利用管樁余漿和燃煤爐渣配制輕質(zhì)混凝土的試驗研究*

王培新

（中建海峽建設發(fā)展有限公司，福建 福州 350003）

0 前言

我國于 20 世紀 80 年代后期開始從國外引進預應力高強混凝土管樁（簡稱 PHC 管樁）生產(chǎn)線，當時年產(chǎn)量不足 50萬方，發(fā)展到今天已經(jīng)走過 30 年的歷程，到了 2013 年我國的 PHC 管樁年產(chǎn)量已經(jīng)達到 30000 萬方，生產(chǎn)工藝也在不斷改進。如今大部分管樁企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率和模具周轉(zhuǎn)率采用的生產(chǎn)工藝為：離心成型—蒸汽養(yǎng)護—壓蒸養(yǎng)護。經(jīng)研究每立方米混凝土離心后可產(chǎn)生 110～120kg 余漿[1]，蒸汽養(yǎng)護和壓蒸養(yǎng)護過程中需要大量的蒸汽，在我國蒸汽主要依靠燃煤鍋爐來提供，所以每年會產(chǎn)生大量的燃煤爐渣。

管樁余漿通過多年的研究和實踐循環(huán)利用率已經(jīng)達到80% 以上[1,2]，而燃煤爐渣的綜合利用也有不少研究[3-5]，但將管樁余漿和燃煤爐渣結(jié)合在一起配制輕質(zhì)混凝土鮮有報道。本文通過試驗研究，利用管樁余漿和燃煤爐渣配制輕質(zhì)混凝土是切實可行的，這為我國固體廢棄物的綜合處理提供新的方法，符合我國低碳環(huán)保的發(fā)展之路。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥：四川峨勝水泥集團生產(chǎn) P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥。物理性能見表 1。

燃煤爐渣：四川某管樁公司燃煤鍋爐排出的經(jīng)水淬急冷而成的廢渣，最大粒徑 15mm，試驗時篩取粒徑在 10mm 以下的爐渣，堆積密度 820kg/m3，出爐含水率 15%～20%，粉磨之后燒失量 15.0%。

管樁余漿：四川某管樁公司生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余漿，含有水泥、細砂粉、外加劑和水，密度為 1600～1800kg/m3，含固量為 67%，0.08mm 篩余 5.4%。

粉煤灰：四川嘉陽粉煤灰，產(chǎn)地樂山市犍為縣。細度：45μm 方孔篩篩余 22% ；需水量比 105% ；燒失量 3%。

外加劑：四川某外加劑公司生產(chǎn)奈系減水劑；固含量30%、砂漿減水率 21% ，與膠凝材料適應性良好。

碎石：四川樂山市水口鎮(zhèn) 5～20mm 連續(xù)級配，緊密堆積密度 1550 kg/m3；表觀密度 2700kg/m3；空隙率 43%；壓碎值8%。

表1 水泥物理性能

機制砂：產(chǎn)地為四川樂山市水口鎮(zhèn)，緊密堆積密度1760kg/m3；表觀密度：2700kg/m3；空隙率 35% ；細度模數(shù)3.1。

河砂：產(chǎn)地為四川樂山市青衣江，緊密堆積密度為1620kg/m3，表觀密度 2650kg/m3；空隙率：39%；含泥量0.8% ，細度模數(shù) 1.8。

1.2 試驗方法

輕質(zhì)混凝土成型時先將爐渣和砂子加入攪拌機中攪拌30s，再加入膠凝材料攪拌 60s，攪拌的同時加入水。將攪拌均勻的混凝土裝入 150mm×150mm×150mm 的試模中，在混凝土振動臺上振動 15s 至表面出漿，抹平表面放入標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護 24h 脫模。由于爐渣密度比較小，作為骨料時應嚴格控制振動時間，避免過振造成爐渣上浮。脫模之后本試驗采用三種養(yǎng)護制度來養(yǎng)護輕質(zhì)混凝土：① 標準養(yǎng)護；② 脫模之后 80℃蒸汽養(yǎng)護 6h、10h；③ 80℃蒸養(yǎng) 6h 之后蒸壓養(yǎng)護（1.0MPa，180～200℃）12h。試塊養(yǎng)護到齡期后測輕質(zhì)混凝土的抗壓強度。

2 試驗設計和結(jié)果

2.1 爐渣輕質(zhì)混凝土的配合比設計

本試驗用體積法進行配合比設計，經(jīng)過試拌、調(diào)整和易性，使輕質(zhì)混凝土的坍落度在 (50±5)mm，試驗前測得爐渣的含水率為 15%，余漿的含固量為 67%。試驗配合比如表 2所示。

