铸造废砂对混凝土强度的影响.pdf

2 0 1 3年第 l 2期 1 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C 0NCRE T E AN D C EME NT P R0DUC T S 2 01 3 No 1 2 De c e mb e r 铸造废砂对混凝土强度的影响 谢 一飞 ， 楼浙湘 ， 田 寅 ( 1 苏州混凝土水泥制品研究院有限公 司、 江苏省高耐久混凝土工程技术研究 中心 ， 2 1 5 0 0 4 ； 2 湖南路桥建设集团公司 。 长沙 4 1 0 0 0 4 ) 摘 要 ： 使 用未处理 和处理后 的铸 造废砂取代 天然砂制备 混凝 土 ， 并对混凝土 的性 能作 了对比分析 。结果表 明， 与基 准混凝土相比 ， 用未处理 的废砂取代 天然砂时 ， 随着取代 率的提 高， 混凝土 的流 动性变差 ， 抗 压强度也随之 降低 ； 处理后 的废砂 与未处理废砂对混凝土性能的影响趋 势一致 ， 抗压 强度有所提 高， 当仅取代 天然砂 中的细砂 时， 对混凝 土 的抗 压 强度 几 乎 没 影 响 。 关键词 ： 铸造废砂 ； 废砂 处理 ； 抗压 强度 ； 流动性 Ab s t r a c t ：r I 1 l e g r e e n c o n c r e t e s a r e p r e p a r e d b y u s i n g u n t r e a t e d a n d t r e a t e d w a s t e f o u n d r y s a n d t o p a r t i a l l y s u b s t i t u t e t h e n a t u r a l s a n d s 。a n d t h e p e r f o r ma n c e s o f the t wo k i n d s o f c o n c r e t e s w e r e c o mp a r e d a n d a n a l y z e d T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t c o mp a r i n g wi t h t h e r e f e r e n c e c o n c r e t e ，t h e l i q u i d i t y a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f the c o n c r e t e wi t h u n t r e a t e d w a s t e f o u n d ry s a n d d e c r e a s e w i th t h e c r e a s i n g t h e c o n t e n t o f the wa s t e f o u n d ry s a n d ；t h e e ff e c t t e n d e n c y o f t r e a t e d w a s t e f o u n d ry s a n d o n t h e p e r f o rm a n c e s o f c o n c r e t e a r e c o n s i s t e n t w i t h t h o s e o f u n t r e a t e d wa s t eu n d ry s a n d ， a n d t h e p e rfo rm a n c e s h a v e a c e r t a i n i mp r o v e me n t Wh e n u s i n g a l l t h e t r e a t e d wa s t e f o u n d ry s a n d t o r e p l a c e t h e fin e s a n d i n n a t u r a l s and ， i t S f o u n d t h a t t r e a t e d w a s t e f o u n d ry s a n d h a s h a r d l y e ff e c t o n t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e c o n c r e t e Ke y wo r d s ： Wa s t e f o u n d ry s a n d ； T r e a t me n t o f wa s t e s a n d ； C o mp r e s s i v e s t r e n gth ； F l u i d i t y 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 2 0 1 3 ) 1 2 7 3 一 O 3 0前 言 砂型铸造是铸造工艺 中的一个重要组成部分 ， 我国铸件年产量在 1 0 0 0万 t 以上 ， 循环用砂量 高达 1 0 0 0 0万 t 。 