渣土对C30混凝土性能的影响

王海良，李 超，荣 辉，宋伟俊，齐占国，李向海，邸志琨

(1.天津城建大学,天津 300384；2.天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室,天津 300384；3.中国铁建大桥工程局集团有限公司,天津 300300)



渣土对C30混凝土性能的影响

王海良1,2，李 超1，荣 辉1，宋伟俊3，齐占国3，李向海3，邸志琨3

(1.天津城建大学,天津 300384；2.天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室,天津 300384；3.中国铁建大桥工程局集团有限公司,天津 300300)

针对天津地铁盾构施工生产的渣土大量堆砌、利用率和附加值低的现状，将渣土作为矿物掺合料，研究了不同渣土掺量对C30混凝土工作性能、力学性能和抗渗性能影响。结果表明：(1)随着渣土掺量增加，混凝土坍落度呈现逐渐降低趋势；(2)掺加渣土后，混凝土抗压强度均低于基准组，当渣土掺量为10%时，其28 d抗压强度与基准组抗压强度相近；(3)适量渣土掺量可以改善C30混凝土抗渗性能，当渣土掺量为水泥的15%时，抗渗性能最佳。

渣土； 混凝土； 坍落度； 抗压强度； 抗渗性能

1 引 言

城市轨道交通如地铁、轻轨等在施工建设过程中会产生大量渣土，而大量的渣土在处理和运输过程中会产生很多问题，不仅会污染城市路面，影响路面景观，而且渣土中的粉尘随风进入空气[1]，影响城市空气质量，以建设南昌地铁1号线为例，全长28.843公里，产生渣土约440万方，可以填满4个水立方[2]。随着我国地下轨道交通建设事业的不断发展，渣土会越来越多，处理也需要更大的空间，以往把郊区选为消纳点，不仅破坏耕地，对当地生态环境造成影响，而且易造成山体滑坡事件(如2015年12月20日，深圳光明新区发生滑坡事件，造成78人失联，其中确认58人遇难，22栋民宅和厂房被埋，塌方10万平方米)。当前，国内外渣土处理的主要方式是堆弃、填埋和作为道路路基填料[3-6]，上述处理方式不仅污染环境、占据大量土地，而且利用率和附加值低。因此，为进一步提高渣土综合利用率和附加值，本文研究了磨细后渣土作为混凝土矿物掺合料的可行性，并初步研究了不同掺量渣土对混凝土工作性能、力学性能和抗渗透性能影响，同时采用扫描电镜对不同渣土掺量下混凝土28 d微观结构进行分析，以探明不同渣土掺量对混凝土力学性能和抗渗性能影响机理。

2 试 验

2.1 原材料

水泥：天津振兴水泥厂生产的P·O 42.5水泥。

砂：河砂，细度模数2.8，堆积密度为1350 kg/m3，表观密度2580 kg/m3。

石子：碎石，粒径5～25 mm，堆积密度1420 kg/m3，表观密度2710 kg/m3。

水：当地自来水。

外加剂：山东建筑科学研究院生产的聚羧酸外加剂，减水率35%。

渣土：采用天津地铁6号线施工产生的渣土，烘干后采用球磨机将其磨细30 min，磨细后比表面积为19000 m2/kg，平均粒径为11 μm，干密度1810 kg/m3，其化学组成和矿物组成如表1和图1所示。由表1可知，渣土中氧化物主要是氧化硅、氧化铝和氧化钙。磨细后的渣土微观形貌如图2所示。由图2可知，磨细后的渣土颗粒尺寸不一，呈不规则形貌。

表1 渣土化学组成Tab.1 Main composites of muck /%

由图1可知，渣土的矿物组成主要是石英、矾土和硅铝酸盐等矿物。

图1 渣土矿物组成Fig.1 Mineral composition of muck

图2 渣土的微观形貌Fig.2 Microstructure of muck

2.2 混凝土配合比设计

用于研究渣土掺量对C30混凝土工作性能和抗压强度、等强度下渣土掺量对C30混凝土抗渗性能影响的配合比分别见表2、表3。

表2 掺有渣土的C30混凝土配比Tab.2 Mixture ratio of concrete with muck

表3 等强度下掺有渣土的C30混凝土配比Tab.3 Mixture ratio of concrete with muck under the same strength

2.3 试验方法

混凝土坍落度、抗压强度、抗渗性能试验方法分别按《普通混凝土拌合物试验方法标准》(GB/T 50080-2002)、《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)和《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)进行。

采用日本JMS-7800F扫描电镜对不同渣土掺量下混凝土28 d微观结构进行分析，以探明不同渣土掺量对混凝土力学性能和抗渗性能影响机理。

3 结果与讨论

3.1 渣土火山灰活性

表4显示的是磨细后渣土火山灰性试验结果。由表4可知，磨细后的渣土不具有火山灰活性。

表4 渣土火山灰性Tab.4 Volcanic ash activity of muck

3.2 渣土掺量对混凝土工作性的影响

图3 渣土掺量对C30混凝土工作性的影响Fig.3 Influence of muck contents on workability of concrete for C30

