壞形式的變化導(dǎo)致了改性再生混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)較大幅度降低。隨著銨明礬含量的繼續(xù)增多,Al3+含量增多,酸堿中和反應(yīng)后生成的Al(OH)3含量增多,在一定程度上減弱了水泥礦物質(zhì)含量降低對改性再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

結(jié)合圖3,4,分析含有銨明礬和廢煤渣的改性再生混凝土試塊抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增加而增加的主要原因是:灑水養(yǎng)護(hù)促進(jìn)了水泥中礦物質(zhì)的水化反應(yīng),如硅酸二鈣和硅酸三鈣含量增多,增大了再生骨料之間的黏結(jié)力,進(jìn)而導(dǎo)致改性再生混凝土試塊抗壓強(qiáng)度上升,但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,礦物質(zhì)的水化反應(yīng)速率逐漸減緩,可用于水化反應(yīng)的礦物質(zhì)含量逐漸減少,因此改性再生混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度增加幅度也逐漸減弱。

2.2 改性再生混凝土pH值分析

由表4可知,隨著銨明礬取代率的增加,改性再生混凝土試塊的pH值逐漸減小,分析pH值降低的主要原因如下。

1)銨明礬溶于水后,其水溶液呈弱酸性,溶液中含有大量H+,NH4+及Al3+,其中H+,NH4+與OH-發(fā)生酸堿中和反應(yīng),Al3+也會與OH-發(fā)生反應(yīng),生成Al(OH)3沉淀,這些化學(xué)反應(yīng)均降低了OH-的含量,從而降低改性再生混凝土的pH值,具體化學(xué)反應(yīng)方程式如下:

NH4++OH-=NH3↑+H2O

(1)

Al3++3HO-=Al(OH)3↓

(2)

H++ OH-=H2O

(3)

2)銨明礬取代率的增加,降低了水泥含量,水泥水化反應(yīng)后產(chǎn)生的堿性物質(zhì)(如Ca(OH)2)減少,從而降低了改性再生混凝土塊體的pH值。

煤渣取代率為0時,改性再生混凝土pH值隨銨明礬取代率和養(yǎng)護(hù)齡期的變化情況如圖5所示。由圖5可知,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,改性再生混凝土試塊的pH值逐漸減小,分析pH值降低的主要原因是:灑水養(yǎng)護(hù)促進(jìn)了水泥的水化反應(yīng),進(jìn)而促進(jìn)了H+,NH4+與OH-之間的酸堿中和反應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致混凝土試塊的pH值降低,但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,水泥水化反應(yīng)減弱,銨明礬溶液酸性減弱,進(jìn)而導(dǎo)致了pH值降低速度逐漸放緩。

圖5 銨明礬對改性再生混凝土pH值的影響

此外,由表4可知,隨著廢煤渣取代率的增加,改性再生混凝土試塊28d的pH值逐漸減小,分析pH值減小的主要原因是:廢煤渣的堿性略小于混凝土再生料的堿性,因此用廢煤渣取代部分混凝土再生料時,制出的改性再生混凝土pH值偏小。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究可知,雖然pH值在8.5～9.5的環(huán)境屬于強(qiáng)堿環(huán)境,但在改性再生混凝土上部覆蓋5～10cm土壤時,土壤與改性再生混凝土組成的環(huán)境仍適合一些高羊茅、波斯菊、苜蓿等耐堿性草本植物的生長。

2.3 改性再生混凝土孔隙率分析

銨明礬取代率為0時,改性再生混凝土試塊的孔隙率隨著廢煤渣取代率的變化情況如圖6所示。由圖6可知,隨著廢煤渣取代率的增加,改性再生混凝土試塊的孔隙率逐漸增大,廢煤渣取代率從0%增加到10%時,孔隙率增幅為2.55%,從10%增加到30%時,孔隙率增幅達(dá)3.87%,可知廢煤渣取代率越大,孔隙率的增幅越大,分析其原因可能與廢煤渣的多孔隙特性有關(guān)。但廢煤渣的取代率從0%增加到30%時,孔隙率僅增加了1.51%,增加量并不顯著?？紫堵实脑黾右彩菍?dǎo)致改性再生混凝土試塊抗壓強(qiáng)度隨廢煤渣取代率增加而降低的原因之一。

圖6 廢煤渣對改性再生混凝土孔隙率的影響

3 結(jié)語

1)單摻廢煤渣的改性再生混凝土試塊28d抗壓強(qiáng)度均值為5.81～6.79MPa,單摻銨明礬的改性再生混凝土試塊28d抗壓強(qiáng)度均值為3.17～6.09MPa,能滿足實(shí)際工程需要,且銨明礬對改性再生混凝土的抗壓強(qiáng)度降幅影響較大。

2)銨明礬能有效降低混凝土再生料的pH值,隨著銨明礬取代率的增加,單摻銨明礬的改性再生混凝土28d的pH值為9.18～9.82,在一定程度上能滿足植物生長對周圍環(huán)境的堿性要求。由于選用的廢煤渣堿性略小于混凝土再生料的堿性,導(dǎo)致用廢煤渣取代一部分混凝土再生料時,pH值略有降低。

3)廢煤渣可取代一部分混凝土再生料,制作出的改性再生混凝土具有很好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保效果,且經(jīng)降堿處理過后的含廢煤渣改性再生混凝土的pH值也能一定程度上滿足植物的生長需求。

4)用廢煤渣代替一部分的混凝土再生料,不僅在一定程度上能降低再生混凝土表面的pH值,也具有較好的抗壓強(qiáng)度,因此用廢煤渣制作出的生態(tài)混凝土具有良好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保效果。