疏浚土免燒裹殼骨料在混凝土中的應(yīng)用

李 娜，薛凱茹，羅 敏，吳 燕

(天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院，天津 300457)

0 引 言

近年來，隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，混凝土建筑正如雨后春筍般拔地而起。碎石骨料作為混凝土的必備材料，其用量也在逐年增長(zhǎng)。相關(guān)報(bào)道顯示，僅2017年全國(guó)建材行業(yè)碎石骨料用量高達(dá)184.4億t。針對(duì)碎石骨料用量大及其開采所造成的生態(tài)環(huán)境破壞現(xiàn)象，已有大量學(xué)者研究采用固體廢棄物代替碎石應(yīng)用到混凝土中，在減少碎石用量的同時(shí)達(dá)到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的[1]。

Mithun等[2]以銅渣(CS)代替河砂作為細(xì)骨料制備堿礦渣混凝土，其性能與普通硅酸鹽水泥混凝土性能相當(dāng)。Bravo[3]、肖倍[4]、呂洪淼[5]、何啟東[6]等研究發(fā)現(xiàn)再生骨料混凝土的力學(xué)性能低于普通混凝土的力學(xué)性能。劉慶東等[7]通過裹漿、改性得到的強(qiáng)化再生骨料混凝土砌塊滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。周州等[8]以燒結(jié)粉煤灰陶粒作為粗骨料，粉煤灰(超細(xì)粉煤灰與一級(jí)粉煤灰1∶1)總摻量為40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，制得LC50輕質(zhì)高強(qiáng)輕骨料混凝土。李博[9]研究了高強(qiáng)度陶粒混凝土在水、Na2SO4溶液和NaCl溶液中的凍融循環(huán)耐久性能，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度陶粒混凝土在Na2SO4和NaCl溶液中的抗凍性能較普通混凝土更優(yōu)異。從目前已取得的研究成果可知，再生骨料混凝土和陶粒輕質(zhì)混凝土都具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

目前，每年清淤工程得到的疏浚底泥高達(dá)數(shù)十億噸，底泥脫水耗時(shí)長(zhǎng)，長(zhǎng)期大量的堆積會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，因此疏浚底泥高效資源化利用是亟待解決的問題[10-11]。本課題組[12-16]前期已對(duì)疏浚底泥制備的免燒裹殼骨料(WSLAs)進(jìn)行了深入研究，制備出的免燒裹殼骨料單顆強(qiáng)度達(dá)到2.78 MPa，筒壓強(qiáng)度為7.90 MPa，達(dá)到了GB/T 17431.1—2010《輕集料及其試驗(yàn)方法第1部分：輕集料》的要求。

為了進(jìn)一步拓展疏浚土的應(yīng)用途徑，研究以WSLAs作為粗骨料代替碎石骨料(CSAs)制備混凝土試件，并采用正交法探討了水灰比、砂率、骨料體積分?jǐn)?shù)、骨料級(jí)配、WSLAS取代率對(duì)混凝土試件抗壓強(qiáng)度和耐久性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的疏浚土(含水率小于10%)是來自太湖的疏浚底泥(含水率 40%)經(jīng)脫水、干燥處理后得到。根據(jù)GB/T 6900—2016《鋁硅系耐火材料化學(xué)分析方法》和GB/T 21114—2007《耐火材料X射線熒光光譜化學(xué)分析熔鑄玻璃片法》對(duì)疏浚土的化學(xué)成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)中所用到的水泥均為工業(yè)級(jí)硅酸鹽水泥(42.5級(jí))，WSLAs和CSAs的基本性能如表2所示，其中WSLAs為自制骨料，CSAs為市售碎石骨料。圖1是試驗(yàn)中所用到粗、細(xì)骨料的級(jí)配分布，其中細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)為2.5(中砂)，圖1(a)為中砂的級(jí)配滿足混凝土使用要求，由圖1(b)可知粗骨料均采用連續(xù)級(jí)配，包含5～10 mm、5～16 mm、5～20 mm、5～25 mm四種級(jí)配。

表1 太湖疏浚土的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of Tai Lake dredged soil