表2 爐渣輕質(zhì)混凝土配合比

2.2 試驗結(jié)果與分析

混凝土的力學性能是混凝土的基礎。本文以水泥和粉煤灰為膠凝材料，爐渣做骨料配制輕質(zhì)混凝土為對比樣，通過試驗和理論分析來研究利用管樁余漿和爐渣配制輕質(zhì)混凝土的可行性，同時研究了不同養(yǎng)護制度對余漿爐渣混凝土的影響。爐渣輕質(zhì)混凝土的抗壓強度試驗結(jié)果如表 3 所示。

表3 爐渣輕質(zhì)混凝土抗壓強度

2.2.1 膠凝材料用量對爐渣輕質(zhì)混凝土抗壓強度的影響

由于爐渣輕質(zhì)多孔，且抗壓強度低，用爐渣做骨料配制輕質(zhì)混凝土，爐渣成為影響輕質(zhì)混凝土強度發(fā)展的最關(guān)鍵因素。圖 1 給出了不同膠凝材料摻量下，不同養(yǎng)護條件下的輕質(zhì)混凝土抗壓強度對比圖。

圖1 不同膠凝材料及不同養(yǎng)護制度對輕質(zhì)混凝土強度的影響圖

由圖 1 可知，配合比中水泥用量由 300kg/m3提高到350kg/m3之后，爐渣輕質(zhì)混凝土標養(yǎng)條件下的抗壓強度提高了 12.5%。配合比 A3～A5 粉煤灰取代部分水泥配制爐渣輕質(zhì)混凝土，隨著取代量的增大，標養(yǎng)條件下輕質(zhì)混凝土 28d 抗壓強度有所下降，取代 30% 時強度下降 12.6%，這一趨勢跟普通混凝土相似。

同時由圖 1 可知，80℃ 蒸汽養(yǎng)護 6h 爐渣輕質(zhì)混凝土 28d抗壓強度相較于標養(yǎng)條件略有增長，80℃蒸汽養(yǎng)護 10h 時，爐渣輕質(zhì)混凝土 28d 抗壓強度隨著粉煤灰取代量的增加而增大，當粉煤灰取代 30% 時，28d 強度增長 21.1%。爐渣輕質(zhì)混凝土 80℃ 蒸養(yǎng) 6h 之后放入蒸壓釜中蒸壓養(yǎng)護（1.0MPa，180～200℃）12h，其抗壓強度相較于標準養(yǎng)護可增長 25%左右，相較于蒸汽養(yǎng)護 10h 也有顯著增長。其主要原因為爐渣中含有部分潛在活性的 SiO2、Al2O3，水泥水化后產(chǎn)生C-S-H 凝膠和 Ca(OH)2，在蒸壓養(yǎng)護的高溫高壓環(huán)境下，爐渣中的硅酸鹽結(jié)構(gòu)和鋁酸鹽結(jié)構(gòu)被破壞，活性 SiO2、Al2O3溶出與Ca(OH)2反應，生成水化產(chǎn)物增加輕質(zhì)混凝土的密實度[6]。此時爐渣不僅作為輕質(zhì)骨料，還參與水化反應，水化產(chǎn)物填充了爐渣的空隙，增強膠凝材料和骨料之間的界面連接強度，宏觀表現(xiàn)為增加爐渣輕質(zhì)混凝土的抗壓強度。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計應用SPSS21.0進行統(tǒng)計分析，計量資料用（± s）表示，組間比較采用t檢驗，計數(shù)資料用n（%）表示，組間比較采用χ2檢驗，P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

2.2.2 表觀密度對余漿爐渣輕質(zhì)混凝土抗壓強度的影響

B 系列采用體積法設計配合比，通過調(diào)整管樁余漿的用量來得到不同容重的輕質(zhì)混凝土，不同養(yǎng)護制度下不同容重的余漿爐渣輕質(zhì)混凝土抗壓強度曲線見圖 2。

