废混凝土细粉料对水泥物理力学性能的影响研究.pdf

文章编号：l 0 0 7 - 0 4 6 X ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 0 3 7 0 4 涸 废混凝土细粉料对水泥物理力学性能的影响研究 S t u d y o f E f f e c t o f Wa s t e C o n c r e t e F i n e P o w d e r o n Me c h a n i c a l P e r f o r ma n c e o f Ce me n t 康明 ( 上海宝田新型建材有限公司，上海2 0 0 9 4 2 ) 摘要：研 究了废混凝土细粉料对水泥标准稠度需水量、凝结时间、流动度、强度和干燥收缩率等物理力学性能的 影响。研究结果表明，废混凝土细粉料对水泥物理力学性能具有重要影响，使得水泥浆体标准稠度需水量 增 大 ，初凝和 终凝 时 间缩短 ，水泥砂 浆流动度 降低 ，3 d和 2 8 d抗 压 强度及抗 折强度 显著 降低 ；但 废混 凝 土 细粉料 能 降低 水泥砂 浆 早期 干 燥收 缩 率 ，改善 水 泥砂 浆早 期干 燥 收缩 性能 。在 一 定掺 量 范围 内，废 混 凝土细粉料仍能确保水泥具有较好的物理力学性能。 关键词： 水泥砂浆 ，废 混凝土细粉料 ，物理力学性能，干燥收缩性能 中图 分 类 号 ：X7 9 9 1 T Q1 7 2 9 7 9 文 献 标 志码 ：A O 前 言 目前针对废混凝土细粉料的研究和应用，主要集中 作为水泥煅烧原材料、活性激发以及替代部分水泥制备 再生混凝土等方面，并取得了一定的成果，但在其掺量 变化对水泥性能影响以及其在水泥中合适掺量范围的研 究还很少。基于此， 本文在分析废混凝土细粉料化学成分 、 矿物组成和颗粒粒度等物理力学性能参数基础上，研究 了废混凝土细粉料掺量变化对水泥浆体 ( 砂浆)的标准 稠度需水量、凝结时间、流动度、强度和干燥收缩率等 物理力学性能的影响，以期为废混凝土细粉料用于水泥 基材料提供一定的参考和指导。 1 试 验 1 1原材料 试验用水泥为 P I I 5 2 5 R硅酸盐水泥，海螺水泥有 限公司生产，化学组成和物理力学性能分别如表 1 和表 2 所示， 颗粒粒度分布如图 1 所示。 试验用废混凝土细粉料 ( 简称 C F P) 是由上海宝田 新型建材有限公司回收的 C 3 0废弃混凝土剔除石子后， 经磨细加工得到的粉体材料。勃氏比表面积为 3 8 5 k g m 2 ， 化学组成如表 1所示，经 X R D射线衍射分析仪测定，主 要矿物组成是石英、碳酸钙和钙矾石等；颗粒粒度分布 如图 1 所示。 试验用砂为I S O标准砂。 试验用水为自 来水。 表 1 水泥和废混凝土细粉料的化学组成 组件 Ca O S i O 2 A1 2 0 3 F e 2 0 3 S O 3 Na 2 0 Mg O K 2 0 T i O 2 Mn O Z n O S r O L O I 水泥 6 5 2 2 0 8 4 9 9 3 2 2 2 2 2 0 2 1 1 1 4 0 6 6 0 2 2 0 0 5 O 1 0 0 1 3 1 0 6 CF P 1 7 0 5 7 2 9 】 0 3 6 l 1 3 8 】 2 7 】 3 5 2 3 7 045 0 0 8 0 0 1 0 0 3 表 2 水泥的物理力学性能 颗 粒粒 径 m 图 1 试验用水泥和废混凝土细粉料的颗粒粒度分布曲线 1 2 配合比及试验方法 水泥净浆中，废混凝土细粉料替代水泥的质量分数 分别为0 、1 0 、2 0 、3 0 、4 0 和5 0 ，用水量为标 5 2 0 1 5 粉煤灰 3 7 准稠度时的需水量。