表2 骨料的性能Table 2 Performance of aggregates

1.2 試件制備

圖1 骨料粒徑分布圖Fig.1 Size distribution of aggregates

混凝土試件制備工藝流程如圖2所示。先將濕底泥與膠凝材料混合，經(jīng)14 d陳化后粉碎得到活化泥粉(粒徑小于1 mm)，再經(jīng)造粒機(jī)制得免燒骨料，最后進(jìn)行裹殼處理，制得裹殼骨料，經(jīng)7 d養(yǎng)護(hù)，得到WSLAs[13]。然后，將WSLAs、CSAs、水泥、中砂按比例攪拌混合，并在攪拌過程中加水拌和，拌合時(shí)間為30 s。采用澆筑、人工插搗的方法分兩層將拌合物澆筑于100 mm×100 mm×100 mm的模具中，為使插棒留下孔洞消失，插搗結(jié)束后用橡皮錘輕敲試模四周，試件成型后，覆膜靜置24 h，脫模、噴水養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行混凝土各項(xiàng)性能測(cè)試。

圖2 混凝土試件制備工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of concrete specimen preparation

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 抗壓強(qiáng)度

將試件安放在GNT600Y試驗(yàn)機(jī)的下壓板上，試件的承壓面以及中心與下壓板對(duì)準(zhǔn)并使其接觸均衡，開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，在實(shí)驗(yàn)過程中以0.4 MPa/s的速率進(jìn)行加載，當(dāng)試件接近破壞開始急劇變形時(shí)，停止調(diào)整試驗(yàn)機(jī)油門，直至破壞，然后記錄破壞荷載。試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算及確定按式(1)進(jìn)行：

(1)

式中：fcc為混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度，MPa；F為試件破壞荷載，N；A為試件承壓面積，m2。

1.3.2 抗凍性

依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》對(duì)混凝土的抗凍性進(jìn)行性能測(cè)試，經(jīng)過25次凍融循環(huán)后測(cè)其抗壓強(qiáng)度，得出抗壓強(qiáng)度損失率進(jìn)而確定抗凍性能，25次抗凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率應(yīng)按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：Δfc為試件經(jīng)25次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度損失率,%(精確至0.1)；fcc為初始試件的抗壓強(qiáng)度,MPa；fc25為經(jīng)25次凍融循環(huán)后的試件抗壓強(qiáng)度測(cè)定值,MPa。

1.3.3 抗硫酸鹽侵蝕性

依據(jù)GB/T 50082—2009 《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》對(duì)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性進(jìn)行性能測(cè)試，對(duì)25次干濕循環(huán)的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，得出抗壓強(qiáng)度損失率進(jìn)而確定抗硫酸鹽侵蝕性，計(jì)算方法同凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度損失率的計(jì)算方法。

1.4 表征方法

采用BK-POL型偏光顯微鏡對(duì)WSLAs、CSAs表面的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，采用LEO1530VP型掃描電子顯微鏡對(duì)WSLAS、CSAS的界面過渡區(qū)(ITZ)微觀形貌進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

依據(jù)C20混凝土的配合比設(shè)計(jì)，采用正交試驗(yàn)探究對(duì)混凝土性能影響較大的水灰比A、砂率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))B、骨料體積分?jǐn)?shù)C、級(jí)配D、WSLAs取代率E等因素，選擇五因素四水平的正交表L16(45)，相應(yīng)的因素和水平如表3所示。并對(duì)混凝土試件抗壓強(qiáng)度，經(jīng)凍融循環(huán)、硫酸鹽侵蝕后試件抗壓強(qiáng)度進(jìn)行表征分析，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 正交試驗(yàn)因素水平表Table 3 Orthogonal test factor level table

表4 正交試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 4 Results of orthogonal experiment

2.1.1 WSLAs取代率和工藝配合比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

以混凝土試件的抗壓強(qiáng)度為考察指標(biāo)進(jìn)行極差分析和方差分析，研究WSLAs取代率和工藝配合比對(duì)考察指標(biāo)的影響，找出最優(yōu)方案。極差分析如表5所示，方差分析如表6所示。

表5 抗壓強(qiáng)度的極差分析Table 5 Range analysis of compressive strength

表6 抗壓強(qiáng)度的方差分析Table 6 Variance analysis of compressive strength

表5中K1、K2、K3、K4、K5代表各水平考察指標(biāo)的總和，各因素對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響程度的極差順序?yàn)椋篟E>RA=RC>RB>RD。最優(yōu)方案為：水灰比0.45、砂率35%、骨料體積分?jǐn)?shù)0.37、級(jí)配5～10 mm、WSLAs取代率0%。隨著WSLAs取代率的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨之下降。從表6中可以看出，WSLAs取代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響最為顯著，工藝配合比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響都不顯著。

