利用矿山废石制备自密实混凝土及其工程应用.pdf

2 0 1 1 年 第 9期 (总 第 2 6 3 期 ) Nu mb e r 9 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No ．2 6 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 预拌混凝土 READY M D D CONCRE TE d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 8 ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 1 ． 0 9 ． 0 3 0 利用矿山废石制备 自密实混凝土及其工程应用 武俊宇 ，武俊慧 。聂法智 。 ，朴春爱 。 ( 1 ． 北京东方建宇混凝土科学技术研究院， 北京 1 0 0 1 9 0 ；2 ． 新疆建工( 集团)有限责任公司五洲建筑分公司，新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 1 1 3 ． 北京新奥混凝土集 团有 限公 司，北京 1 0 0 1 9 0 ) 摘要： 充分利用尾矿废石做骨料， 代替部分细骨料， 全部替代粗骨料， 使用聚羧酸高效减水剂与脂肪族( 羟基) 磺酸盐高效减水剂复合 的外加剂来制备自密实混凝土。 结果表明： 自 密实混凝土的各种性能良好， 不仅减少了水泥用量， 降低了自密实混凝土的成本 ， 且大掺量 使用尾矿废石 ， 对发展我 国低碳经济 、 循环经济 、 节能减排有着重大意义。 关键词： 自密实混凝土；尾矿废石；工程应用 中图分类号 ： T U5 2 8 ． 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 9 — 0 0 9 6 — 0 3 Pr e pa r a t i on o f s el f - c ompac t i ng c on c r e t e us i ng mi n e wa s t e r oc k an d i t s e ngi ne e r i ng appl i c a t i on W U ， W UJ u n- h u i 2 , NI E F a - z h i 3 , P I AO Ch u n — a i ( 1 ． B e ij i n g D o n g f a n ~i a n y u C o n c r e t e I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 0 ， C h i n a ； 2 ． Wu z h o u C o n s t r u c t i o n B r a n c h o f Xi n j i a n gC o n s t r u c t i o n( G r o u p ) C o ． ， L t d ． ， u r u mq i 8 3 0 0 1 1 ， C h i n a ； 3 ． Be ij i n g Xi ’ n a oC o n c r e t e G r o u pCo ． ， L t d ． ， B e ij i n g1 0 0 1 9 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ma k i n g u s e o f r a i l i n g s wa s t e r o c k， a d mi x t u r e mi x e d wi m p o l y c a r b o x y l a t e s u p e r p l a s t i c i z e r a n d a l i p h a t i c( h y d r o x y ) s u l fon a t e s u p e r — p l a s t i c i z e r ， t o p r e p a r e s e l f - c o mpa c ti n g c o n c r e t e ， t ml i n gswa s t e r o c k a r e s u bs ti tut e df o rp a r t o ffi ne a g g r e g a t e a n d a l l c o a r s e a g g r e g a t e ．