渣土对C50混凝土力学性能的影响

刘　春,王安辉,余　沛,荣　辉

(1.宁德师范学院建筑工程系,宁德　352000；2.商丘工学院土木工程学院，商丘　476000；3.天津城建大学材料科学与工程学院,天津　300384)



渣土对C50混凝土力学性能的影响

刘春1,王安辉2,余沛2,荣辉3

(1.宁德师范学院建筑工程系,宁德352000；2.商丘工学院土木工程学院，商丘476000；3.天津城建大学材料科学与工程学院,天津300384)

针对地铁盾构出来的渣土大量堆砌、利用率低、附加值低现状，本文将渣土作为矿物掺合料，研究了渣土掺量(0、2.5%、5.0%、7.5%和10.0%)对C50混凝土工作性和力学性能的影响。结果表明：(1)C50混凝土初始坍落度和坍落度损失均随着渣土掺量的增加而逐渐降低；(2)掺有不同渣土掺量的C50混凝土早期(3 d、7 d)抗压强度均低于基准组抗压强度，而28 d抗压强度均高于基准组抗压强度；渣土掺量对C50混凝土抗压强度的影响存在最佳值，当渣土掺量为水泥掺量的7.5%时，发现其28d抗压强度最高；(3)不同渣土掺量的C50混凝土28 d微观结构表明，随着渣土掺量的增加，C50混凝土微观结构逐渐密实，孔隙逐渐减少。

渣土； 混凝土； 坍落度； 抗压强度； 微观结构

1　引　言

地铁、轻轨等城市轨道交通在施工建设过程中不可避免地产生大量渣土，以建设南昌地铁1号线为例，全长28.843公里，产生渣土约440万方，可以填满4个水立方[1]。大量的渣土在运输过程中由于运输车的管理不当，不仅会污染城市路面，影响路面景观，而且渣土中的粉尘随风进入空气[2]，影响城市空气质量。此外，处理这么多的渣土需要很多的空间，以往的消纳点选择在郊区，不仅破坏耕地，还对当地生态环境造成影响。当前，国内外渣土处理的主要方式是堆弃、填埋和作为道路路基填料[3-14]，上述处理方式不仅污染环境、占据大量土地，而且利用率和附加值低。因此，为进一步提高渣土综合利用率和附加值，本文将渣土磨细，然后将其掺入混凝土中，以研究渣土应用于混凝土中的可行性，并探讨不同掺量的渣土对混凝土力学性能的影响。

2　试　验

2.1试验原材料

水泥：天津振兴水泥厂生产的P·O 42.5水泥，其化学组成见表1所示;

砂：河砂，细度模数2.9，堆积密度为1360 kg/m3，表观密度2610 kg/m3;

石子：碎石，粒径5～25 mm，堆积密度1450 kg/m3，表观密度2690 kg/m3;

水：当地自来水;

外加剂：山东建筑科学研究院生产的聚羧酸外加剂，减水率35%，掺量0.7%;

渣土：天津地铁某号线盾构产生的渣土，烘干后采用球磨机将其磨细30 min，磨细后比表面积为19000 m2/kg，平均粒径为11 μm，干密度1810 kg/m3，其化学组成和矿物组成如表1和图1所示。由表1可知，渣土中氧化物主要是氧化硅、氧化铝和氧化钙。另外，渣土的微观形貌如图2所示。

表1　水泥、渣土的主要化学成分

由图1可知，渣土的矿物组成主要是石英、矾土和硅铝酸盐等矿物。

由图2可知，渣土颗粒均呈现出不规则片状形貌，颗粒尺寸不一。

图1　渣土矿物组成Fig.1　Mineral composition of muck

图2　渣土微观形貌Fig.2　Microstructure of muck

2.2混凝土配合比设计

研究了渣土掺量(2.5%、5.0%、7.5%和10.0%)对C50混凝土工作性和抗压强度的影响，其具体配合比如表2所示。

表2　掺有渣土的C50混凝土配比

2.3试验方法

混凝土坍落度和抗压强度试验方法分别按《普通混凝土拌合物试验方法标准》(GB/T 50080-2002)和《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)成型、制备和检验。

按照GB/T2847-2005《用于水泥中的火山灰质混合材料》规范中火山灰性试验方法对磨细后渣土进行火山灰试验。

采用日本JMS-7800F扫描电镜对不同渣土掺量下的混凝土28 d微观结构进行分析，以探明不同渣土掺量对混凝土力学性能影响机理。

3　结果与讨论

3.1渣土火山灰活性

表3显示的是磨细后的渣土火山灰性试验结果。由表3可知，磨细后的渣土不具有火山灰活性。

表3　渣土火山灰性

3.2渣土对混凝土工作性的影响

不同渣土掺量对C50混凝土初始坍落度和0.5 h坍落度损失影响如图3所示。由图3可知，随着渣土掺量的增加，混凝土初始坍落度逐渐降低，由基准的160 mm降低至60 mm(掺量5.0%)、35 mm(掺量7.5%)和28 mm(掺量10.0%)。产生上述现象的原因一方面由于渣土比表面积远远大于水泥颗粒，进而造成等量替代水泥后，其吸水性远远高于水泥颗粒所致。另一方面可能是由于渣土对聚羧酸系减水剂中Polycarboxylates(PC)分子有强烈的吸附能力以及PC分子在渣土片层中间的插层作用，使PC分子大量的消耗于渣土，因而作用于水泥的PC分子变少，进而使得混凝土的坍落度降低[15]。