废砂的回收率约在 8 O 一 9 0 ， 但是全国 每年废弃 的废砂大约有 1 0 0 0万 t ， 也 就是说 每生 产 1 t 铸件就会产生 1 t 废砂。 目前 ， 除了少量废砂再 生回用外 ， 大部分以丢弃为主。因此 ， 废砂的处理和 利用 已经成为亟待解决的问题 。随着可开采河砂 E t 益减少 ， 混凝 土 中细骨料 的成本越来越高 ， 使用铸 造废砂代替天然砂可 以综合提高资源利用 的社会 效益 、 经济效益和环境效益【 l - 2 1 。本文针对铸造废砂 的处理以及在混凝土中的应用做 了初步探讨。 1 试 验 1 1 原材料 水泥 ： P 0 4 2 5级普通硅酸盐水泥。 天然粗骨料 ： 5 2 5 m m连续级配石子。 天然细骨料 ： 天然河砂 颗粒级配见表 1 ， 细度 模数 2 8 9 。 废砂 ： 使用某铸造公司经粉碎 、 磁选 、 烘干后 的 铸造废砂 ， 颗粒级配见表 1 ， 细度模数为 1 5 ， 主要化 学组成见表 2 。 外加剂 ： J C 一 4缓凝高效减水剂。 表 1 河砂与废砂 的级 配 水 ： 自来水 。 1 2 实验仪器 X R F荧光分 析仪 ： 瑞士 A RL 一 9 8 0 0型 ， 无标 样 半定量分析测量软件 U N I Q U A N T 。X射线管功率： 4 2 k W、 6 0 k V ( M a 、 1 4 0 m A( Ma x ) ， 用于检测废砂 的主 要化学成分 。 一 7 3 2 0 1 3年第 l 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 2期 球磨机 ： X Q M一 2 L型变频行星式球磨机。 l - 3 试 验 方法 混凝土设计强度为 C 4 0。基准试样编号为 S O ； 废砂混凝土的试验分为两部分 ： 使用废砂分别代 替 2 0 、 4 0 、 6 0 的河砂， 试样编号为 s 1 、 s 2 、 s 3 ； 使用废砂完全代替通过 0 6 mm筛 的细河砂 ， 试样编 号为 S F ， 每个试样组数为 6组 ， 混凝土配合 比如表 3 所示 。 表 3 废砂混凝土配合比 k dm 2 试 验 结果 与分 析 2 1 混凝土坍落度 混凝土坍落度见表 4 。 表 4 不 同试样混凝土的坍落度 编 号S O S 1 S 2 S 3 S F 坍落度 1 0 0 1 0 0 9 0 8 0 9 0 由表 4可知 ， 随着废砂掺量的提高， 混凝土的流 动性 随之略有降低 ， 当使用废砂代替天然砂 中的细 砂时 ， 流动性也有所下降。这主要是 因为废砂 细度 较高 ， 比表面积大 ， 吸附水泥的能力相对较高 ， 而且 其本身的吸水性也高于天然砂 3 1 。因此， 在配置废砂 混凝土时 ， 如果需要保证 其流动性 ， 需要适 当提高 水灰比或增加减水剂的使用量。 2 2混凝土立方体抗压强度 混凝土立方体抗压强度见表 5 。 表 5 混 凝 土立 方 体 抗 压 强 度 MP a 编号 S 0 S l S 2 S 3 S F 7 d抗压强度 4 2 5 4 0 0 3 7 1 3 4 7 3 9 3 2 8 d 抗压强度 5 0 9 4 7 7 4 5 2 4 1 5 4 8 1 由表 5可知。 随着废砂掺量的提高 ， 混凝土立方 体试件抗 压强度不断降低 ，当掺量超过 4 0 以后 ， 强度降低大于 1 0 。 从宏观上分析 ， 这是 因为大部分废砂粒径小于 0 6 m m，颗粒级配与天然 中砂有较大区别 ，掺量越 多 ， 骨料级配越不合理 ， 混凝土 中骨料填充越不充 分 ： 而且 随着 骨料 的比表 面积不 断增大 ， 需要更多 的凝胶材料 ，但是在砂率 和水泥用量不 变的情况 下 ， 水泥浆 的含量显得不足 ， 对骨料包裹不均匀 ， 进 而对混凝土的强度有一定的影响。 从微观上分析 ， 由于铸造工艺， 铸造废砂表面一 般包裹着一层主要成分为硅酸钠的惰性膜 。由于铸 造过程 的影响 硅酸钠失水成为高模数水玻璃 晶 7 4 体 ， 在混凝土中高模数水玻璃 晶体表层遇水形成低 模数的水玻璃溶液 ， 部分水玻璃溶液会与水化反应 中的氢氧化钙反应生成水化硅 酸钙 ， 另有部分会再 次失水成为硅酸钠晶体。原有的惰性膜与新形成的 硅酸钠 晶体强度较低 ， 相互之间结合度较差 ， 与骨料 的结合度也 比较低 。因此 ， 降低 了混凝 土的最终强 度。另外 ， 惰性膜的表面含有碳酸钠和碳酸氢钠 ， 这 两种物质会消耗水泥中的石膏 在水化反应的初期 促使铝酸三钙迅速进入溶液 ， 形成强度不高 的铝酸 盐 ， 也会影响混凝土的强度 。 3 废 砂 的处理 及对 混凝 土性 能的影 响 3 1 废砂 处理 为了提高铸造废砂混凝土的性能 。