Th e r e s ul t s s h o w t h a t s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e wi t h g o o d p e r f o r ma n c e， i s n o t o nl y r e d u c e d the a mo u n t o fc e me n t ， bu t a l s o r e d u c e d the p r o d u c t i o n c os t ． I t i s s i g n i fi c a n t for the d e v e l o pme n t o fl o w c a r b o n e c o n o my， r e c y c l i n g e c o n o my， e n e r g y s a v i n g a n d e mi s s i o n r e d u c t i o n o wi n g t o h i g h v o l um e us e o f t a i l i n g s wa s t e r o c k． Ke y w or d s ： s e l f - c o mp a c t i n g c o nc r e t e； t a i l i n g s wa s t e r o c k； e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n 0 引言 自密实混凝土( S e l f C o m p a c t i n g Co n c r e t e ， 简称 S C C) 【 1 】 是 2 O 世纪 8 0年代初在国际上出现的新材料和新技术。 自密实混 凝土的特点是具有良好的流动性 ， 在自重作用下能够 自密实； 具 有良好的均匀性和稳定性 ， 在流态时不泌水、 不起泡； 硬化后体 积稳定性好 ， 不产生收缩裂缝； 初凝时间较长， 终凝时间较短 ， 具有较高的早期强度 ； 表面平整、 耐磨性好 ； 与基层材料黏结力 较强； 用于泵送施工可节约劳力和施工费用 ， 提高施工效率和 质量 ， 加快工程进度。 目前预拌混凝土使用的还是以天然砂石料为主， 随着建筑 行业的大规模建设， 这些原材料必然会逐渐枯竭， 北京市的周 围已经禁止开采天然砂石料， 所以寻找新的替代品是迫在眉睫 之事。 部分地区已经开始使用机制砂， 尾矿废石 ， 但尾矿废石 用于制备自密实混凝土还有待研究。 尾矿是采矿企业在一定技术经济条件下排出的废弃物。 截 止 2 0 0 5 年， 我国矿山尾矿、 废石的堆存数量， 约达 2 3 0 亿 t 。 全 尾矿占全国固体废料的 1 ／ 3左右， 但尾矿综合利用率仅为 8 ． 2 ％ 左右， 矿山尾矿、 废石数量巨大， 综合利用率低 ， 大部分排人河 道 、 沟谷 、 低地， 污染水土大气， 破坏环境 ， 乃至造成灾害。 矿山 尾矿堆存场所还 占用了大量农田、 林地， 对环境也有一定污染。 随着国家加强环境保护和土地管理 ， 尾矿的治理和利用已成为 必须解决的迫切问题 ， 但是只回收有价值尾矿仍然处理不了剩 下的大量尾矿， 只有将尾矿作为建筑材料利用才是最根本的出路。 综上所述， 充分利用固体废弃物， 减少水泥的用量 ， 是摆在 混凝土行业 中的一个重大课题， 对发展我国低碳经济、 循环经 济、 节能减排有着重大意义。 1 原材料 ( 1 ) 水泥： 金隅集团生产的琉璃河 P 04 2 ． 5 级水泥 ， 比表面 积 4 0 0 m2 ／ k g 左右， 性能指标见表 1 。 ( 2 ) 掺合料： 为粉煤灰与矿渣粉复合， 较好效果为二者比例 为 2 ：3 。 粉煤灰 ： 坤海江 I I 级灰， 性能指标见表 2 。 国共伴生矿综合利用率近 2 0 ％， 矿产资源总回收率只有 3 0 ％t~ 。 矿渣粉 ： 北京首丰 $ 9 5 级矿渣粉， 性能指标见表 3 。 表 1 水泥的性能指标 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ J D 2 _ 2 3 9 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 粉煤灰性能指标 ％ 密度 比表面积 活性指数 流动度 S O ， 含量 C 1 啥 量 碱含量 L o s s ! ： ! ! 