混凝土廢漿粉摻量對砂漿強度及水化性能影響研究

陳 磊,張金團*,黃東陽,羅元銘,趙 虎

(1.桂林理工大學土木與建筑工程學院,廣西 桂林 541004;2.賀州學院建筑與電氣工程學院,廣西 賀州 542800;3.北京住總第二開發建設有限公司,北京 100080)

隨著我國經濟的快速發展及城鎮化建設的不斷加快,公路、橋梁、房屋等建筑項目不斷增多,混凝土的需求量激增,生產效率高、質量高、快捷方便的商用混凝土攪拌站(廠)應運而生。2021年末,我國年生產混凝土33萬m3[1]。如果遇到生產或運輸問題導致混凝土不符合施工規范,商用混凝土會做返廠處理,返廠的混凝土在進入回收處理系統進行再生利用的過程中會產生大量混凝土廢漿(concrete waste slurry powder,CWSP),廢漿呈現強堿性[2-3]。由于攪拌站缺乏配套處理技術,導致廢漿無法妥善處理,如果將其利用起來,既可以增加效益,又可以減少對環境的污染,保護環境。

許多學者對混凝土廢漿的利用進行了研究。張云藝[4]將混凝土廢漿粉加入混凝土中,發現廢漿粉短期內會提高混凝土抗壓強度。胡立志[5]以攪拌站廢渣為主,設計開發了適用于混凝土的復合摻料,提升混凝土的體積穩定性。但波等[6]用攪拌站混凝土污水沉淀物代替部分粉煤灰加入混凝土中,發現沉淀物可以起到良好的填充作用。陳軍亮等[7]研究了不同濃度的廢泥漿水對混凝土力學性能的影響,發現隨泥漿濃度增長,混凝土抗壓強度呈先增大后減小的趨勢。還有部分學者[8-11]研究了攪拌站廢水、廢漿、細骨料等對混凝土耐久性能的影響,發現廢水、廢漿可以提升混凝土的耐久性能。本文在前人研究的基礎上,研究混凝土廢漿粉摻量對砂漿抗壓強度、凝結時間以及水泥水化性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

1)水泥:采用富川華潤P.O42.5R普通硅酸鹽水泥,主要性能指標見表1,主要成分見表2。

表1 水泥的主要性能指標

表2 水泥主要成分的質量分數 單位:%

2)砂:采用廣西賀州廣廈石場生產的機制砂。

3)水:為試驗室用自來水。

4)CSWP:混凝土廢漿塊取自廣西賀州廣廈環?？萍加邢薰?。將漿塊在烘箱中用105 ℃烘干至恒重,然后通過研磨機研磨,最后通過篩網篩分得到試驗樣品,樣品主要成分見表3。

表3 混凝土廢漿粉主要成分的質量分數 單位:%

1.2 試驗方案

本試驗設置了5組不同摻量的CSWP,按水泥質量的0～20%直接加入水泥中制作水泥砂漿,其中摻量為0的為對照組。

1.3 試驗步驟

首先按照表4制備砂漿,將攪拌后的砂漿分別倒入標準試模中,振動密實。24 h后拆模,在標準條件下養護1 d、3 d、7 d、28 d。按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準:JGJ/T 70—2009》中規定的方法測試砂漿抗壓強度與凝結時間。選取指定齡期與摻量的試塊樣品,用無水乙醇終止試樣水化,進行微觀試驗。用瑪瑙研磨后過0.08 mm篩網,使用日本理學株式會社的Rigaku Ultima X射線衍射儀測試水化產物X射線衍射圖譜,對水泥的水化產物進行物相分析,掃描方式為2θ,掃描范圍為10°～60°;使用德國耐馳公司的STA449-F5型同步熱分析儀測試水化產物TG-DSC曲線,測試范圍為30～1 000 ℃,升溫速率為10 ℃·min-1;使用日本電子株式會社的JSM-7610F型掃描電子顯微鏡,觀察微觀形貌。

