固体废弃物在混凝土中的应用研究

赵晶，李中顺，汪鑫

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)*

固体废弃物在混凝土中的应用研究

赵晶，李中顺，汪鑫

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)*

以破碎的废混凝土作为替代粗骨料，冶炼渣作为替代细骨料，通过试验研究了粗骨料和细骨料在不同替代率的情况下混凝土的性能以及掺合料对混凝土性能的影响.研究表明：随着替代粗骨料替代率的增加混凝土的抗压强度、抗氯离子渗透性能也随之有少量的降低，适当掺量的冶炼渣替代细骨料可以提高混凝土的抗压强度和抗氯离子渗透性，但掺量过大反而使混凝土的抗压强度和抗氯离子渗透性降低. 掺合料的加入会提高混凝土的抗压强度、降低氯离子扩散系数，对混凝土的耐久性有明显的改善.

替代骨料；冶炼渣；力学性能；耐久性；掺合料

0 引言

我国是一个资源短缺、粗放经营的资源消费大国，经济增长带来的资源和环境问题越来越受到重视.但目前我国对建筑垃圾的利用率极低，一般作为回填和道路垫层等基础材料的低级利用.对再生骨料却缺乏系统的科学研究[1].再生混凝土的力学性能与再生骨料的类型、粒径、掺量等因素有关，还有就是与水灰比有关[2].研究表明再生骨料的取代率对再生混凝土的力学性能有较为明显的影响，当再生骨料取代率50%时，混凝土的抗压强度超过基准混凝土，随着再生骨料取代率的继续增加再生混凝土的抗压强度又逐渐的降低[3],文献[4- 6]中对再生混凝土做了大量研究.Caroline Morrison等分别以不同取代率的两种锌矿渣作为再生细骨料，对混凝土的水化热随时间的变化做了实验研究.研究表明：随着锌矿渣取代率的增加混凝土的水化放热时间也随之延后.当锌矿渣完全取代细骨料使混凝土的水化放热时间有大幅度延迟现象[7].Bahador Sabet Divsholi 等分别对不同取代率的高炉矿渣水泥混凝土做了碳化、氯离子渗透等耐久性分析.实验结果表明：高炉矿渣部分取代细骨料的混凝土的耐久性完全可以满足实际工程需要.冷发光[8]将测试混凝土的扩散系数的方法分为慢速法、快速法和其他方法.其他学者也提出了很多测试氯离子扩散的方法[9- 11].

本文对废弃混凝土替代碎石，冶炼渣替代部分砂的混凝土进行了力学、氯离子渗透实验.分析了不同替代骨料取代率的混凝土强度发展规律，探讨了掺合料对混凝土性能影响.实验结果表明：随着替代粗骨料替代率的增加混凝土的强度随之降低、氯离子扩散系数增大；适当冶炼渣替代普通细骨料的混凝土的强度有少量提高；硅灰的加入显著的改善了混凝土的抗氯离子渗透性，并且混凝土的强度也有所提高.

1 原材料性能分析和配合比方案

1.1 原材料

水泥： 42.5R级普通硅酸盐水泥；粉煤灰：大连华能II级；硅灰：硅灰基本物理力学性能如下：比表面积为23 200 m2/kg，密度为2.2 g/cm3，含水量为1.4%，需水量比为125%，活性指数为128%.

粗骨料：普通石灰岩碎石、替代粗骨料(实验室C40普通混凝土经人工破碎).粗骨料技术指标如表1所示.

细骨料：大连河砂、冶炼渣，级配如图1(a)；加入30%、50%冶炼渣的细骨料级配如图1(b).

表1 粗骨料技术指标

(a) 细骨料

(b) 30%、50%冶炼渣替代细骨料

由图1可以看出大连河砂、冶炼渣、加入30%、50%冶炼渣的细骨料分别在中砂区、过粗沙区、中砂区、粗砂区.

1.2 配合比方案

由于废弃混凝土的吸水率要远大于普通碎石，所以本实验采取预湿法(将替代粗骨料浸入水中24 h后取出用干布擦拭表面至饱和面干)，按普通混凝土配合比规范配制C35混凝土，塌落度控制在5～7 cm，通过振捣成型.试验配合比如表2，其中N为基准混凝土、RC为不同替代粗骨料替代率的混凝土、RX为不同替代细骨料替代率的混凝土、RCX为粗骨料替代率是50%、细骨料替代率是30%的混凝土.RCX(S)为加入硅灰的混凝土、RCX(F)为加入粉煤灰的混凝土.

力学性能参照GB/T 50081-2002规定进行,混凝土的抗氯离子渗透试验采用NEL法测定.

表2 混凝土配合比

2 实验结果与分析

2.1 抗压强度和抗氯离子渗透性的影响

2.1.1 替代粗、细骨料对混凝土的抗压强度影响

从不同骨料替代率的混凝土抗压强度实验结果中(图2)可以看出：随着替代粗骨料替代率的增加混凝土的抗压强度总体上随之降低，并且下降的速度呈现变缓的趋势.这是因为再生粗骨料表面包裹着一层砂浆，当混凝土中加入再生粗骨料时，混凝土中会存在三种界面：旧砂浆-碎石界面、新砂浆-旧砂浆界面、新砂浆-碎石界面.混凝土的界面过渡区是Ca(OH)2、钙矾石富集区，孔隙率较高，是混凝土的薄弱区，同时也是应力集中区.由于掺加替代骨料的混凝土的界面过渡区要比普通混凝土多，因此混凝土的强度降低.同时替代骨料在破碎过程中也会产生裂纹降低了替代粗骨料的强度，这也造成了混凝土的强度较基准混凝土低.