对废砂进行 了处理 ，主要是去除废砂表面的惰性膜和碳酸钠 、 碳酸氢钠 。 由于铸造过程的高温环境 ，硅酸钠失水成为高 模数水玻璃 晶体且结 晶度相 当高 ， 因此 不能采用 一 般的湿法 ( 水洗涤法 ) 去除惰性膜嘲 。本实验采用 了热碱溶液浸泡法。步骤如下 ： ( 1 ) 使用球磨机将废砂进行表面粉磨 粉磨的 目的是破坏废砂表面的惰性膜 由于高 模数水玻璃晶体脆性较大。因此 ， 采用低转速球磨 ， 依靠表面摩擦 即可使大部分惰性膜破坏脱落 同时 避免 了对废砂本身的破坏。 球磨机球磨罐的公一自转 比为 1 ： 1 7 5 公转速度 为 1 0 0 r m i n ， 料球质量 比为 1 ： 1 0 ， 粉磨时间 1 h 。由于 球磨转动速率较低 。 对废砂的破坏程度较小 。 粒径变 化不大。粉磨后废砂的粒径见表 6 。 ( 2 ) 将粉磨后的废砂浸泡在热碱液 中搅拌 因为只用水浸泡无法使 高模 数水玻璃充分溶 解 ， 所 以采用 8 0 、 浓度 为 0 1 m o F L的氢氧化钠溶 液进行浸泡 。 并不间断搅拌 1 h 。 ( 3 ) 将废砂充分洗涤 、 干燥 谢一飞， 楼浙湘 ， 田 寅 铸造废砂对混凝土强度 的影 响 为了将废砂 中的碳 酸钠和碳 酸氢钠 去除 以及 值与混凝土用拌合水相 同。 避免残余氢氧化钠溶液对混凝土产生影响 ， 对热碱 3 2 处理后 的废砂对混凝土性能的影响 液浸泡过的废砂用 自来水进行洗涤 ，洗涤至其 p H 处理后废砂的化学组成见表 7 。 表 7 处理后废砂的化学组成 对 比表 7与表 2可知 ， 经过处理 ， 废砂中 N a元 素 ( 来源于惰性膜 ) 含量明显 降低 ， 其 它元素变化很 小 ， 说 明此方法可以在很大程度上减少惰性膜 同时 也不会破坏废砂的成分。 处理后废砂对混凝土性能的影响实验采用与未 处理废砂相 同的实验方法 ：一是使用处理后的废砂 分别代替 2 0 、 4 0 、 6 0 的河砂 ，试样编号为 C 1 、 C 2 、 C 3 ；二 是 使 用 处 理 后 的 废 砂 完 全 代 替 通 过 0 6 m m筛 的细河砂 ， 试样编号为 C F ， 每个试样组数 为 6组。其配合 比如表 8所示 。 表 8 处理后废砂 混凝 土的配合 比 k g m 用处理后 的废砂生产混凝 土 ， 其立方体试件抗 压强度见表 9 。 表 9 处理后 的废砂混凝 土立方体试件抗压强度MP a 对 比表 5及表 9可知 处理后的废砂与未处理 的废砂对混凝土性能 的影响趋势完全一致 混凝土 的抗压强度有所提高。当用处理后的废砂取代粒径 小于 0 6 ra m的细砂时 混凝土的抗压强度基本没有 变化 。 4结 论 ( 1 ) 随着未处理废砂取代率的增大， 新拌混凝土 的流动性降低 。 立方体抗压强度有 明显降低。当用 废砂取代天然砂 中小于 0 6 mm细砂时 。 混凝土的流 动性 和抗压强度变化较小。 ( 2 ) 经过处理后 的废砂部分取代天然砂虽然也 会导致混凝土抗 压强度降低 。 但较之未处理废砂混 凝土有所改善 。当只取代小于 0 6 mm的细砂时 ， 对 混凝土强度几乎没有影响。 ， ( 3 ) 与未处理的废砂相 比较 ， 处理后的废砂使混 凝土 的抗压强度略有提升 ， 但在处理过程 中也增加 了成本。因此 ， 建议在 实际生产应用 中 ， 需综合考 虑 原材料 、 产 品性能 、 经 济成本 等 因素 ， 确定 最佳 方案 。 参考文献 ： 1 牟 艳秋， 巴吾 东， 刘世 森， 等 铸造废砂 的再利用 J 铸造技 术， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 1 0 ) ： 1 3 5 8 1 3 6 0 2 】 刘 日鑫 铸造废砂的综合利用进展 J 中国资源综合利用， 2 0 0 8 ( 1 0 ) ： 2 6 2 8 3 】 刘 日鑫 胶粉 、 废 砂 、 水泥 混凝土材 料的研究 D 】 昆 明： 昆 明理工大学。 2 0 0 7 f 4 】 刘 日鑫， 孙可伟 ， 林 志伟， 等 铸造 水玻璃 废砂 在混凝 士 中 的应用 J 铸造， 2 0 0 6 ， 5 5 ( 1 1 ) ： 1 2 0 3 1 2 0 5 5 袁 礼东 水 玻璃 旧砂干 法再 生研究 【 D 】 昆 明： 昆明理 工大 学 2 0 0 7 收稿 日期 ： 2 0 1 3 1 O 一 2 8 作者简介 ： 谢一 飞 ( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 助理工程师 。 通讯地址 ： 苏州 市三香路 7 1 8号 联系 电话 ： 1 8 8 6 2 1 9 9 6 0 6 E -ma i l ： t ha n k o n e f l y 1 6 3 c o m 一 7 5