混凝土废浆粉掺量对砂浆强度及水化性能影响研究

陈 磊,张金团*,黄东阳,罗元铭,赵 虎

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西 桂林 541004;2.贺州学院建筑与电气工程学院,广西 贺州 542800;3.北京住总第二开发建设有限公司,北京 100080)

随着我国经济的快速发展及城镇化建设的不断加快,公路、桥梁、房屋等建筑项目不断增多,混凝土的需求量激增,生产效率高、质量高、快捷方便的商用混凝土搅拌站(厂)应运而生。2021年末,我国年生产混凝土33万m3[1]。如果遇到生产或运输问题导致混凝土不符合施工规范,商用混凝土会做返厂处理,返厂的混凝土在进入回收处理系统进行再生利用的过程中会产生大量混凝土废浆(concrete waste slurry powder,CWSP),废浆呈现强碱性[2-3]。由于搅拌站缺乏配套处理技术,导致废浆无法妥善处理,如果将其利用起来,既可以增加效益,又可以减少对环境的污染,保护环境。

许多学者对混凝土废浆的利用进行了研究。张云艺[4]将混凝土废浆粉加入混凝土中,发现废浆粉短期内会提高混凝土抗压强度。胡立志[5]以搅拌站废渣为主,设计开发了适用于混凝土的复合掺料,提升混凝土的体积稳定性。但波等[6]用搅拌站混凝土污水沉淀物代替部分粉煤灰加入混凝土中,发现沉淀物可以起到良好的填充作用。陈军亮等[7]研究了不同浓度的废泥浆水对混凝土力学性能的影响,发现随泥浆浓度增长,混凝土抗压强度呈先增大后减小的趋势。还有部分学者[8-11]研究了搅拌站废水、废浆、细骨料等对混凝土耐久性能的影响,发现废水、废浆可以提升混凝土的耐久性能。本文在前人研究的基础上,研究混凝土废浆粉掺量对砂浆抗压强度、凝结时间以及水泥水化性能的影响。

1 试验概况

1.1 试验材料

1)水泥:采用富川华润P.O42.5R普通硅酸盐水泥,主要性能指标见表1,主要成分见表2。

表1 水泥的主要性能指标

表2 水泥主要成分的质量分数 单位:%

2)砂:采用广西贺州广厦石场生产的机制砂。

3)水:为试验室用自来水。

4)CSWP:混凝土废浆块取自广西贺州广厦环保科技有限公司。将浆块在烘箱中用105 ℃烘干至恒重,然后通过研磨机研磨,最后通过筛网筛分得到试验样品,样品主要成分见表3。

表3 混凝土废浆粉主要成分的质量分数 单位:%

1.2 试验方案

本试验设置了5组不同掺量的CSWP,按水泥质量的0～20%直接加入水泥中制作水泥砂浆,其中掺量为0的为对照组。

1.3 试验步骤

首先按照表4制备砂浆,将搅拌后的砂浆分别倒入标准试模中,振动密实。24 h后拆模,在标准条件下养护1 d、3 d、7 d、28 d。按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准:JGJ/T 70—2009》中规定的方法测试砂浆抗压强度与凝结时间。选取指定龄期与掺量的试块样品,用无水乙醇终止试样水化,进行微观试验。用玛瑙研磨后过0.08 mm筛网,使用日本理学株式会社的Rigaku Ultima X射线衍射仪测试水化产物X射线衍射图谱,对水泥的水化产物进行物相分析,扫描方式为2θ,扫描范围为10°～60°;使用德国耐驰公司的STA449-F5型同步热分析仪测试水化产物TG-DSC曲线,测试范围为30～1 000 ℃,升温速率为10 ℃·min-1;使用日本电子株式会社的JSM-7610F型扫描电子显微镜,观察微观形貌。

表4 水泥砂浆配合比 单位:g

2 结果与分析

2.1 抗压强度

CSWP掺量对各龄期水泥砂浆抗压强度的影响如图1所示。由图1可以看出,水泥砂浆1 d、3 d龄期的抗压强度随CSWP掺量增加呈现减小趋势。当掺量为0时,砂浆1 d、3 d龄期抗压强度为11.15 MPa、11.81 MPa;掺量为20%时,砂浆1 d、3 d龄期抗压强度为8.87 MPa、9.21 MPa;CSWP掺量每增加5%,砂浆1 d、3 d抗压强度平均降低5.1%、5.5%。随养护时间增加,砂浆7 d、28 d龄期抗压强度随CSWP增加大致呈先增加后减小趋势,且都在掺量为5%时达到最大,与对照组相比分别提升了10%、2%。养护龄期为7 d且CSWP掺量在5%～20%时,砂浆抗压强度均高于对照组,由此可见,CSWP的掺入可以增加水泥砂浆的前期强度。

图1 CSWP掺量对砂浆抗压强度的影响

2.2 凝结时间

CSWP掺量对砂浆凝结时间的影响如图2所示。由图2可以看出,与对照组相比,CSWP的加入降低了砂浆的凝结时间,且掺量越大,降低越明显。当CSWP掺量为20%时,试样的凝结时间最短,为329 min。这表明CSWP具有一定的促凝效果,它的加入提高了水泥水化反应速率,加快了C-S-H(水化硅酸钙)的生成,降低了砂浆的凝结时间。