水泥砂浆中，废混凝土细粉料替代 水泥的质量分数分别为 0 、1 0 、2 0 、3 0 、4 0 和 5 0 ，胶砂比固定为 1 ： 3 ，水胶比固定为0 5 0 。 试验内容包括水泥净浆的标准稠度需水量、凝结时 间，水泥砂浆的流动度， 3 d和 2 8 d抗折强度和抗压强度 以及 2 8 d 干燥收缩率。 水泥净浆的标准稠度需水量和凝结时间的测试按照 G B T 1 3 4 6 2 0 1 1 水泥标准稠度用水量、凝结时间、安 定性检验方法进行。水泥砂浆的流动度按照 G B T 2 4 1 9 2 0 0 5 水泥胶砂流动度测定方法 ，水泥砂浆的抗 折强度及抗压强度测试按照 G B T 1 7 6 7 1 1 9 9 9 水泥胶 砂强度检验方法 ( I S O法 ) 进行，水泥砂浆的干燥收缩 率测试参照J G J T 7 O 一2 0 0 9 建筑砂浆基本性能试验方法 标准进行。 2 结果及分析 2 1 废混凝土细粉料对水泥净浆性能的影响 ( 1 ) 标准稠度需水量。图 2显示了废混凝土细粉料 掺量变化对水泥标准稠度需水量的影响。可以看出，随 着废混凝土细粉料掺量的增大，水泥浆体的标准稠度需 水量逐渐增大。未掺废混凝土细粉料的水泥净浆 ( 基准 水泥净浆 ) ，其标准稠度需水量为 2 6 0 ；当废混凝土细 粉料掺量为 1 0 和 2 0 时，水泥浆体的标准稠度需水量 分别略微增大为 2 6 3 和 2 6 7 ；当废混凝土细粉料掺 量超过 3 0 时，水泥浆体的标准稠度需水量显著增大； 其掺量 3 0 时，水泥浆体标准稠度需水量为 2 7 6 ；其 掺量分别为 4 0 和 5 0 时，水泥浆体的标准稠度需水量 已分别增大至 2 8 6 和 2 9 6 。由此可见，废混凝土细 粉料对水泥标准稠度需水量具有显著的影响，且随着其 掺量增大，水泥标准稠度需水量逐渐增大；但在其掺量 小于 2 0 时，废混凝土细粉料对水泥标准稠度需水量的 影响相对较小。废混凝土细粉料的颗粒粒径远大于水泥， 图 2 废混凝土细粉料对水泥标准稠度需水量的影响 3 8 CoAL AsH 5 2 01 5 且颗粒分布较为均匀 ( 图 1 ) ，由此可知，废混凝土细粉 料导致水泥标准稠度需水量增大，应该是与其颗粒的形 状和颗粒密实度密切相关，而其颗粒粒径大小的影响很 小。 ( 2 ) 凝结时间。图 3显示了废混凝土细粉料掺量变 化对水泥凝结时间的影响。可以看出，随着废混凝土细 粉料掺量增大，水泥浆体的初凝时间呈现出逐渐减小而 后又有所增大的趋势，废混凝土细粉料掺量 3 0 时，水 泥浆体初凝时间最短 ( 为 8 5 ra i n ) ，相对于未掺废混凝土 细粉料的基准水泥净浆缩短了 2 0 m i n ；之后随着废混凝土 细粉料掺量增大， 水泥浆体初凝时间延长， 其掺量 5 0 时， 水泥浆体的初凝时间已超过基准水泥净浆。 随着废混凝土细粉料掺量增大，水泥浆体的终凝时 间也呈现出逐渐减小而后又有所增大的趋势，但与初凝 时间变化情况有所不同，废混凝土细粉料掺量 1 0 时， 水泥浆体的终凝时间最短 ( 为 1 4 0 m i n ) ；之后随着废混凝 土细粉料掺量增大到 4 0 ，水泥浆体的终凝时间基本保 持在 1 5 0 m i n ，而其掺量 5 0 时，水泥浆体终凝时间又有 所延长，为 1 7 0 m i n ，与基准水泥净浆的终凝时间相同。 以上分析表明，废混凝土细粉料会显著影响到水泥 浆体的初凝时间和终凝时间，一定掺量范围内会导致水 泥浆体的凝结时间缩短，但水泥浆体的凝结时间仍满足 水泥标准中规定值要求。 1 8 0 1 6 0 1 4 0 i 1 2 o 置1 0 0 囊 8。0 40 2 O 0 图 3 废混凝土细粉料对水泥凝结时间的影响 2 2 废混凝土细粉料对水泥砂浆性能的影响 ( 1 ) 流动性。图 4显示了废混凝土细粉料掺量变化 对水泥砂浆流动度的影响。