2.1.2 WSLAs取代率和工藝配合比對(duì)混凝土凍融循環(huán)、硫酸鹽侵蝕后抗壓強(qiáng)度的影響

以混凝土經(jīng)凍融循環(huán)、硫酸鹽侵蝕后抗壓強(qiáng)度損失率為考察指標(biāo)進(jìn)行極差分析和方差分析，研究WSLAs取代率和工藝配合比對(duì)混凝土凍融循環(huán)、硫酸鹽侵蝕抗壓強(qiáng)度的影響，并找出相應(yīng)的最佳水平。極差分析如表7所示，方差分析如表8、表9所示。

表7 凍融循環(huán)、硫酸鹽侵蝕后抗壓強(qiáng)度損失率的極差分析

表8 凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度損失率的方差分析

表9 硫酸鹽浸蝕后抗壓強(qiáng)度損失率的方差分析

混凝土經(jīng)凍融循環(huán)、硫酸鹽侵蝕后抗壓強(qiáng)度損失率越小越好。由表7得知，各因素對(duì)混凝土凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度的影響程度順序?yàn)? WSLAs取代率<骨料級(jí)配<砂率<骨料體積<水灰比；各因素對(duì)混凝土硫酸鹽侵蝕后抗壓強(qiáng)度的影響程度順序?yàn)? WSLAs取代率<水灰比<骨料級(jí)配<骨料體積<砂率。制備經(jīng)凍融循環(huán)、硫酸鹽侵蝕后混凝土抗壓強(qiáng)度損失率最小的最優(yōu)方案為：水灰比0.50、砂率31%、骨料體積分?jǐn)?shù)0.41、骨料級(jí)配5～25 mm、WSLAs取代率100%。

從表8 和表9 中可以看出，對(duì)混凝土經(jīng)凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度有顯著影響的因素有水灰比、砂率、骨料體積，對(duì)混凝土經(jīng)硫酸鹽侵蝕后抗壓強(qiáng)度有顯著影響因素有砂率、骨料體積，而WSLAs取代率對(duì)混凝土經(jīng)凍融循環(huán)、硫酸鹽侵蝕后抗壓強(qiáng)度均沒有顯著影響。

2.1.3 結(jié)果分析

混凝土的抗壓強(qiáng)度、耐久性能是其應(yīng)用的重要性能，而混凝土經(jīng)凍融循環(huán)[17-18]、硫酸鹽侵蝕后抗壓強(qiáng)度的損失率是考察混凝土耐久性能的指標(biāo)[19]。由上述分析可知，WSLAs取代率對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響顯著，而水灰比、砂率、骨料體積、骨料級(jí)配對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度沒有顯著影響。水灰比、砂率、骨料體積、骨料級(jí)配、WSLAs取代率對(duì)經(jīng)混凝土經(jīng)凍融循環(huán)、硫酸鹽侵蝕后抗壓強(qiáng)度影響最小的最佳水平一致，均為A2B1C3D4E4，其中WSLAs取代率不僅對(duì)混凝土的耐久性能沒有顯著影響，而且對(duì)混凝土的耐久性能影響最小。雖然隨著WSLAs取代率的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著降低，但是當(dāng)WSLAs取代率100%，水灰比0.50、砂率31%、骨料體積分?jǐn)?shù)0.41、骨料級(jí)配5～25 mm時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度為20.7 MPa(見表10)，滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)C20的標(biāo)準(zhǔn)(測(cè)試結(jié)果如表10所示)，可用于梁、板、柱、樓梯、屋架等普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。且混凝土經(jīng)抗凍融循環(huán)、硫酸鹽侵蝕后強(qiáng)度損失率分別為8.31%、9.28%(見表10)，符合D25(<25%)、KS15(<25%)等級(jí)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

表10 最優(yōu)方案制備混凝土性能測(cè)試結(jié)果Table 10 Test results of the properties of concrete prepared by the optimal scheme