图3所示为不同渣土掺量对C30混凝土坍落度的影响:由图3发现，混凝土初始坍落度随着渣土掺量增加而逐渐降低，由对照组的205 mm一直降低至掺量15%时的15 mm。造成上述现象的原因一方面可能由于渣土等量代替水泥后，因其表面积远远大于水泥颗粒，其吸水性远远高于水泥颗粒所致;另一方面可能是由于渣土颗粒具有较强的吸附聚羧酸系减水剂中Polycarboxylates(PC)分子的能力以及PC分子在渣土片层中间的插层作用，从而使PC分子大量消耗于渣土中，这样作用于水泥的PC分子会大量减少，进而使得混凝土的坍落度降低[7]。

此外，由图3还可以看出，掺加渣土使混凝土坍落度损失受到很大影响:当渣土掺量为5%时，混凝土的坍落度损失严重，约损失90 mm;当渣土掺量增至10%时，0.5 h后的混凝土变为干硬性混凝土，坍落度完全损失。产生上述现象同样是由于渣土吸水性强所致。

3.3 渣土掺量对混凝土力学性能的影响

图4 渣土掺量对C30混凝土抗压强度的影响Fig.4 Influence of muck contents on compressive strength of concrete for C30

图4所示为不同渣土掺量对C30混凝土抗压强度的影响;渣土掺入会不同程度地降低C30混凝土抗压强度，即其28 d的抗压强度均低于基准组。另外，还由图4可以看出，随着渣土掺量增多，C30混凝土强度变化规律呈现为先降低后增加再降低趋势，即：当渣土掺量为5%时，C30混凝土3 d、7 d和28 d抗压强度相对于基准对照组分别降低了16.8%、25.4%和30.6%；当渣土掺量增加至10%时，则发现C30混凝土早期(3 d和7 d)抗压强度比基准对照组分别增加了10.2%、4.9%，但在28 d时，其抗压强度降低了3.5%。而渣土掺量继续增加至15%时，其抗压强度分别降低了1.3%、17.4%和24.2%。产生上述现象的原因可能是由于渣土颗粒掺入引起的水泥掺入量与其微集料填充效应双重作用的结果。当渣土掺量为5%时，由于水泥用量的减少造成其抗压强度低于基准组，而当渣土掺量为10%时，尽管水泥用量继续减少，但由于渣土的微集料填充效应发挥更大，从而使其掺量下的混凝土微观结构更加密实，进而使其强度更高。当渣土掺量为15%时，则由于渣土微集料填充效应所带来的增强效果小于水泥用量减少造成的抗压强度损失，从而使其该掺量下的混凝土抗压强度再次降低。

为进一步解释渣土对C30混凝土抗压强度的影响，研究了不同渣土掺量下混凝土的28 d微观结构，结果如图5所示。

图5 渣土掺量对C30混凝土微观结构的影响(a)0;(b)5%;(c)10%;(d)15%Fig.5 Influence of muck content on microstructure of concrete for C30(a)0;(b)5%;(c)10%;(d)15%

由图5可知，未掺渣土时，混凝土微观结构呈现大量的网络状C-S-H凝胶。当渣土掺量为5%时，其微观结构中除网络状C-S-H凝胶外，还出现了大量针状AFt晶体以及少量球状物质(渣土颗粒)，并且孔隙增多。当渣土掺量为10%时，出现较多量的渣土颗粒并且混凝土的微观结构较为密实，这可能是由于渣土颗粒的加入起到的微集料填充效应所致。当渣土掺量为15%时，混凝土的孔隙增多，这有可能是由于水泥量大量减少，导致水泥生成的水化产物大量减少，而渣土颗粒不能完全填充由于水化产物减少所导致的孔隙增多所致。

3.4 渣土掺量对混凝土抗渗性能的影响

图6所示为不同渣土掺量对C30混凝土抗渗性能的影响。由图6可以看出，随着渣土掺量的增加，混凝土的抗渗性能变化规律呈现先增加后减小的趋势，即：当渣土掺量为5%、10%和15%时，渗水高度相对于基准组分别降低了43%、82%和86%；而当渣土掺量为20%时，渗水高度反而增加了27%。这表明当渣土掺量为15%时，混凝土的抗渗性能最好。

造成上述不同渣土掺量对C30混凝土抗渗性能影响规律的原因可能是由于渣土颗粒掺入引起的水泥掺入量与其微集料填充效应双重作用的结果。当渣土掺量为5%、10%、15%时，尽管水泥用量继续减少，但由于渣土的微集料填充效应发挥更大，从而使其掺量下的混凝土微观结构更加密实，抗渗性能更好。当渣土掺量继续增加至20%时，则由于渣土微集料填充效应无法弥补其水泥用量减少造成的级配不良，密实度差，从而使其该掺量下的混凝土抗渗性能减弱。