图2 CSWP掺量对砂浆凝结时间的影响

2.3 XRD试验

图3给出了CSWP掺量为0和5%的砂浆试块养护7 d、28 d水化产物的XRD图谱。通过Jade6软件进行物相分析并对比各水化样特征峰可知,掺入CSWP后,水化产物中并没有新物质生成,仍以Ca(OH)2(简称CH)、CaCO3以及未完全水化的Ca3SiO5(简称C3S)等物质为主。由图3(a)可以看出,掺入CSWP 7 d后,水化产物中CH衍射峰增强,C3S衍射峰减弱,这主要是因为CSWP的加入使体系中未完全水化的C3S水化生成C-S-H凝胶以及CH,提高了CH的生成速率,与此同时,生成的C-S-H凝胶使砂浆更加密实,提高了砂浆前期强度。但通过峰强度对比来看,CSWP对水泥水化速率的促进较为缓慢。由图3(b)可知,水化28 d后,5%试样的CH衍射峰强度与对照组试样相当,这是因为随着养护时间的增加,虽然CSWP可以促进水泥水化,生成更多的CH晶体,但CSWP中所含的SiO2等活性物质发生火山灰效应[12],消耗了CH,二者共同作用,使5%试样与对照组试样在XRD图谱中表现出相近的CH衍射强度。

(a)7 d

(b)28 d

2.4 TG-DSC分析

CSWP掺量为0和5%的砂浆试块养护7 d、28 d水化产物的TG-DSC曲线如图4所示。TG-DSC试验可以进一步确定水泥浆体水化产物及其相对含量。从图4可以看出,水化产物的吸热峰有3个,分别是100～200 ℃的结合水吸热峰、450～500 ℃的CH吸热峰和650～850 ℃的CaCO3吸热峰。水化产物钙矾石(AFt)以及C-S-H凝胶中含有部分结合水,与其他产物的失水峰相互重合,难以分清,无法作为定量依据。CH作为水泥主要水化产物之一,含量的高低可以代表水泥水化的快慢程度。图中CH吸热峰明显,可以通过CH的含量来表明水化速度。

(a)7 d

(b)28 d

试验曲线失重段主要有两个,一个是CH在450 ℃分解失重,一个是CaCO3在780 ℃分解失重,主要反应式分别为:

张廷雷[13]研究发现,CH的含量可以用质量损失率以及方程式中各种物质的摩尔质量计算得出,其公式为:

式中,WCa(OH)2为Ca(OH)2的相对含量;MCa(OH)2和MH2O为对应物质的摩尔质量,w1为450 ℃时剩余物质百分比,w2为500 ℃时剩余物质百分比,具体如表5所示。

表5 各试样对应的w1和w2值 单位:%

根据TG-DSC试验曲线,掺加CSWP的水泥浆体中的CH含量如图5所示。由图5可以看出,水化7 d时,CSWP掺量为5%试样的CH含量较对照组提升了10%。引起CH含量上升的原因是CSWP的加入促进了水泥水化速率,加快了CH的生成,这与XRD试验结果相符。水化28 d后CSWP掺量5%试件的CH含量相比于对照组变化不大,这是因为CSWP的加入虽然促进了CH的生成,但随着养护时间的增加,CSWP中的SiO2、Al2O3等物质发生火山灰效应,消耗了CH,当生成量与消耗量相当时,就表现出了CH含量相近的现象。此时,5%试样中C-S-H凝胶生成量也较多,故强度略高于对照组。

图5 水泥浆体中Ca(OH)2含量的变化情况

2.5 SEM试验

图6给出了CSWP掺量为0和5%的试样养护7 d、28 d水化产物的SEM照片。如图6(a)所示,CSWP掺量为0的试样水化产物中已经可以看到团絮状的C-S-H凝胶以及棒针状的钙矾石,尽管水化产物之间已有部分链接,但孔隙较多,没有形成稳定结构。从图6(b)可以看出,CSWP的加入使砂浆体系中团簇状水化产物较对照组增多,且孔隙明显减少。这表明CSWP的加入,加速了水化产物之间的链接,提高了砂浆强度,这与砂浆前期强度变化情况一致。从图7(c)和图7(d)可以看出,随着养护时间的增加,与7 d龄期相比,28 d龄期水化产物之间链接更为密切,形成整体。这主要是因为随着龄期增加,水化产物增加,砂浆体系变得更加密实。

(a)掺量为0,7 d

(b)掺量为5%,7 d

(c)掺量为0,28 d

(d)掺量为5%,28 d

3 结 语

本文通过控制混凝土废浆粉掺量来研究其对砂浆力学性能、凝结时间等的影响,并通过X射线衍射、TG-DSC试验、扫描电镜对砂浆水化产物进行微观分析,得出如下结论:1)CSWP掺入后,会缩短砂浆的凝结时间。当掺量为5%～20%时,有利于砂浆7 d龄期抗压强度;掺量为5%时,可以提高砂浆28 d龄期抗压强度;各掺量均对砂浆早期(1 d、3 d)的抗压强度不利。2)水化产物的XRD试验与TG-DSC试验证明CSWP加入后砂浆水化产物中并无新物质生成,CSWP的加入会促进水泥中未水化的C3S发生水化反应,生成C-S-H以及CH,使水化产物中CH的衍射峰增强,提高砂浆中CH的含量,C-S-H凝胶使得砂浆抗压强度上升。后期随着CSWP中SiO2等活性物质产生火山灰效应,消耗CH,导致试样具有相当的CH衍射峰强度。3)通过SEM试验可以看出,CSWP的加入,使砂浆中团簇状水化产物增多,有利于砂浆强度的提升。

本文采用的方法为将混凝土废浆粉直接掺入到砂浆中,研究其对砂浆性能的影响。如果将混凝土废浆粉代替部分水泥加入砂浆中,对砂浆性能的影响如何需要进一步研究。与此同时,本文在研究时只选择了混凝土废浆粉这一种掺合料,与其他掺合料复掺的结果也有待进一步研究。