铝渣骨材作为混凝土粗细骨材再利用的研究

刘宏敏

(湖北水利水电职业技术学院,武汉　430070)



铝渣骨材作为混凝土粗细骨材再利用的研究

刘宏敏

(湖北水利水电职业技术学院,武汉430070)

铝渣骨材; 安定化处理; 抗压强度; 弹性模数; 动态弹性模数

1　引　言

国内回收的铝渣，早期则盲目的固化掩埋作为最终处置，不但易造成二度污染，也会形成无处堆置的窘境。盲目的固化中间处理及独立掩埋最终处置，也只能治标不能治本。若能将铝渣制作成粗细骨材，资源再生利用，不但能解决无处堆置窘境，亦不会造成资源的浪费，也符合废弃物处理或处置的环保目标[1]。

2　试　验

2.1铝渣处理

本研究首先将铝渣作无害化、减量化处理，达到生态、节能、减废、健康等绿建筑评估指标，其研究方法共分为四部份，第一部份为安定化处理，主要将铝渣分解成安定的磷酸铝，将氨气回收；第二部份为研磨处理将安定化处理后的块状铝渣研磨成粉末，主要容易和波索兰材料混拌，并增加混合料和水接触面积，加速水化速率，以提升铝渣的机械强度[2]；第三部份滚动、造粒程序主要为稀释、固化、螯合达到无害化及资源化，制作出大小不等粗细骨材；第四部份制作绿建材-铝渣骨材混凝土及多功能再生混凝土并探讨养护时间、水胶比、胶结料对强度的影响。

2.2试验方法及仪器设备

2.2.1比重及吸水率

2.2.1.1粗骨材

本试验主要在测定粗骨材表面含水率，作为工地、拌和厂的水泥混凝土配合比例的调整[3]。其步骤如下:

(1)将粗石、细石浸水24 h，清洗干净后，将水倒出;

(2)取湿润状态的粗石、细石各1000 g称为Wwet，用干布处理至SSD状态，再称重为Wssd,计算公式如下：

式中p=SSD表面含水率(%);Wssd=面干内饱和骨材重(g)。

2.2.1.2细骨材

图1　细骨材比重吸水率试验流程图Fig.1　Fine aggregate proportion of water absorption test flow chart

本试验根据细粒料比重及吸水率的试验(CNS487A3006)(ASTMC128)主要为测定细粒料的容积比重(松比重)、视比重及吸水率，作为调整配比的依据。试验流程如图1。

2.2.2骨材单位体积重试验

试验根据粒料单位质量及空隙试验法试验[4]。主要目的为测定粗骨材及细骨材混合的最佳单位体积重，以作为混凝土配比设计中的骨材用量依据，试验仪器主要为捣棒、量筒(小型)及勺子。将试样分做三次放入及捣实，且每次捣实次数为25次，需注意每次捣实深度亦应深入下一层，且使试样与量筒平高，再将量器加试样重纪录的，即可进行相关试验计算，其计算公式如下。

其中：γG=位料单位重(kg/m3)；WG=量器内粒料重(kg);V=量器体积(m3)。

2.3混凝土拌合

本研究混凝土拌合，首先将骨材处理至湿润状态，待表面含水达稳定状况时，在拌合前分别测得骨材的表面含水率，经调整符合骨材实际含水状态的配比，并计算及准备各种材料拌合的用量，在混凝土拌合时为维持水胶比及达到预定的坍度(20 cm以上)及坍流度(60 cm以上)，以添加强塑剂与减少拌合水等量的方式来实施拌合作业，再由实际材料用量、含气量及材料性质等资料推算试拌后实际的混凝土配比。

2.4试验材料

本研究所使用材料如下,某铝业处理厂铝渣、某电厂粉煤灰(F级)、某水淬炉石粉、水泥∶比重=3.15、铝渣粗骨材、铝渣细骨材、强塑剂，粗细骨材基本性质如表1 所示。

表1　粗细骨材基本性质

本研究混凝土配比计算是依黄氏混凝土致密配比的理论、混凝土条件及材料性质，以(1)～(6)式分别计算污泥细骨材、粉煤灰、污泥粗骨材、水泥、水淬炉石粉及水等材料的单位用量。

(1)铝渣细骨材的单位用量：

(2)粉煤灰的单位用量：

(3)铝渣粗骨材的单位用量：

(4)水泥的单位用量：

(5)水淬炉石粉的单位用量：

(6)水的单位用量：

WW=λ×(wc+wsl)

2.5硬固混凝土的力学试验方法

超音波速度法简称超音波法[5]，其原理为将超音波传入待测物中，利用接受器测定脉波通过待测物内的速度，来推估待测物的质量及求动态参数值。本研究即采用直接法量测，经由P波接头与S波接头可分别量测得压力波与剪力波的波传时间。

再利用ASTMD2845-83规范的计算公式，即可求得改良后的VP，VS，μd，Gd，Ed:

(1)动态弹性模数(kgf/cm2):

式中ρ=试体密度(g/cm3);VP=压力波波速(m/s);VS=剪力波波速(m/s)。

(2)动态剪力模数(kgf/cm2):

式中ρ=试体密度(kg/m3)，VS=剪力波波速(m/s)。

(3)动态泊松比:

