渣土對C50混凝土力學性能的影響

劉　春,王安輝,余　沛,榮　輝

(1.寧德師范學院建筑工程系,寧德　352000；2.商丘工學院土木工程學院，商丘　476000；3.天津城建大學材料科學與工程學院,天津　300384)

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渣土對C50混凝土力學性能的影響

劉春1,王安輝2,余沛2,榮輝3

(1.寧德師范學院建筑工程系,寧德352000；2.商丘工學院土木工程學院，商丘476000；3.天津城建大學材料科學與工程學院,天津300384)

針對地鐵盾構出來的渣土大量堆砌、利用率低、附加值低現(xiàn)狀，本文將渣土作為礦物摻合料，研究了渣土摻量(0、2.5%、5.0%、7.5%和10.0%)對C50混凝土工作性和力學性能的影響。結果表明：(1)C50混凝土初始坍落度和坍落度損失均隨著渣土摻量的增加而逐漸降低；(2)摻有不同渣土摻量的C50混凝土早期(3 d、7 d)抗壓強度均低于基準組抗壓強度，而28 d抗壓強度均高于基準組抗壓強度；渣土摻量對C50混凝土抗壓強度的影響存在最佳值，當渣土摻量為水泥摻量的7.5%時，發(fā)現(xiàn)其28d抗壓強度最高；(3)不同渣土摻量的C50混凝土28 d微觀結構表明，隨著渣土摻量的增加，C50混凝土微觀結構逐漸密實，孔隙逐漸減少。

渣土； 混凝土； 坍落度； 抗壓強度； 微觀結構

1　引　言

地鐵、輕軌等城市軌道交通在施工建設過程中不可避免地產(chǎn)生大量渣土，以建設南昌地鐵1號線為例，全長28.843公里，產(chǎn)生渣土約440萬方，可以填滿4個水立方[1]。大量的渣土在運輸過程中由于運輸車的管理不當，不僅會污染城市路面，影響路面景觀，而且渣土中的粉塵隨風進入空氣[2]，影響城市空氣質量。此外，處理這么多的渣土需要很多的空間，以往的消納點選擇在郊區(qū)，不僅破壞耕地，還對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成影響。當前，國內外渣土處理的主要方式是堆棄、填埋和作為道路路基填料[3-14]，上述處理方式不僅污染環(huán)境、占據(jù)大量土地，而且利用率和附加值低。因此，為進一步提高渣土綜合利用率和附加值，本文將渣土磨細，然后將其摻入混凝土中，以研究渣土應用于混凝土中的可行性，并探討不同摻量的渣土對混凝土力學性能的影響。

2　試　驗

2.1試驗原材料

水泥：天津振興水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5水泥，其化學組成見表1所示;

砂：河砂，細度模數(shù)2.9，堆積密度為1360 kg/m3，表觀密度2610 kg/m3;

石子：碎石，粒徑5～25 mm，堆積密度1450 kg/m3，表觀密度2690 kg/m3;

水：當?shù)刈詠硭?

外加劑：山東建筑科學研究院生產(chǎn)的聚羧酸外加劑，減水率35%，摻量0.7%;

渣土：天津地鐵某號線盾構產(chǎn)生的渣土，烘干后采用球磨機將其磨細30 min，磨細后比表面積為19000 m2/kg，平均粒徑為11 μm，干密度1810 kg/m3，其化學組成和礦物組成如表1和圖1所示。由表1可知，渣土中氧化物主要是氧化硅、氧化鋁和氧化鈣。另外，渣土的微觀形貌如圖2所示。

表1　水泥、渣土的主要化學成分

由圖1可知，渣土的礦物組成主要是石英、礬土和硅鋁酸鹽等礦物。

由圖2可知，渣土顆粒均呈現(xiàn)出不規(guī)則片狀形貌，顆粒尺寸不一。

圖1　渣土礦物組成Fig.1　Mineral composition of muck

圖2　渣土微觀形貌Fig.2　Microstructure of muck

2.2混凝土配合比設計

研究了渣土摻量(2.5%、5.0%、7.5%和10.0%)對C50混凝土工作性和抗壓強度的影響，其具體配合比如表2所示。

表2　摻有渣土的C50混凝土配比

2.3試驗方法

混凝土坍落度和抗壓強度試驗方法分別按《普通混凝土拌合物試驗方法標準》(GB/T 50080-2002)和《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)成型、制備和檢驗。

按照GB/T2847-2005《用于水泥中的火山灰質混合材料》規(guī)范中火山灰性試驗方法對磨細后渣土進行火山灰試驗。

采用日本JMS-7800F掃描電鏡對不同渣土摻量下的混凝土28 d微觀結構進行分析，以探明不同渣土摻量對混凝土力學性能影響機理。

3　結果與討論

3.1渣土火山灰活性

表3顯示的是磨細后的渣土火山灰性試驗結果。由表3可知，磨細后的渣土不具有火山灰活性。

表3　渣土火山灰性

3.2渣土對混凝土工作性的影響

不同渣土摻量對C50混凝土初始坍落度和0.5 h坍落度損失影響如圖3所示。由圖3可知，隨著渣土摻量的增加，混凝土初始坍落度逐漸降低，由基準的160 mm降低至60 mm(摻量5.0%)、35 mm(摻量7.5%)和28 mm(摻量10.0%)。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因一方面由于渣土比表面積遠遠大于水泥顆粒，進而造成等量替代水泥后，其吸水性遠遠高于水泥顆粒所致。另一方面可能是由于渣土對聚羧酸系減水劑中Polycarboxylates(PC)分子有強烈的吸附能力以及PC分子在渣土片層中間的插層作用，使PC分子大量的消耗于渣土，因而作用于水泥的PC分子變少，進而使得混凝土的坍落度降低[15]。