图2 不同替代粗、细骨料替代率的混凝土抗压强度

从图中看出当替代细骨料替代30%细骨料时混凝土的3、7、28 d抗压强度均有略微的提高.原因是冶炼渣表面比较干净，含泥量非常小.这样水泥与冶炼渣之间的结合就优于普通砂与水泥之间的结合.当替代细骨料替代50%细骨料时、混凝土的抗压强度要低于基准混凝土.原因是当加入50%替代细骨料时混凝土中的细骨料属于过粗砂区从而影响混凝土强度.

2.1.2 替代粗、细骨料对混凝土抗氯离子渗透性的影响

混凝土的抗氯离子渗透性是混凝土耐久性的重要组成部分，由图3可得随着替代粗骨料替代率的增加混凝土的抗氯离子渗透性能随之降低.由于水泥浆体、水泥浆体与骨料的界面共同决定着混凝土的抗氯离子渗透性能，随着替代粗骨料替代率增加混凝土的界面也随之增多，所以随着替代粗骨料替代率的增加混凝土的抗氯离子渗透性能随之降低.当替代粗骨料完全替代碎石时混凝土的氯离子扩散系数为基准混凝土的1.4倍.图3看出加入30%替代细骨料的混凝土的抗氯离子渗透性要比基准混凝土好.

图3 不同替代粗、细骨料替代率的混凝土氯离子渗透系数

2.1.3 确定最佳替代粗、细骨料的替代率

从图2(不同替代粗、细骨料替代率的混凝土抗压强度)和图3(不同替代粗、细骨料替代率的混凝土氯离子渗透系数)分析可得选取替代粗骨料替代率为50%，替代细骨料替代率为30%作为混凝土(RCX)的替代粗、细骨料是可行的.

由图4分析得：加入30%替代细骨料和50%替代粗骨料的混凝土抗氯离子渗透性能介于只加入30%替代细骨料混凝土和只加入50%替代粗骨料混凝土之间，抗压强度与只加入30%替代细骨料的混凝土和只加入50%替代粗骨料的混凝土相比有少量的降低.

(a) 混凝土抗压强度

(b) 氯离子渗透系数

2.2 掺和料对混凝土的影响

2.2.1 掺和料对混凝土抗压强度的影响

由图5(a)可知硅灰能有效提高混凝土的早期、后期强度.硅灰的最佳掺量为8%.图5(b)分析得出粉煤灰对再生混凝土的早期强度影响较弱，28d强度为基准混凝土的89%，最佳掺量为20%.

(a) 不同硅灰掺量

(b) 不同粉煤灰掺量

2.2.2 掺和料对混凝土抗氯离子渗透性的影响

从图6中看出：加入粉煤灰和硅灰可以有效的提高混凝土的抗氯离子渗透性能.因为粉煤灰、硅灰都能与水泥水化产物Ca(OH)2发生二次水化反应，细化水泥浆体孔径，改善混凝土界面结构，所以能有效的提高混凝土的抗氯离子渗透性能.硅灰在提高混凝土的抗氯离子渗透性能方面要优于粉煤灰，因为硅灰的颗粒要比水泥颗粒和粉煤灰颗粒细的多，同时硅灰中含有大量的活性SiO2，所以在改善混凝土界面结构方面比粉煤灰效果要好.

图6 掺入粉煤灰、硅灰的混凝土氯离子渗透系数

3 结论

(1)当替代粗骨料替代率为50%时混凝土强度仅下降6.4%、氯离子扩散系数增大20%，所以用破碎的废弃混凝土替代一半的粗骨料是可行的；

(2)以30%的冶炼渣替代砂时，混凝土中的细骨料属于中砂区，混凝土的抗压强度略有提高，混凝土的抗氯离子渗透性能有较大的提高；加入50%的冶炼渣替代细骨料时混凝土中细骨料属于过粗砂区，混凝土的抗压强度和抗氯离子渗透性能都有所降低；所以细骨料的替代应保证处在中砂的级配区；

(3)硅灰的加入有利于混凝土力学性能和抗氯离子渗透性能的提高，硅灰最佳掺量为8%.粉煤灰能有效的提高混凝土的抗氯离子渗透性能，最佳掺量为20%.

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[3]王江,薛燕飞,周辉,等.再生混凝土抗压强度研究[J].混凝土,2006(7):47- 49.

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Application Study of Solid Waste in Concrete

ZHAO Jing,LI Zhongshun,WANG Xin

(School of Civil and Safety Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

By using broken waste concrete as substitution coarse aggregate and slag as a substitution for fine aggregate,the performance of the concrete with different replacement ratios of coarse and fine aggregates as well as the influence of mineral admixture is studied.The results showe that with the increase of substitued coarse aggregate replacement rate,the compressive strength and resistance to chloride ion permeability of the concrete are reduced slightly.Substitution fine aggregate can improve the compressive strength and resistance to chloride ion permeability with appropriate ratio while a larger amount of it will cause poor performance.The mineral admixture can improve the compressive strength and reduce the chloride ion diffusion coefficient,which improves the durability of the concrete obviously.

substitution aggregate;smelting slag；mechanical properties;durability;admixture

1673- 9590(2017)05- 0089- 05

A

2016- 06- 24

赵晶(1964-)，女，教授，博士，主要从事道路工程材料的研究 E-mail:zjing@sohu.com.