3　结果与讨论

3.1处理前后铝渣物理化学特性

本计划内容主要针对某地区铝业处理厂的粉煤灰-铝渣，经磷酸安定化处理由X光绕射分析(XRD)了解铝渣安定化处理前后各个相位的组成生成物，铝渣处理前后的主要结晶形化合物为Al、Al2O3、Al4.8Co5.15、Ca2SiO4、Ca54MgAl2Si16O90，次要结晶形化合物为MgAl2O4、CaS 等。再由X光荧光分析(XRF)探讨铝渣处理后试样中各元素含量，其中以C、O、Si、Al、Ca、K、Mg、Na、P、S等元素含量含量最高，配合XRD分析所得的各种化合物再以重量分析计算其化学成份计量，得知进而推算铝渣处理前后各元素的氧化态含量百分比[1]。

3.2处理后铝渣造粒特性

本计划内容主要针对某地区铝业处理厂的粉煤灰-铝渣，经磷酸安定化处理、将块状铝渣研磨成粉末状，再和水泥、水淬炉石粉、粉煤灰等波索兰材料调配、混拌、滚动、造粒成粒径大小不等球状的人造粗、细骨材，经养护28 d龄期后，再作为混凝土粗、细骨材使用。其主要目的提高人造骨材抗压强度及工作度，降低骨材本身吸水率及磨损率，减少重金属的溶出量，增加其稳定性[1]。

本研究共制作10种造粒配比如表2所示，在所有配比中，则以C28-S28-ASFA44配比强度最佳，但就成本考量则以C6-S51-ASFA43成本最低，其强度佳、吸水率较低，本研究将以此作为造粒配比。

表2　铝渣骨材骨材基本性质

3.3养护时间的影响

图2　养护时间与抗压强度关系图Fig.2　Curing time and compressive strength

就水泥混凝土材料而言，养护时间越长，水泥化作用越完全，材料强度则越高，根据刘子振[2]研究指出水泥混凝土强度与波索兰材料添加量的多寡、水胶比的大小、养护方法、养护时间的长短、配比致密程度等而有所不同。

ASFAC024至ASFAC052等配比中其单轴抗压强度随养护材龄增加而增加，试体其材龄7 d强度皆能达材龄28 d强度的86%以上如表3所示，显示以铝渣粗、细骨材取代天然粗细骨材有助于早期强度的发展，其中以ASFA024强度最高，最低则为ASFA052，如图2所示。

表3　铝渣骨材混凝土试体抗压结果

就ASFAC024至ASFAC052等8个配比而言，其弹性模数随着养护时间增加而增加，其中仍以ASFAC024弹性模数最大，最低则为ASFAC052，如图3所示。

在同一水胶比状况下，动态弹性模数随着养护时间增加而增加，其中仍以ASFAC024弹性模数最大，最低则为ASFAC052，如图4所示。

图3　养护时间与弹性模数关系图Fig.3　Curing time and modulus of elasticity

图4　养护时间与动态弹性模数关系图Fig.4　Curing time and dynamic modulus of elasticity

本研究中养护7～56 d动态弹性模数可达8.84～17.41 GPa，根据王社良[3]指出软岩动态弹性模数界于0.66～1.20 ，完全视软岩风化破碎程度而定，本研究焚化灰骨材混凝土养护56 d后的动态弹性模数大约为软岩的15倍左右。

证实铝渣骨材混凝土抗压强度随养护时间增加而增加，变形量则逐渐下降，越来越接近脆性破坏模式。

3.4抗压强度与弹性模数的关系

3.5抗压强度与动态弹性模数的关系

动态弹性模数可运用于承受动态荷重时的基础设计，一般动态弹性模数均大于静态弹性模数，在同一水胶比状况下，养护时间越长动态弹性模数越大。

4　结　论

本文探讨铝渣骨材作为混凝土粗细骨材再利用的工程特性研究，尝试以铝渣粗、细骨材制作再生混凝土从微观至巨观作深入研究，并进行一系列试验的得到以下结论。

(1)本研究造粒部份以C28-S28-ASFA44配比强度最佳，本研究为成本考量采用C6-S51-ASFA43配比制作粗细骨材;

(2)铝渣骨材混凝土抗压强度、弹性模数随养护时间增加而增加，其中以ASFAC024值最大，ASFAC052值最低;

(3)试体其材龄7 d强度皆能达材龄28 d强度的86%以上，其中以ASFAC024强度最高。

[1]李小卉.城市建筑垃圾分类及治理研究[J].环境卫生工程,2011,(04)：31-33.

[2]刘子振.废旧烧结砖再生混凝土性能试验研究[J].混凝土,2011,(03):35-38.

[3]王社良.砖含量对再生骨料性能影响的试验研究[J].混凝土,2011,(02):70-75.

[4]赵玉青.超细粉煤灰配制碎砖骨料混凝土试验研究[J].混凝土,2011,(10):18-22.

Engineering Characteristics of Aluminium Dust Aggregate Used as Recycling Concrete Aggregate

LIU Hong-min

(Hubei Water Resources Technical College，Wuhan 430070,China)

This article probes into the engineering characteristics of aluminum slag artificial aggregate used as recycling concrete aggregate material. After stability treatment aluminum slag mixed with pozzolan material and water are translated into ball aggregate of different sizes through extrusion,injection molding,rubbing and granulation,then cured used as coarse and fine aggregate of concrete. Then concrete is made to discuss the relations among time of maintenance,compression strength,elasticity modulus. A series of tests are made to obtain the regression curves as

aluminum slag artificial aggregate;stability treatment;compression strength;elasticity modulus;dynamic elasticity modulus

刘宏敏(1974-),男,硕士,讲师.主要从事土木建筑工程方面的研究.

TD985

A

1001-1625(2016)02-0655-05