利用管桩余浆和燃煤炉渣配制轻质混凝土的试验研究*

王培新

（中建海峡建设发展有限公司，福建 福州 350003）

0 前言

我国于 20 世纪 80 年代后期开始从国外引进预应力高强混凝土管桩（简称 PHC 管桩）生产线，当时年产量不足 50万方，发展到今天已经走过 30 年的历程，到了 2013 年我国的 PHC 管桩年产量已经达到 30000 万方，生产工艺也在不断改进。如今大部分管桩企业为了提高生产效率和模具周转率采用的生产工艺为：离心成型—蒸汽养护—压蒸养护。经研究每立方米混凝土离心后可产生 110～120kg 余浆[1]，蒸汽养护和压蒸养护过程中需要大量的蒸汽，在我国蒸汽主要依靠燃煤锅炉来提供，所以每年会产生大量的燃煤炉渣。

管桩余浆通过多年的研究和实践循环利用率已经达到80% 以上[1,2]，而燃煤炉渣的综合利用也有不少研究[3-5]，但将管桩余浆和燃煤炉渣结合在一起配制轻质混凝土鲜有报道。本文通过试验研究，利用管桩余浆和燃煤炉渣配制轻质混凝土是切实可行的，这为我国固体废弃物的综合处理提供新的方法，符合我国低碳环保的发展之路。

1 试验原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥：四川峨胜水泥集团生产 P·O42.5R 普通硅酸盐水泥。物理性能见表 1。

燃煤炉渣：四川某管桩公司燃煤锅炉排出的经水淬急冷而成的废渣，最大粒径 15mm，试验时筛取粒径在 10mm 以下的炉渣，堆积密度 820kg/m3，出炉含水率 15%～20%，粉磨之后烧失量 15.0%。

管桩余浆：四川某管桩公司生产过程中产生的余浆，含有水泥、细砂粉、外加剂和水，密度为 1600～1800kg/m3，含固量为 67%，0.08mm 筛余 5.4%。

粉煤灰：四川嘉阳粉煤灰，产地乐山市犍为县。细度：45μm 方孔筛筛余 22% ；需水量比 105% ；烧失量 3%。

外加剂：四川某外加剂公司生产奈系减水剂；固含量30%、砂浆减水率 21% ，与胶凝材料适应性良好。

碎石：四川乐山市水口镇 5～20mm 连续级配，紧密堆积密度 1550 kg/m3；表观密度 2700kg/m3；空隙率 43%；压碎值8%。

表1 水泥物理性能

机制砂：产地为四川乐山市水口镇，紧密堆积密度1760kg/m3；表观密度：2700kg/m3；空隙率 35% ；细度模数3.1。

河砂：产地为四川乐山市青衣江，紧密堆积密度为1620kg/m3，表观密度 2650kg/m3；空隙率：39%；含泥量0.8% ，细度模数 1.8。

1.2 试验方法

轻质混凝土成型时先将炉渣和砂子加入搅拌机中搅拌30s，再加入胶凝材料搅拌 60s，搅拌的同时加入水。将搅拌均匀的混凝土装入 150mm×150mm×150mm 的试模中，在混凝土振动台上振动 15s 至表面出浆，抹平表面放入标准养护室中养护 24h 脱模。由于炉渣密度比较小，作为骨料时应严格控制振动时间，避免过振造成炉渣上浮。脱模之后本试验采用三种养护制度来养护轻质混凝土：① 标准养护；② 脱模之后 80℃蒸汽养护 6h、10h；③ 80℃蒸养 6h 之后蒸压养护（1.0MPa，180～200℃）12h。试块养护到龄期后测轻质混凝土的抗压强度。

2 试验设计和结果

2.1 炉渣轻质混凝土的配合比设计

本试验用体积法进行配合比设计，经过试拌、调整和易性，使轻质混凝土的坍落度在 (50±5)mm，试验前测得炉渣的含水率为 15%，余浆的含固量为 67%。试验配合比如表 2所示。