可以看出，随着废混凝土细 粉料掺量增大，水泥砂浆的流动度逐渐降低。废混凝土 细粉料掺量 1 0 时，水泥砂浆的流动度基本保持不变； 之后随着其掺量增大，水泥砂浆的流动度呈现出线性降 低的趋势，当废混凝土细粉料掺量 5 0 时，水泥砂浆的 流动度仅为 1 4 0 m m，相对于未掺废混凝土细粉料的水泥 砂浆 ( 基准砂浆) ，降幅达3 0 m m 。随着废混凝土细粉料 掺量增大， 水泥砂浆流动度的变化趋势与水泥浆体标准 稠度需水量的变化趋势相吻合。分析表明，废混凝土细 粉料对水泥砂浆的流动度具有显著影响， 其掺量宜控制 在一定的范围内。 图 4 废混凝土细粉料对水泥砂浆流动度的影晌 ( 2 ) 抗压强度。图 5显示了废混凝土细粉料掺量变 化对水泥砂浆抗压强度的影响。可以看出，随着废混凝 土细粉料掺量增大， 水泥砂浆的 3 d和 2 8 d抗压强度均 呈现出线性降低的趋势。废混凝土细粉料掺量 1 0 时， 水泥砂浆的 3 d和 2 8 d抗压强度分别为 2 8 3 M P a 和 4 5 9 M P a ，均约为基准砂浆同龄期强度的8 5 ；废混凝土细粉 料掺量 2 0 时，水泥砂浆的 3 d和 2 8 d抗压强度分别为 2 3 9 M P a和 4 1 4 M P a ，分别为基准砂浆同龄期强度的 7 2 和 7 6 ；废混凝土细粉料掺量 5 0 时，水泥砂浆的 3 d和 2 8 d抗压强度分别为 1 0 9 M P a 和 2 1 8 M P a ，更是 仅分别为基准砂浆同龄期强度的3 2 和4 0 。分析表明， 随着废混凝土细粉料掺量增大， 水泥砂浆 3 d和 2 8 d抗 压强度均显著降低，且 3 d抗压强度降幅大于 2 8 d抗压 强度的降幅；但废混凝土细粉料掺量较小时，仍能确保 水泥砂浆具有较高的抗压强度。 图 5 废混凝土细粉料对水泥砂浆抗压强度的影响 ( 3 ) 抗折强度。图 6显示了废混凝土细粉料掺量变 化对水泥砂浆抗折强度的影响。可以看出，类似于抗压 强度变化趋势，随着废混凝土细粉料掺量增大，水泥砂 浆的 3 d和 2 8 d抗折强度也均呈现出线性降低的趋势。废 混凝土细粉料掺量 1 0 时，水泥砂浆的 3 d和 2 8 d 抗折 强度分别为 6 3 M P a和 7 7 M P a ，为基准砂浆同龄期强度 的9 3 以上；废混凝土细粉料掺量 2 0 时，水泥砂浆的 3 d和 2 8 d抗折强度分别为 5 0 M P a 和 6 7 MP a ，分别为 基准砂浆同龄期强度的 7 8 和 8 1 ；废混凝土细粉料掺 量 5 0 时，水泥砂浆的 3 d和 2 8 d抗折强度分别为 2 9 M P a和 4 5 M P a ，仅分别为基准砂浆同龄期强度的 4 5 和 5 4 。分析表明，随着废混凝土细粉料掺量增大，水 泥砂浆 3 d和 2 8 d 抗折强度也均显著降低，3 d抗折强度 降幅大于 2 8 d抗折强度的降幅；与抗压强度相比， 废混 凝土细粉料对抗折强度的影响相对较小；废混凝土细粉 料掺量较小时，仍能确保水泥砂浆具有较高的抗折强度。 图 6 废混凝土细粉料对水泥砂浆抗折强度的影响 ( 4 ) 干燥收缩率。图 7显示了废混凝土细粉料掺量 变化对水泥砂浆 2 8 d内干燥收缩率的影响。可以看出， 随着水化龄期延长， 水泥砂浆的干燥收缩率逐渐增大。 水化龄期 1 4 d以内时，掺加废混凝土细粉料的水泥砂浆 的干燥收缩率略低于基准砂浆；废混凝土细粉料掺量 5 0 时，水泥砂浆 1 4 d内的干燥收缩率最小，但总体而 言废混凝土细粉料掺量变化的影响较小。水化龄期 2 8 d 时，废混凝土细粉料掺量小于 2 0 的水泥砂浆干燥收缩 率略低于基准砂浆，但其掺量超过 3 0 时，水泥砂浆的 干燥收缩率已达到甚至略微超过基准砂浆。