3 ． 0 4 47 78 1 O 2 1 1 2 0 ． 6 5 0 0 ． 8 7 0． 7 5 ( 3 ) 外加剂 ： 为聚羧酸高效减水剂与脂肪族( 羟基 ) 磺酸盐 高效减水剂复合， 较好的效果为二者比例为 1 ： 4 。 聚羧酸高效减水剂 ： S i k a Vi s c o c v e t e聚羧酸盐系高效减水 剂， 液体， 固含量为 2 0 ％， 推荐掺量 1 ． 1 ％～ 1 ． 4 ％。 脂肪族( 羟基 ) 磺酸盐高效减水剂 ： 北京安建世纪科技发展 有限公司， 粉剂， 推荐掺量为 2 ． 0 ％～ 3 ． 0 ％。 ( 4) 细集料： 为尾矿砂与砂子的混合料， 混合砂细度模数大于 2 ． 6 ， 属于 I I 区中砂 ， 砂含泥量不大于 3 ．0 ％， 泥块含量不大于 1 ． 0 ％。 水洗特细砂： 密云尾矿砂， 细度模数小于 1 ． 1 ， S i O ： 含量 5 0 ％～ 7 0 ％， 含泥量 1 ． 2 ％， 泥块含量 0 ． 5 ％。 表 4 天然砂： 涿州天然中砂， 细度模数大于2 ．8 ， 洁净， 无泥块含量。 ( 5 ) 粗集料： 密云尾矿石， 5 ～ 2 5 mm连续级配， 洁净。 ( 6 ) 水 ： 自来水 。 2试 验 方 法 以不同粒径的矿山废石来代替骨料 ， 粒径较小， 细度模数 小于 1 ． 1的水洗特细砂代替部分细骨料； 粒径较大的尾矿石代替 粗骨料。 经过大量试验， 得出各原料用量如下范围时， 试验结果较佳： 用水量 1 2 0 ~ 1 6 0 k g ／ m。 ， 水泥 2 0 0 ～ 3 0 0 k g ／ m ， 掺合料 1 0 0 ～ 3 0 0 k g ／ m ， 外加剂 8 ～ 1 5 k g ／ r n 。 ， 水洗特细砂 1 5 0 ～ 3 5 0 k g ／ m。 ， 中砂 5 5 0 ～ 7 0 0 k g ／ m3 ， 石子 8 0 0 ～ 1 0 0 0 k m3 ， 聚羧酸高效减 水剂 4 ~ 1 2 k g ／ ms ， 脂肪族( 羟基) 磺酸盐高效减水剂 2 ~ 8 k g ／ m， 。 采用结果较好的配合比来配制较高强度的 自密实混凝土 见表 4 ， 编号 1 为未加特细砂， 只用聚羧酸高效减水剂的配合比， 编号 2为只用聚羧酸高效减水剂的配合比， 用于与使用特细砂 和复合外加剂的配合比做比较。 配合 比 k g ／ m 搅拌机投料顺序为先投砂 、 水洗特细砂 、 水泥 、 矿粉及粉煤 灰、 聚羧酸高效减水剂， 脂肪族( 羟基) 磺酸盐高效减水剂 ， 搅拌 1 8 0 S 出料。 应保证混凝土搅拌均匀， 适当延长混凝土搅拌时间。 加水计量必须精确， 应充分考虑骨料含水率的变化， 及时调整 加 水量。 3试 验 结果 3 ． 1 拌合物和 易性试验 混凝土拌合物扩展度和倒置坍落度筒的排空时间试验结 果见表 5 。 表 5 混凝 拌合物和易性试验结果 从 表 5可以看出 ： ( 1 ) 工作性优良： 新拌混凝土的扩展度均大于 7 0 0 mm。 ( 2 ) 黏聚性优 良： 用倒置的坍落度筒测定混凝土拌合物的 排空时间， 均在 1 5 S 之内， 说明混凝土拌合物不泌水 、 不黏稠 、 不板结 ， 混凝土拌合物可泵性好。 3 ． 2 自密 实性 能试 验 用 u型高差仪和 L型高差仪进行混凝土的钢筋通过率试 验 ， 用以验证低胶材用量 自密实混凝土自密实性能的变化。 从表 6中可以看出： 混凝土拌合物通过 u型高差仪底部 ( b 1 6 @3 0 钢筋流动基本停止时的时间均为 2mi n 左右， 高差仅为 0 ． 3 ～ 0 ． 5 c m， 而且上表面石子均匀分布。 混凝土通过L型高差仪底部的~ b 1 6 @3 0钢筋自由流到4 0 c m 的距离时时间均为 5 S 左右， 流动时砂浆包裹着石子一起流动， 流动停止后 ， 前后水平高度差仅为 0 ． 5 c m， 与长度 6 0 c m的比 例为 0 ． 8 3 ％。 说明细砂取代前后混凝土拌合物均具有优异的自 密实性能。 3 ． 3 混凝 土强 度试验 各龄期的抗压强度试验结果见图 1 。 