另外，由圖3還可以看出，渣土對混凝土的坍落度損失有重要的影響。當渣土摻量為2.5%時，混凝土的坍落度損失嚴重，由初始的160 mm損失到0.5 h后的95 mm，損失65 mm。而當渣土摻量增至5.0%以后， 0.5 h后的混凝土成為干硬性混凝土，坍落度完全損失。產(chǎn)生上述現(xiàn)象同樣是由于渣土吸水性強所致。

3.3渣土對混凝土力學性能的影響

不同渣土摻量對C50混凝土抗壓強度的影響如圖4所示。渣土的摻入會影響C50混凝土強度等級的早期強度，即其3 d、7 d的抗壓強度均低于基準組對應齡期強度，這是由于渣土的摻入，降低水泥用量所致。然而發(fā)現(xiàn)，渣土的摻入會改善C50混凝土的28 d抗壓強度。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有可能是由于其顆粒粒徑小于水泥顆粒，從而使其填充水泥顆粒之間的孔隙，提高水泥顆粒之間的級配和密實度，進而改善混凝土的后期微觀結構所致。

此外，由圖4還可以看出，隨著渣土摻量的增加，C50強度等級的混凝土的早齡期(3 d、7 d)抗壓強度呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，而28 d抗壓強度呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢。具體為：當渣土摻量分別為2.5%、5.0%、7.5%和10%時，與基準混凝土相比，其3 d抗壓強度分別降低了14.5%、22.5%、5.6%和11.6%；7 d抗壓強度分別降低了2.2%、16.5%、4.5%和5.3%。而當齡期為28 d時，發(fā)現(xiàn)不同渣土摻量的混凝土與基準混凝土相比，其28 d抗壓強度分別提高了7.4%、4.3%、15.7%和11.0%。這表明當渣土摻量為7.5%時對C50強度等級的混凝土早期抗壓強度降低較少，而改善后期強度最為明顯。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因有可能是由于處于此摻量的渣土可以較好平衡由于渣土的摻入而帶來的水泥用量減少造成的早期強度降低，同時又可以更好地發(fā)揮渣土的微集料填充效應，進而使得混凝土后期微觀結構發(fā)展密實、孔隙減少，抗壓強度增加。

圖3　渣土摻量對C50混凝土工作性的影響Fig.3　Influence of muck content on workability of concrete for C50

圖4　渣土摻量對C50混凝土抗壓強度的影響Fig.4　Influence of muck content on compressive strength of concrete for C50

為進一步解釋渣土對C50混凝土抗壓強度的影響，研究了不同渣土摻量下混凝土的28 d微觀結構，結果如圖5所示。

圖5　渣土摻量對C50混凝土微觀結構的影響(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

由圖5可知，當渣土摻量為0(基準組)時，混凝土微觀結構中孔隙較多，存在網(wǎng)絡狀的C-S-H，針狀AFt等物質。而當渣土摻量為2.5%時，發(fā)現(xiàn)混凝土微觀結構相比基準組，孔隙減少，針棒狀物質減少，這有可能是由于水泥用量減少而造成的AFt物質減少，同時由于渣土顆粒填充水泥顆?？障端?。當渣土摻量增加至7.5%時，發(fā)現(xiàn)其微觀結構(相比基準、摻量為2.5%、5.0%和10.0%)孔隙最少，結構最為密實。這有可能是由于此摻量下的渣土造成的水泥減少造成的水化產(chǎn)物減少與渣土的填充兩者作用所致。

4　結　論

通過對不同摻量的渣土對C50混凝土工作性和力學性能的影響研究，確定了渣土對C50混凝土工作性和力學性能的影響規(guī)律。通過上述研究，得出的主要結論如下。

(1)C50混凝土初始坍落度和坍落度損失隨著渣土摻量的增加而逐漸降低，在不改變用水量和外加劑用量前提下，向混凝土中加入的渣土摻量不宜超過10%；

(2)不同摻量的渣土對C50混凝土不同齡期下的抗壓強度影響不同。隨著渣土摻量(2.5%、5.0%、7.5%和10.0%)的增加，C50混凝土的早期抗壓強度(3 d、7 d)均低于基準組，其中渣土摻量為7.5%時，其對混凝土的早期強度(3 d、7 d)降低率最低，分別為基準組的5.6%和4.5%。然而，隨著渣土摻量(2.5%、5.0%、7.5%和10.0%)的增加，C50混凝土的28 d抗壓強度均高于基準組，其中渣土摻量為7.5%時，其對混凝土的強度提高率最高，為11.7%。

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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

劉春(1972-)，男，博士,副教授.主要從事巖土工程和混凝土材料方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)04-1322-05