另外，由图3还可以看出，渣土对混凝土的坍落度损失有重要的影响。当渣土掺量为2.5%时，混凝土的坍落度损失严重，由初始的160 mm损失到0.5 h后的95 mm，损失65 mm。而当渣土掺量增至5.0%以后， 0.5 h后的混凝土成为干硬性混凝土，坍落度完全损失。产生上述现象同样是由于渣土吸水性强所致。

3.3渣土对混凝土力学性能的影响

不同渣土掺量对C50混凝土抗压强度的影响如图4所示。渣土的掺入会影响C50混凝土强度等级的早期强度，即其3 d、7 d的抗压强度均低于基准组对应龄期强度，这是由于渣土的掺入，降低水泥用量所致。然而发现，渣土的掺入会改善C50混凝土的28 d抗压强度。产生这种现象的原因有可能是由于其颗粒粒径小于水泥颗粒，从而使其填充水泥颗粒之间的孔隙，提高水泥颗粒之间的级配和密实度，进而改善混凝土的后期微观结构所致。

此外，由图4还可以看出，随着渣土掺量的增加，C50强度等级的混凝土的早龄期(3 d、7 d)抗压强度呈现出先下降后上升的趋势，而28 d抗压强度呈现出先升高后下降的趋势。具体为：当渣土掺量分别为2.5%、5.0%、7.5%和10%时，与基准混凝土相比，其3 d抗压强度分别降低了14.5%、22.5%、5.6%和11.6%；7 d抗压强度分别降低了2.2%、16.5%、4.5%和5.3%。而当龄期为28 d时，发现不同渣土掺量的混凝土与基准混凝土相比，其28 d抗压强度分别提高了7.4%、4.3%、15.7%和11.0%。这表明当渣土掺量为7.5%时对C50强度等级的混凝土早期抗压强度降低较少，而改善后期强度最为明显。产生上述现象的原因有可能是由于处于此掺量的渣土可以较好平衡由于渣土的掺入而带来的水泥用量减少造成的早期强度降低，同时又可以更好地发挥渣土的微集料填充效应，进而使得混凝土后期微观结构发展密实、孔隙减少，抗压强度增加。

图3　渣土掺量对C50混凝土工作性的影响Fig.3　Influence of muck content on workability of concrete for C50

图4　渣土掺量对C50混凝土抗压强度的影响Fig.4　Influence of muck content on compressive strength of concrete for C50

为进一步解释渣土对C50混凝土抗压强度的影响，研究了不同渣土掺量下混凝土的28 d微观结构，结果如图5所示。

图5　渣土掺量对C50混凝土微观结构的影响(a)0%；(b)2.5%；(c)5.0%；(d)7.5%；(e)10.0%Fig.5　Influence of muck content on microstructure of concrete for C50

由图5可知，当渣土掺量为0(基准组)时，混凝土微观结构中孔隙较多，存在网络状的C-S-H，针状AFt等物质。而当渣土掺量为2.5%时，发现混凝土微观结构相比基准组，孔隙减少，针棒状物质减少，这有可能是由于水泥用量减少而造成的AFt物质减少，同时由于渣土颗粒填充水泥颗粒空隙所致。当渣土掺量增加至7.5%时，发现其微观结构(相比基准、掺量为2.5%、5.0%和10.0%)孔隙最少，结构最为密实。这有可能是由于此掺量下的渣土造成的水泥减少造成的水化产物减少与渣土的填充两者作用所致。

4　结　论

通过对不同掺量的渣土对C50混凝土工作性和力学性能的影响研究，确定了渣土对C50混凝土工作性和力学性能的影响规律。通过上述研究，得出的主要结论如下。

(1)C50混凝土初始坍落度和坍落度损失随着渣土掺量的增加而逐渐降低，在不改变用水量和外加剂用量前提下，向混凝土中加入的渣土掺量不宜超过10%；

(2)不同掺量的渣土对C50混凝土不同龄期下的抗压强度影响不同。随着渣土掺量(2.5%、5.0%、7.5%和10.0%)的增加，C50混凝土的早期抗压强度(3 d、7 d)均低于基准组，其中渣土掺量为7.5%时，其对混凝土的早期强度(3 d、7 d)降低率最低，分别为基准组的5.6%和4.5%。然而，随着渣土掺量(2.5%、5.0%、7.5%和10.0%)的增加，C50混凝土的28 d抗压强度均高于基准组，其中渣土掺量为7.5%时，其对混凝土的强度提高率最高，为11.7%。

[1] 沈澈清,封云.地铁1号线渣土可推11个八一广场[EB/OL].http://jiangxi.jxnews.com.cn/system/2013/05/24/012435387.shtml,2013-05-24.

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Influence of Muck on Mechanical Properties of C50 Concrete

LIUChun1,WANGAn-hui2,YUPei2,RONGHui3

(1.Inpartment of Construction Engineering,Ningde Normal University,Ningde 352000,China;2.School of Civil Engineering,Shangqiu Institute of Technology,Shangqiu 476000,China;3.School of Materials Science and Engineering,TianJin ChengJian University,TianJin 300384,China)

At present, the muck from subway exits pile, low utilization and low added value, therefore, the influence of different contents of muck as admixtures on workability and mechanical properties of C50 concrete are studied in this paper. The experimental results indicate that the initial slump and 0.5 hours of slump loss decrease gradually with the increasing of muck contents. The early compressive strengths of C50 concrete with different muck contents are all lower than that of reference group, however, the compressive strengths of concrete with different muck contents at 28 d are all higher than that of reference group. The compressive strength of concrete at 28 d is the highest when the content of muck is 7.5% of cement contents. The microstructure of concrete with different muck contents show that the microstructure is gradually denser with the increasing of muck contents.

muck；concrete；slump；compressive strength；microstructure

刘春(1972-)，男，博士,副教授.主要从事岩土工程和混凝土材料方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)04-1322-05