表2 炉渣轻质混凝土配合比

2.2 试验结果与分析

混凝土的力学性能是混凝土的基础。本文以水泥和粉煤灰为胶凝材料，炉渣做骨料配制轻质混凝土为对比样，通过试验和理论分析来研究利用管桩余浆和炉渣配制轻质混凝土的可行性，同时研究了不同养护制度对余浆炉渣混凝土的影响。炉渣轻质混凝土的抗压强度试验结果如表 3 所示。

表3 炉渣轻质混凝土抗压强度

2.2.1 胶凝材料用量对炉渣轻质混凝土抗压强度的影响

由于炉渣轻质多孔，且抗压强度低，用炉渣做骨料配制轻质混凝土，炉渣成为影响轻质混凝土强度发展的最关键因素。图 1 给出了不同胶凝材料掺量下，不同养护条件下的轻质混凝土抗压强度对比图。

图1 不同胶凝材料及不同养护制度对轻质混凝土强度的影响图

由图 1 可知，配合比中水泥用量由 300kg/m3提高到350kg/m3之后，炉渣轻质混凝土标养条件下的抗压强度提高了 12.5%。配合比 A3～A5 粉煤灰取代部分水泥配制炉渣轻质混凝土，随着取代量的增大，标养条件下轻质混凝土 28d 抗压强度有所下降，取代 30% 时强度下降 12.6%，这一趋势跟普通混凝土相似。

同时由图 1 可知，80℃ 蒸汽养护 6h 炉渣轻质混凝土 28d抗压强度相较于标养条件略有增长，80℃蒸汽养护 10h 时，炉渣轻质混凝土 28d 抗压强度随着粉煤灰取代量的增加而增大，当粉煤灰取代 30% 时，28d 强度增长 21.1%。炉渣轻质混凝土 80℃ 蒸养 6h 之后放入蒸压釜中蒸压养护（1.0MPa，180～200℃）12h，其抗压强度相较于标准养护可增长 25%左右，相较于蒸汽养护 10h 也有显著增长。其主要原因为炉渣中含有部分潜在活性的 SiO2、Al2O3，水泥水化后产生C-S-H 凝胶和 Ca(OH)2，在蒸压养护的高温高压环境下，炉渣中的硅酸盐结构和铝酸盐结构被破坏，活性 SiO2、Al2O3溶出与Ca(OH)2反应，生成水化产物增加轻质混凝土的密实度[6]。此时炉渣不仅作为轻质骨料，还参与水化反应，水化产物填充了炉渣的空隙，增强胶凝材料和骨料之间的界面连接强度，宏观表现为增加炉渣轻质混凝土的抗压强度。

数据统计应用SPSS21.0进行统计分析，计量资料用（± s）表示，组间比较采用t检验，计数资料用n（%）表示，组间比较采用χ2检验，P＜0.05为差异具有统计学意义。

2.2.2 表观密度对余浆炉渣轻质混凝土抗压强度的影响

B 系列采用体积法设计配合比，通过调整管桩余浆的用量来得到不同容重的轻质混凝土，不同养护制度下不同容重的余浆炉渣轻质混凝土抗压强度曲线见图 2。

图2 表观密度对余浆炉渣轻质混凝土抗压强度影响曲线图

由抗压曲线图可以看出，表观密度对轻质混凝土的影响非常明显，标准养护条件下表观密度由 1650kg/m3增加到1800kg/m3时，抗压强度增加了 40%。通过观察抗压曲线图的斜率可知，在其他养护条件下表观密度对抗压强度的影响也有相似的规律。炉渣轻质多孔，管桩余浆含有水泥和细粉料，用余浆和炉渣配制轻质混凝土时，余浆填充在炉渣的空隙结构当中，当余浆用量少时，轻质混凝土的抗压强度主要由炉渣自身强度提供，同时由于余浆填充在炉渣的孔结构和表面增强了炉渣的抗压强度。余浆炉渣轻质混凝土的表观密度达到 1650kg/m3时，从轻质混凝土试块的破坏表面（见图3）可以看到，余浆将炉渣全部包围形成一个整体，只在试块的中间部分有少量的大孔存在，此时余浆炉渣轻质混凝土的抗压强度由炉渣和水泥的水化产物提供。当余浆炉渣轻质混凝土的表观密度达到 1800kg/m3时，余浆将炉渣充分包裹，炉渣的孔已经全部被余浆填充，水泥水化产物将余浆中的细粉料和炉渣胶结在一起使结构更加密实，大大增加余浆炉渣轻质混凝土的抗压强度。