分析表明， 废混凝土细粉料有利于降低水泥砂浆早期的干燥收缩率， 其掺量变化的影响作用较小；随着水化龄期的延长，废 JllL 好 H - 1 4 2 1 2 8 龄期， d 图 7 废混凝土细粉料对水泥砂浆干燥收缩率的影响 5 2 o 1 5 粉煤 灰 3 9 舳 加 柏 加 m 目 目 、 需 =兮 乏 j 叭 0 O 0 0 0 O 混凝土细粉料对干燥收缩率的改善效果逐渐减弱，甚至 导致干燥收缩率有所增大。废混凝土细粉料有利于改善 水泥砂浆早期干燥收缩率，与其能吸附部分水分、降低 水泥水化早期的有效水分，导致水泥浆体标准稠度需水 量增大和水泥砂浆流动度降低有关。 3 结 论 通过研究废混凝土细粉料对水泥物理力学性能的影 响，得到以下结论： ( 1 ) 废混凝土细粉料对水泥物理性能具有重要影响， 导致水泥浆体标准稠度需水量增大，水泥砂浆的流动度 降低；一定掺量范围内，导致水泥浆体的初凝和终凝时 间缩短。 ( 2 ) 废混凝土细粉料也显著影响到水泥砂浆的力学 性能，导致水泥砂浆 3 d和 2 8 d抗压强度及抗折强度显 著降低，且其掺量越大，降幅越显著；相比较而言，废 混凝土细粉料对水泥砂浆抗压强度的影响更大；但在一 定掺量范围内，废混凝土细粉料仍能使得水泥砂浆具有 较高的抗压强度和抗折强度。 ( 3 ) 废混凝土细粉料能改善水泥砂浆早期的干燥收 缩性能，降低 1 4 d以内的干燥收缩率，但与其掺量变化 基本无关；其掺量较小时， 废混凝土细粉料也有利于改 善水泥砂浆 2 8 d的干燥收缩率。综合上述性能变化规律 可知，一定掺量范围内，废混凝土细粉料仍能确保水泥 具有较好的物理力学性能。 作者简介：康明 ( 1 9 7 0 一)，男，博士 ，高级工程师 ，研究方向主要是 固体废弃物资源化利用研究。E ma i l ：k a n g mi n g 1 9 7 0 1 6 3 c o rn 收稿 日期： 2 0 1 5年 4月 2 4曰 ( 上接第 1 5页) 表 4 易烧性评定结 原 料 配 合 比 ( ) 粉 煤 灰平均 烧成后熟 试验编号 粉煤灰 石灰石 硅石 其它 编号 3 2 u m以上 料r - c a 0 的关系图如图 1所示。图中表明，粉煤灰细度 3 2 L L m 以 上的颗粒在 1 0 以下，游离氧化钙含量非常小，易烧性 良好。熟料低温煅烧评定：将生料在 1 3 5 0 下煅烧，对 烧成的熟料测定游离氧化钙含量，评定低温烧成的可行 性。具体过程是为接近普通硅酸盐水泥熟料矿物组成，按 H M= 2 1 、S M = 2 6 、I M = I 8 4的各率值，制备生料。将其 投入温度设定在 1 0 0 0 C 的上述试验窑 中，升温至 1 3 5 0 后 ，恒温 3 0 m i n ，卸料。这里，1 0 0 0 至 1 2 0 0 的升温速度为 1 0 K ra i n ，1 2 0 0 至 1 3 5 0 C 升温速度为 2 5 K m i n 。同样按水泥标准中游离氧化钙测定方法测定烧 成熟料的游离氧化钙含量。测定结果如表 5 所示。表 5中 表明，由于对比试验 1 使用的是原普通硅酸盐水泥用的未 细磨加工的粉煤灰，游离氧化钙含量高，难以在 1 3 5 0 C 下烧成；而试验 1 - 3采用上述低温煅烧工艺，烧成的熟 料其游离氧化钙含量大幅降低，熟料低温烧成可行。 颗 粒 粒 径 含 量 3 结 语 注 ：粉煤灰编号是指表1 和2 中的排号 量，评定易烧性。评定结果如表 4所示。根据上述结果， 使用细度在 3 2 m 以上的粉煤灰与熟料游离氧化钙含量 Q coAL AsH 5 20 1 5 南上可见，采用所推出的低温煅烧工艺，不需使用 特定的矿化剂，就能有效提高熟料易烧性，因此既节能， 又减少 c 0 排放量，对创建良好的低碳环境将具有积极 的作用。该工艺尚处于半工业化阶段，还有待进一步充 实和完善，以期实现全工业化生产。 收稿 日期： 2 0 1 5年 3月 2 7日