表4 水泥砂漿配合比 單位:g

2 結果與分析

2.1 抗壓強度

CSWP摻量對各齡期水泥砂漿抗壓強度的影響如圖1所示。由圖1可以看出,水泥砂漿1 d、3 d齡期的抗壓強度隨CSWP摻量增加呈現減小趨勢。當摻量為0時,砂漿1 d、3 d齡期抗壓強度為11.15 MPa、11.81 MPa;摻量為20%時,砂漿1 d、3 d齡期抗壓強度為8.87 MPa、9.21 MPa;CSWP摻量每增加5%,砂漿1 d、3 d抗壓強度平均降低5.1%、5.5%。隨養護時間增加,砂漿7 d、28 d齡期抗壓強度隨CSWP增加大致呈先增加后減小趨勢,且都在摻量為5%時達到最大,與對照組相比分別提升了10%、2%。養護齡期為7 d且CSWP摻量在5%～20%時,砂漿抗壓強度均高于對照組,由此可見,CSWP的摻入可以增加水泥砂漿的前期強度。

圖1 CSWP摻量對砂漿抗壓強度的影響

2.2 凝結時間

CSWP摻量對砂漿凝結時間的影響如圖2所示。由圖2可以看出,與對照組相比,CSWP的加入降低了砂漿的凝結時間,且摻量越大,降低越明顯。當CSWP摻量為20%時,試樣的凝結時間最短,為329 min。這表明CSWP具有一定的促凝效果,它的加入提高了水泥水化反應速率,加快了C-S-H(水化硅酸鈣)的生成,降低了砂漿的凝結時間。

圖2 CSWP摻量對砂漿凝結時間的影響

2.3 XRD試驗

圖3給出了CSWP摻量為0和5%的砂漿試塊養護7 d、28 d水化產物的XRD圖譜。通過Jade6軟件進行物相分析并對比各水化樣特征峰可知,摻入CSWP后,水化產物中并沒有新物質生成,仍以Ca(OH)2(簡稱CH)、CaCO3以及未完全水化的Ca3SiO5(簡稱C3S)等物質為主。由圖3(a)可以看出,摻入CSWP 7 d后,水化產物中CH衍射峰增強,C3S衍射峰減弱,這主要是因為CSWP的加入使體系中未完全水化的C3S水化生成C-S-H凝膠以及CH,提高了CH的生成速率,與此同時,生成的C-S-H凝膠使砂漿更加密實,提高了砂漿前期強度。但通過峰強度對比來看,CSWP對水泥水化速率的促進較為緩慢。由圖3(b)可知,水化28 d后,5%試樣的CH衍射峰強度與對照組試樣相當,這是因為隨著養護時間的增加,雖然CSWP可以促進水泥水化,生成更多的CH晶體,但CSWP中所含的SiO2等活性物質發生火山灰效應[12],消耗了CH,二者共同作用,使5%試樣與對照組試樣在XRD圖譜中表現出相近的CH衍射強度。

(a)7 d

(b)28 d

2.4 TG-DSC分析

CSWP摻量為0和5%的砂漿試塊養護7 d、28 d水化產物的TG-DSC曲線如圖4所示。TG-DSC試驗可以進一步確定水泥漿體水化產物及其相對含量。從圖4可以看出,水化產物的吸熱峰有3個,分別是100～200 ℃的結合水吸熱峰、450～500 ℃的CH吸熱峰和650～850 ℃的CaCO3吸熱峰。水化產物鈣礬石(AFt)以及C-S-H凝膠中含有部分結合水,與其他產物的失水峰相互重合,難以分清,無法作為定量依據。CH作為水泥主要水化產物之一,含量的高低可以代表水泥水化的快慢程度。圖中CH吸熱峰明顯,可以通過CH的含量來表明水化速度。

(a)7 d

(b)28 d

試驗曲線失重段主要有兩個,一個是CH在450 ℃分解失重,一個是CaCO3在780 ℃分解失重,主要反應式分別為:

張廷雷[13]研究發現,CH的含量可以用質量損失率以及方程式中各種物質的摩爾質量計算得出,其公式為:

式中,WCa(OH)2為Ca(OH)2的相對含量;MCa(OH)2和MH2O為對應物質的摩爾質量,w1為450 ℃時剩余物質百分比,w2為500 ℃時剩余物質百分比,具體如表5所示。

表5 各試樣對應的w1和w2值 單位:%

根據TG-DSC試驗曲線,摻加CSWP的水泥漿體中的CH含量如圖5所示。由圖5可以看出,水化7 d時,CSWP摻量為5%試樣的CH含量較對照組提升了10%。引起CH含量上升的原因是CSWP的加入促進了水泥水化速率,加快了CH的生成,這與XRD試驗結果相符。水化28 d后CSWP摻量5%試件的CH含量相比于對照組變化不大,這是因為CSWP的加入雖然促進了CH的生成,但隨著養護時間的增加,CSWP中的SiO2、Al2O3等物質發生火山灰效應,消耗了CH,當生成量與消耗量相當時,就表現出了CH含量相近的現象。此時,5%試樣中C-S-H凝膠生成量也較多,故強度略高于對照組。

圖5 水泥漿體中Ca(OH)2含量的變化情況

2.5 SEM試驗

圖6給出了CSWP摻量為0和5%的試樣養護7 d、28 d水化產物的SEM照片。如圖6(a)所示,CSWP摻量為0的試樣水化產物中已經可以看到團絮狀的C-S-H凝膠以及棒針狀的鈣礬石,盡管水化產物之間已有部分鏈接,但孔隙較多,沒有形成穩定結構。從圖6(b)可以看出,CSWP的加入使砂漿體系中團簇狀水化產物較對照組增多,且孔隙明顯減少。這表明CSWP的加入,加速了水化產物之間的鏈接,提高了砂漿強度,這與砂漿前期強度變化情況一致。從圖7(c)和圖7(d)可以看出,隨著養護時間的增加,與7 d齡期相比,28 d齡期水化產物之間鏈接更為密切,形成整體。這主要是因為隨著齡期增加,水化產物增加,砂漿體系變得更加密實。

(a)摻量為0,7 d

(b)摻量為5%,7 d

(c)摻量為0,28 d

(d)摻量為5%,28 d

3 結 語

本文通過控制混凝土廢漿粉摻量來研究其對砂漿力學性能、凝結時間等的影響,并通過X射線衍射、TG-DSC試驗、掃描電鏡對砂漿水化產物進行微觀分析,得出如下結論:1)CSWP摻入后,會縮短砂漿的凝結時間。當摻量為5%～20%時,有利于砂漿7 d齡期抗壓強度;摻量為5%時,可以提高砂漿28 d齡期抗壓強度;各摻量均對砂漿早期(1 d、3 d)的抗壓強度不利。2)水化產物的XRD試驗與TG-DSC試驗證明CSWP加入后砂漿水化產物中并無新物質生成,CSWP的加入會促進水泥中未水化的C3S發生水化反應,生成C-S-H以及CH,使水化產物中CH的衍射峰增強,提高砂漿中CH的含量,C-S-H凝膠使得砂漿抗壓強度上升。后期隨著CSWP中SiO2等活性物質產生火山灰效應,消耗CH,導致試樣具有相當的CH衍射峰強度。3)通過SEM試驗可以看出,CSWP的加入,使砂漿中團簇狀水化產物增多,有利于砂漿強度的提升。

本文采用的方法為將混凝土廢漿粉直接摻入到砂漿中,研究其對砂漿性能的影響。如果將混凝土廢漿粉代替部分水泥加入砂漿中,對砂漿性能的影響如何需要進一步研究。與此同時,本文在研究時只選擇了混凝土廢漿粉這一種摻合料,與其他摻合料復摻的結果也有待進一步研究。