圖2 表觀密度對余漿爐渣輕質(zhì)混凝土抗壓強度影響曲線圖

由抗壓曲線圖可以看出，表觀密度對輕質(zhì)混凝土的影響非常明顯，標準養(yǎng)護條件下表觀密度由 1650kg/m3增加到1800kg/m3時，抗壓強度增加了 40%。通過觀察抗壓曲線圖的斜率可知，在其他養(yǎng)護條件下表觀密度對抗壓強度的影響也有相似的規(guī)律。爐渣輕質(zhì)多孔，管樁余漿含有水泥和細粉料，用余漿和爐渣配制輕質(zhì)混凝土時，余漿填充在爐渣的空隙結(jié)構(gòu)當中，當余漿用量少時，輕質(zhì)混凝土的抗壓強度主要由爐渣自身強度提供，同時由于余漿填充在爐渣的孔結(jié)構(gòu)和表面增強了爐渣的抗壓強度。余漿爐渣輕質(zhì)混凝土的表觀密度達到 1650kg/m3時，從輕質(zhì)混凝土試塊的破壞表面（見圖3）可以看到，余漿將爐渣全部包圍形成一個整體，只在試塊的中間部分有少量的大孔存在，此時余漿爐渣輕質(zhì)混凝土的抗壓強度由爐渣和水泥的水化產(chǎn)物提供。當余漿爐渣輕質(zhì)混凝土的表觀密度達到 1800kg/m3時，余漿將爐渣充分包裹，爐渣的孔已經(jīng)全部被余漿填充，水泥水化產(chǎn)物將余漿中的細粉料和爐渣膠結(jié)在一起使結(jié)構(gòu)更加密實，大大增加余漿爐渣輕質(zhì)混凝土的抗壓強度。

余漿含固量在 67%，主要由管樁離心過程中甩出來的水泥和砂粉組成，其主要化學成分為 SiO2、Al2O3、CaO 和Fe2O3等，爐渣也含有少量的活性 SiO2、Al2O3。在高溫、高壓和高濕度的蒸壓養(yǎng)護條件下，水泥發(fā)生水化反應，產(chǎn)生C-S-H 凝膠和 Ca(OH)2，Ca(OH)2在高溫下快速將砂粉和爐渣中的玻璃相結(jié)構(gòu)分解，使活性 SiO2、Al2O3溶出并參與反應，生成 C-S-H 凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)填充在輕質(zhì)混凝土的空隙當中，使輕質(zhì)混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實，宏觀表現(xiàn)為抗壓強度增大，這一點可從圖 2 中明顯看出。

圖3 余漿爐渣輕質(zhì)混凝土試塊破壞圖片

2.2.3 余漿含固量和成分對余漿爐渣輕質(zhì)混凝土抗壓強度的影響

管樁余漿由離心過程中甩出的水泥漿、砂粉、水和外加劑組成，余漿的含固量和成分隨原材料、配合比、離心工藝等的變化在一定范圍內(nèi)變化。配制余漿爐渣輕質(zhì)混凝土需要特定的配合比，當余漿的含固量和成分發(fā)生變化時，可通過調(diào)整膠凝材料或者砂的含量來控制余漿爐渣輕質(zhì)混凝土的質(zhì)量。圖 3 給出了余漿含固量和成分變化對余漿爐渣輕質(zhì)混凝土抗壓強度的變化圖。

圖4 余漿含固量和成分對余漿爐渣輕質(zhì)混凝土抗壓強度影響圖

3 結(jié)論

本文重點研究了不同膠凝材料用量、余漿用量、表觀密度、余漿的含固量和成分對余漿爐渣輕質(zhì)混凝土抗壓強度的影響，由試驗結(jié)果分析可得出如下結(jié)論：

（1）采用爐渣做輕骨料水泥做膠凝材料配制混凝土時，水泥用量 350 kg/m3時配制的爐渣輕質(zhì)混凝土，其抗壓強度在標準養(yǎng)護條件下 28d 可達到 20.6MPa，完全滿足混凝土 C15的強度等級要求。用粉煤灰部分取代水泥配制爐渣輕質(zhì)混凝土標準養(yǎng)護 28d 抗壓強度會有所下降。80℃蒸汽養(yǎng)護爐渣輕質(zhì)混凝土對其早期強度有較大提高，但 28d 強度會有所倒縮。蒸壓養(yǎng)護（200℃、1.0MPa）可明顯提高爐渣輕質(zhì)混凝土的抗壓強度。

（2）不摻加其他材料全部利用管樁余漿和燃煤爐渣配制輕質(zhì)混凝土是完全可行的，采用體積法控制輕質(zhì)混凝土的表觀密度在 1800kg/m3，試塊標準養(yǎng)護 28d 的抗壓強度可達到18.9MPa。當管樁余漿的含固量和成份發(fā)生變化時，可以通過添加水泥、粉煤灰、砂調(diào)整配合比來控制余漿爐渣輕質(zhì)混凝土的質(zhì)量。

管樁余漿為管樁生產(chǎn)過程中排放的廢液，燃煤爐渣為管樁蒸壓養(yǎng)護過程中燃煤鍋爐排放的固體廢渣，利用管樁余漿和燃煤爐渣配制輕質(zhì)混凝土，將管樁生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢液和廢渣 100% 利用，達到了節(jié)能減排、變廢為寶的目的，為我國的綠色發(fā)展之路添磚加瓦。

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