2.2 機(jī)理分析

圖3為WSLAs、CSAs混凝土試件的斷面圖。從圖3可以看出骨料約占混凝土試件總體積的60～70%，WSLAs與CSAs一樣在試件中分布均勻，彼此間基本沒有粘連或團(tuán)聚的現(xiàn)象。影響混凝土力學(xué)性能、耐久性能的因素主要有骨料、水泥基和界面過渡區(qū)(ITZ)[20-21]。在強(qiáng)度等級(jí)較低的普通混凝土中，混凝土的破壞取決于混凝土中骨料與水泥基界面過渡區(qū)的性能。ITZ與水泥漿體發(fā)生的水化反應(yīng)一致，但水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能不同。這是因?yàn)楣橇显谂c水泥漿拌和時(shí)，骨料表面附有一層水膜，使得ITZ水泥漿水灰比高，水化反應(yīng)產(chǎn)物的密度低，孔隙率較高。由圖3可知，WSLAs、CSAs與水泥基間ITZ的結(jié)構(gòu)疏松，孔洞發(fā)達(dá)，孔徑較大，且有粗大的AFt、CH晶體富集，其中CSAs混凝土ITZ的孔隙較WSLAs混凝土ITZ的孔隙大，反之，密度較小[22]。

圖3 骨料與水泥基的微觀形貌圖Fig.3 Microstructures of aggregate and cement

圖4 骨料表面微觀形貌圖Fig.4 Microstructure of aggregate surface

ITZ反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)與骨料的性能有很大的關(guān)系[23]。圖4是WSLAs、CSAs兩種骨料表面微觀形貌圖，骨料表面的孔隙越多，骨料的吸水率越高。由圖4可知WSLAs表面孔隙明顯較CSAs表面孔隙多，且表面較粗糙。WSLAs、CSAs的吸水率分別為5.1%、1.2%(見表2)。因?yàn)閃SLAs具有較高的吸水率，其與水泥漿拌和時(shí)吸收部分水分，在WSLAs表面不會(huì)形成水膜，一定程度上降低了ITZ的水灰比，消除了類似于CSAs與水泥漿拌和造成的水穴，且隨著水泥水化過程的進(jìn)行，WSLAs內(nèi)部所吸收的水分釋放，促使水化過程進(jìn)一步完成并填充孔隙，提高水化產(chǎn)物分布的均勻性及其界面的密實(shí)度，增大了WSLAs與水泥基的粘結(jié)力，進(jìn)而提高WSLAs混凝土的界面性能。另一方面，WSLAs因表面比CSAs表面粗糙，比表面積較大，且WSLAs殼層與水泥基體成分一致，均為水泥水化過程的產(chǎn)物，因此WSLAs與水泥砂漿的粘結(jié)力強(qiáng)，不易產(chǎn)生界面裂縫。

3 結(jié) 論

(1)采用疏浚土制備免燒裹殼骨料(WSLAs)，以WSLAs替代碎石骨料(CSAs)與水泥漿拌和制備混凝土，不僅提高了疏浚土的利用率，而且也為疏浚土的綜合利用提供了一條新途徑。

(2)通過正交試驗(yàn)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)各因素對(duì)于試件抗壓強(qiáng)度的影響大小為：WSLAs取代率>水灰比=骨料體積分?jǐn)?shù)>砂率>骨料級(jí)配；對(duì)于試件凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度的影響大小為：水灰比>骨料體積>砂率>骨料級(jí)配>WSLAs取代率；對(duì)于試件硫酸鹽侵蝕抗壓強(qiáng)度的影響大小為：砂率>骨料體積>骨料級(jí)配>骨料體積>WSLAs取代率。

(3)當(dāng)WSLAs的取代率為100%時(shí)，水灰比0.50，砂率31%，骨料體積分?jǐn)?shù)0.41，骨料級(jí)配為5～25 mm連續(xù)級(jí)配時(shí)，制備的混凝土具有較高性能。WSLAS抗壓強(qiáng)度為20.7 MPa，滿足C20級(jí)混凝土的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，且WSLAS經(jīng)25次凍融循環(huán)、25 d硫酸鹽侵蝕的抗壓強(qiáng)度損失率分別為8.31%、9.28%，符合D25(<25%)、KS15(<25%)等級(jí)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

(4)WSLAs能夠代替CSAs制備低強(qiáng)度混凝土，主要因?yàn)閃SLAs的“吸放水”特性，不僅能提高水化產(chǎn)物分布的均勻性及其界面密實(shí)度，還增大了WSLAs與水泥石的結(jié)合力，從而達(dá)到了提升混凝土抗壓強(qiáng)度和耐久性能的目的。