余浆含固量在 67%，主要由管桩离心过程中甩出来的水泥和砂粉组成，其主要化学成分为 SiO2、Al2O3、CaO 和Fe2O3等，炉渣也含有少量的活性 SiO2、Al2O3。在高温、高压和高湿度的蒸压养护条件下，水泥发生水化反应，产生C-S-H 凝胶和 Ca(OH)2，Ca(OH)2在高温下快速将砂粉和炉渣中的玻璃相结构分解，使活性 SiO2、Al2O3溶出并参与反应，生成 C-S-H 凝胶网状结构填充在轻质混凝土的空隙当中，使轻质混凝土的内部结构更加密实，宏观表现为抗压强度增大，这一点可从图 2 中明显看出。

图3 余浆炉渣轻质混凝土试块破坏图片

2.2.3 余浆含固量和成分对余浆炉渣轻质混凝土抗压强度的影响

管桩余浆由离心过程中甩出的水泥浆、砂粉、水和外加剂组成，余浆的含固量和成分随原材料、配合比、离心工艺等的变化在一定范围内变化。配制余浆炉渣轻质混凝土需要特定的配合比，当余浆的含固量和成分发生变化时，可通过调整胶凝材料或者砂的含量来控制余浆炉渣轻质混凝土的质量。图 3 给出了余浆含固量和成分变化对余浆炉渣轻质混凝土抗压强度的变化图。

图4 余浆含固量和成分对余浆炉渣轻质混凝土抗压强度影响图

3 结论

本文重点研究了不同胶凝材料用量、余浆用量、表观密度、余浆的含固量和成分对余浆炉渣轻质混凝土抗压强度的影响，由试验结果分析可得出如下结论：

（1）采用炉渣做轻骨料水泥做胶凝材料配制混凝土时，水泥用量 350 kg/m3时配制的炉渣轻质混凝土，其抗压强度在标准养护条件下 28d 可达到 20.6MPa，完全满足混凝土 C15的强度等级要求。用粉煤灰部分取代水泥配制炉渣轻质混凝土标准养护 28d 抗压强度会有所下降。80℃蒸汽养护炉渣轻质混凝土对其早期强度有较大提高，但 28d 强度会有所倒缩。蒸压养护（200℃、1.0MPa）可明显提高炉渣轻质混凝土的抗压强度。

（2）不掺加其他材料全部利用管桩余浆和燃煤炉渣配制轻质混凝土是完全可行的，采用体积法控制轻质混凝土的表观密度在 1800kg/m3，试块标准养护 28d 的抗压强度可达到18.9MPa。当管桩余浆的含固量和成份发生变化时，可以通过添加水泥、粉煤灰、砂调整配合比来控制余浆炉渣轻质混凝土的质量。

管桩余浆为管桩生产过程中排放的废液，燃煤炉渣为管桩蒸压养护过程中燃煤锅炉排放的固体废渣，利用管桩余浆和燃煤炉渣配制轻质混凝土，将管桩生产过程中产生的废液和废渣 100% 利用，达到了节能减排、变废为宝的目的，为我国的绿色发展之路添砖加瓦。

[1]黄红建，赖兆琼.管桩余浆的成分及其应用的研究[J].广东建材，2005(12): 103-105.

[2]余健文，李法尧.管桩费浆利用的试验研究[J].广东建材，2006(3): 10-12.

[3]张健营.蒸压粉煤灰废渣砖生产工艺研究[J].砖瓦、2011(10): 29-31.

[4]刘红宇，尹维新，洪彩霞.粉煤灰和煤粉炉渣用于建筑砂浆的试验研究[J].混凝土与水泥制品，2008(2): 52-54.

[5]宋坤亮.全废渣蒸压粉煤灰砖的生产与工程应用[J].粉煤灰综合利用，2010(2): 41-42.

[6]陆金驰，李东斌.煤粉炉渣在蒸压条件下反应活性研究[J].煤炭科学技术，2011(6): 122-124.