图6 渣土掺量对C30混凝土渗水高度的影响Fig.6 Influence of muck contents on penetration height of concrete for C30

为进一步解释渣土掺量对C30混凝土抗渗性能的影响，研究了不同渣土掺量下混凝土的28 d微观结构，结果如图7所示。

由图7可知，当渣土掺量为0(基准组)时，混凝土微观结构中孔隙较多，存在网络状的C-S-H等物质。而当掺加渣土后，发现混凝土微观结构相比基准组，孔隙减少，针棒状物质减少，这有可能是由于水泥用量减少而造成的AFt物质减少，同时由于渣土颗粒填充水泥颗粒空隙所致。当渣土掺量增加至15%时，发现其微观结构(相比基准、掺量为5%、10.0%和20.0%)孔隙最少，结构最为密实，其它的渣土掺量相对于15%来说，结构都要疏松。渣土掺量为20%时，可能因为渣土填充的不完全，导致水泥颗粒级配之间的级配不良、密实度差，渣土的微集料填充作用较弱，导致孔隙率较大，进而影响了渣土的微观结构，从而影响了渣土混凝土的抗渗性能。研究结果表明，渣土掺量为15%时混凝土抗渗性能最好。

图7 渣土掺量对C30混凝土微观结构的影响(a)0;(b)5%;(c)10%;(d)15%;(e)20%Fig.7 Influence of muck contents on microstructure of concrete for C30

4 结 论

通过渣土掺量对C30混凝土工作性、力学性能和渗透性能的影响研究，得到了渣土掺量对C30混凝土工作性、力学性能以及渗透性能的影响规律，主要结论如下：

(1)随着渣土掺量的增加，混凝土的初始坍落度和坍落度损失逐渐降低，在不改变用水量和外加剂用量前提下，加入混凝土中的渣土掺量不宜超过10%;

(2)随着渣土掺量的变化，混凝土的抗压强度逐渐降低，渣土掺量从5%增加至15%时，混凝土28 d抗压强度与基准对照组相比，其强度分别降低了30.6%、3.5%和24.2%;

(3)等强度C30混凝土抗渗性能随着渣土掺量的增加先增强后减弱，当渣土掺量分别为5%、10%、15%时，渗水高度相对于基准组分别降低了43%、82%、86%；当渣土掺量为20%时，渗水高度反而增加了27%，掺加适量渣土可以改善C30混凝土的抗渗性能，当掺量在15%左右时试件抗渗性能最好。

[1] 姚如青.杭州市建筑渣土管理主要问题与改进对策[J].环境与可持续发展,2014,39(5):160-163.

[2] 沈澈清,封 云.地铁1号线渣土可推11个八一广场[EB/OL].http://jiangxi.jxnews.com.cn/system/2013/05/24/012435387.shtml,2013-05-24.

[3] 刘 卫.南昌复合地盾构渣土改良技术[J].隧道建设,2015,35(5):455-462.

[4] 李 琴,孙可伟,蒋卓吟.固化剂固化建筑渣土试验研究[J].硅酸盐通报,2012,31(5):1247-1251.

[5] 王 芳,徐竹清,严丽雪,等.碱渣土工程试验方法及其工程土特性研究[J].岩土工程学报,2007,29(8):1212-1214.

[6] 姚志雄.建筑渣土填料路用性能的试验研究[J].工业建筑,2010,40(s1):773-777.

[7] 巨浩波.砂石含泥量对聚羧酸系减水剂性能的影响及抗泥剂的合成研究[D].西安:陕西科技大学学位论文,2014.

Influence of Muck on Mechanical Properties of C30 Concrete

WANGHai-liang1,2,LIChao1,RONGHui1,SONGWei-jun3,QIZhan-guo3,LIXiang-hai3,DIZhi-kun3

(1.Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China;2.Tianjin Key Laboratory of Civil Structure Protection and Reinforcement,Tianjin 300384,China;3.China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group.Co. Ltd,Tianjin 300300,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， mechanical properties and impermeability of C30 concrete are studied in this paper. The experimental results indicate that the slump decrease gradually with the increasing of muck contents. The compressive strengths of concrete is smaller than the reference group with the increasing of muck contents. The compressive strength of concrete at 28 days is similar with the reference group when the content of muck is 10% of cement contents. A moderate amount muck contents can improve the impermeability of C30 concrete, when admixture of muck content is 15%, the concrete impermeability is the best.

muck;concrete;slump;compressive strength;impermeability

国家科技支撑计划课题资助(2014BAL03B03);天津城建大学科研启动项目(05140403)

王海良(1966-)，男，教授，硕士生导师.主要从事大跨桥梁施工过程控制及新型结构体系开发等研究.

TU528

A

1001-1625(2016)09-3030-06