与空白项的各项性能值对 比可以看出强度发展较明显的 规律 如下 ： ， ( 1 ) 随着单位立方米混凝土胶材总量的降低 ， 混凝土各龄 强度均有所降低， 下降幅度并不大。 这是由于特细砂只是起到填 充密实作用， 需水量小 ， 单位立方米混凝土用水量减少， 混凝土 的水胶比变化并不显著。 ( 2 ) 虽然胶材总量减少了， 但拌合物的和易性和工作性保 持 良好 。 ( 3 ) 在胶材总量仅为 4 0 0k g ／ m 的情况下， 混凝土 2 8 d 标养 强度仍能满足 C 4 5自密实混凝土试配强度要求。 ( 4 ) 在相同的原材料量下， 使用聚羧酸高效外加剂与脂肪族 ( 羟基) 磺酸盐高效减水剂复合的外加剂， 2 8 d 强度提高了2 0 ％以 9 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 6 混凝土拌合物 自密实性 能试验 ≈ 、 唾 编 号 图 1 混凝土强度试验结果 上 ， 3 d强度提高了 4 0 ％以上。 使用聚羧酸高效外加剂与脂肪族 ( 羟基) 磺酸盐高效减水剂复合的外加剂， 更适合配制高强度的自 密实混凝土， 且大掺量使用固体废弃物( 每立方米混凝土至少使用 4 0 0 k g ) ， 大幅度降低了高强白密实混凝土的成本( 每立方米至少 降低成本 3 0 元以上) ， 有利于高强自密实混凝土的推广利用。 4工程 应 用 4 ． 1 C 5 0自密实混凝土 某工程要求用 C 5 0自密实混凝土， 钢筋、 预留管道叠层 、 纵 横交错 ， 体形复杂， 浇筑困难 ， 要求施工混凝土要有良好的工作 性和保持性 ， 坍落度 1>2 5 0 mm， 扩展度 ≥5 5 0 mm， 工作性能良 好。 配合比如表 7 。 表 7 C5 0自密实混凝土配合比 k g ／ m 混凝土的工作性 、 保持性 良好 ， 坍落度 2 6 5 mm， 扩展度 7 3 0 mm。 混凝土外观光洁、 密实 、 无裂缝， 2 8 d强度全部达到设 计要求。 4 ． 2 C 6 0自密实混凝土 某工程要求用 C 6 0自密实混凝土， 配合 比如下： 表 8 C 6 0自密实混凝- I- ~ g 合 比 k g ／ m 采用 P 0 4 2 ． 5级水泥， 复合掺合料。 浇筑后 3 d强度达到 上接第 9 5页 ( 3 ) 双掺苯丙乳液和有机硅砂浆防水剂， 双掺有机硅砂浆防水 剂和丙烯酸酯共聚物乳液， 都会使混凝土声勘敏感『生 大大减弱。 参考文献 ： f 1 】 戴剑锋 ， 刘晓红 ， 龚俊， 等． 混杂复合材料胶结机理的探讨[ J ] ．甘肃工 业大学学报， 2 0 0 0 ， 2 6 ( 3 ) ： 2 6 — 3 0 ． 【 2 】 何娟， 杨长辉． 聚合物改性混凝土的研究【 J J j 昆 凝土， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 6 5 — 6 7 ． [ 3 】 张岩 ， 张浩博 ， 禹亮， 等． WS P 聚合物混凝土力学性能试验研究Ⅲ． 混 凝土， 2 0 0 8 ( 1 2 ) ： 7 7 — 7 8 ， 8 1 ． [ 4 ]肖力光， 周强， 丁锐， 等． 聚合物对轻集料混凝士性能的影响[J 】 ． 混凝 土， 2 0 0 7 ( 1 0 ) ： 7 1 — 7 3 ． 【 5 】潘永灿， 荀勇．碳纤维织物网一 聚合物砂浆加固混凝土梁受力,tO 能研 究们． 混凝土， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 1 3 3 — 1 3 5 ． 『 6 l 林军志， 赵明阶， 杨洪武． 改性混凝土声学参数与应力相关性试验研 9 8 5 7 MP a ， 7 d强度达到 6 9 MP a ， 拆模后外表光洁、 密实。 5结 论 ( 1 ) 用尾矿废石代替部分细骨料 ， 代替全部粗骨料配制的 自密实? 昆 凝土工作性能、 黏聚性能 、 自密实性能优良， 混凝土拌 合物可泵性好。 ( 2 ) 在胶材总量仅为 4 0 0 k g ／ m 的情况下， 混凝土 2 8 d 标养 强度仍能满足 C 4 5自密实7 昆 凝土试配强度要求。 ( 3 ) 现有技术中的自密实混凝土胶凝材料用量—般在 5 0 0 k m 以上， 水泥用量一般在 3 5 0 k g ／ m 以上。 使用尾矿废石代替部分 细骨料和粗骨料制备 自密实混凝土减低了水泥用量。 ( 4 ) 在相同的原材料量下， 使用聚羧酸高效外加剂与脂肪 族( 羟基) 磺酸盐高效减水剂复合的外加剂， 2 8 d强度提高了2 0 ％ 以上 ， 3 d强度提高 了 4 0 ％以上 。 ( 5 ) 使用聚羧酸高效外加剂与脂肪族( 羟基 ) 磺酸盐高效减 水剂复合的外加剂 ， 更适合配制高强度的自密实混凝土 ， 且大 掺量使用固体废弃物( 每立方米混凝土至少使用 4 0 0 k g ) ， 大幅 度降低了高强自密实混凝土的成本( 每立方米至少降低成本 3 0 元 以上) ， 有利于高强自密实混凝土的推广利用。 参考 文献 ： f 1 1 O K A NU R A H， O U C HI M． S e l f - c o m p a c t i n g c o n c r e t e [ J ] ．J o u r n a l o f Ad — v m me d C o n c r e t e T e c h n o l o g y ， 2 0 0 3 ， 1 ( 1 )： 5 - 1 5 ． 【 2 】赵芸平， 孙玉良， 于涛， 等尾 矿砂石混凝土施工性能的试验研究l J 1 ． 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 9 4 — 1 0 2 ． 【 3 ] 赵芸平， 孙玉良， 于涛， 等． 尾矿砂石混凝土配合比设计研究f J f _混凝 土 ， 2 0 0 9 ( 8 )： 9 1 — 9 3 ． 『 4 1田景松， 杨荣俊 ， 王海波． 北京地区铁尾矿砂在水泥混凝土中的资源 化利用技术研究l J I． 建筑装饰材料世界， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 3 3 — 4 5 ． [ 5 】 陈家珑．尾矿利用与建筑用砂[ J 】 ． 金属矿山， 2 o o 5 ( i ) ： 7 1 — 7 5 ． [ 6 ]杜林华． 我国矿山尾矿、 废石综合利用聊状及其管理制度建设研究【 D ] ． 中国优秀硕士学位论文全文数据库， 2 0 0 8 ( 9 ) ． 作 者简介 联系地址 ： 联系电话 ： 武俊宇( 1 9 7 7 一 ) ， 女， 博士， 主要从事混凝土技术管理及混 凝土技术研究工作。 北京市海淀区北四环西路 9 号 银谷大厦 1 7 0 8 室( 1 0 0 1 9 0 ) O1 0 — 8 2 5 2 5 3 61 究Ⅲ．岩土力学 ， 2 0 0 9 ， 3 0 ( s 1 ) ： 6 9 — 7 4 ． [ 7 ] 赵明阶， 吴德伦． 小波变换理论及其在岩石声学特性研究中的应用I J J _ 岩土工程学报． 1 9 9 8 ， 2 0 ( 6 ) ： 4 7 — 5 1 ． 【 8 】 林军志， 赵明阶， 许锡宾． 混凝土声学参数与应力相关性的试验研 究⋯． 岩石力学与工程学报， 2 0 0 5 ， 2 4 ( s 1 ) ： 4 9 8 8 — 4 9 9 6 ． 【 9 ]9 L I N J u n - z h i ， Z H AO Mi n g - j i e ， wu D e — l u n ， e t a 1 ． U s i n g l o n g i t u d i n a l w a v e o f u l t r a s o u n d t o t e s t s e r v i c e s t r e s s o f c o n c r e t e [ J ] ．2 0 1 1 I n t e ma t i o n ,d C o n f e r e nc e o n F u z z y S y s t e ms a n d Ne u r a l C o mp u t ing ， Ho n g Ko n g， Ch i n a ， 2 0 1 1 ( 2 0 ～ 2 1 ) ： 2 4 — 2 7 ． 作者简介： 林军志( 1 9 8 0 一 ) ， 男， 讲师 ， 博士研究生， 主要从事混凝土材 料研发与结构检测方面的教学和科研工作。 联系地址： 重庆市南岸区学府大道 6 6 号 重庆交通大学河海学院 ( 4 0 0 0 7 4 ) 联 系电话 ： 1 3 3 2 0 2 3 5 1 1 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m