垃圾焚烧灰和矿粉对混凝土脆性和抗裂性的影响.pdf

第3 7 卷第6 期 2 0 1 4 年 l 1 月 非金 属 矿 N o n M e t a l l i c M i ne s VOI 37 NO 6 N o ve m be r ，201 4 垃圾焚烧灰和矿粉对混凝土脆性和抗裂性的影响 宋旭艳 韩静云 游多 郜志海 ( 1 苏州科技学院 土木工程 学院，江苏 苏州2 1 5 0 1 1 ；2 河海大学 力学与材料学院，江苏 南京2 1 0 0 9 8 ) 摘要基于实际工程常用的C 3 0泵送混凝土配比， 利用矿粉、 垃圾焚烧灰以单掺、 复配的方式替代水泥后配制掺合料混凝土。测定其凝结 时间、 坍 落度和坍落度经时损失等基本施 X - 性能 ， 并根据各体 系混凝土的拉压 比分析其脆性 ， 同时利用平板法研 究矿粉、 垃圾焚烧灰对混凝 土早期 开裂的影响规律， 结果表明， 垃圾焚烧灰作为单一掺合料时， 对混凝土的性能尤其是早期抗开裂性能影响不利， 但在与高活性矿粉的复合使用时， 所 配制的掺合料混凝土抗裂性能明显得到改善 ， 并且其抗压强度仍 能达到 C 3 0的强度设计要 求 关键词垃圾焚烧灰； 掺合料混凝土； 脆性； 早期开裂 中图分类号 ： X 7 0 5 ； T Q1 7 2 7 1 7 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 - 8 0 9 8 ( 2 0 1 4 ) 0 6 - 0 0 3 3 - 0 4 Ef f e c t o f W a s t e I nc i n e r a t i o n As h a n d S l a g o n Br i t t l e n e s s a n d Cr a c k Re s i s t a n c e o f Co n c r e t e So n g Xu ya n。Ha n J i n g y u n Yo u Du o Ga o Zhiha i 。 ( 1 Co l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S u z h o uU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y , S u z h o u ， J i a n g s u 2 1 5 0 1 1 ； 2 Co l l e g e o f Me c h a n i c s a n dMa t e r i a l s ， Ho h a i Un i v e r s i t y , Na n j i n g ， J i a n g s u 2 1 0 0 9 8 ) Ab s t r a c t Ba s e d o n C3 0 p ump i n g c o nc r e t e mi x，s l a g a nd wa s t e i n c i n e r a t i o n a s h i n di v i d u a l l y o r i n t e r m i x e d ma y b e us e d a s a d mi x t u r e t o p r e p a r e c o n c r e t e Ba s i c c o n s t r u c t i o n p e r f o r ma n c e s u c h a s s e t t i ng t im e ， s l u mp a n d s l u mp l o s s c a n b e d e t e rm i n a t e d Ac c o r d i n g t o t e n s i o n s t r e ng t h a n d c omp r e s s i o n s t r e n g t h r a t i o o f c o n c r e t e s y s t e m，i t s b r i t t l e n e s s c a n b e d i s c us s e d By p l a t e me t h o d ，i n flu e n c e o f s l a g o r wa s t e i n c i n e r a t i o n a s h o n e a r l y c r a c k i n g o f c o n c r e t e ma y b e s t u d i e d Th e r e s u l t s c a n s h o w t h a t ： wa s t e i n c i ne r a t i o n a s h a s a s i n g l e a d mi x t u r e ，i t s i n flu e n c e o n c o n c r e t e pe r f or ma n c e e s p e c i a l l y e a r l y c r a c k i n g r e s i s t a n c e c a n b e po o r Bu t wh e n wa s t e i n c i ne r a t i o n a s h a n d s l a g wi t h s u pe r i o r a c t i v i t y ma y b e u s e d t o g e t h e r a s c o m p o s i t e a dmi x t u r e ，c r a c k r e s i s t a n c e o f t he c o r r e s p o n d i ng c o n c r e t e c a n b e o b v i o us l y i mp r o v e d ，a n d i t s c o mp r e s s i v e s t r e ng t h c a n r e a c h C3 0 s t r e n g t h d e s i g n r e q u i r e me n t s Ke y wo r ds wa s t e i n c i n e r a t i o n a s h ； a dmi x t u r e c o n c r e t e ； b r i t t l e n e s s ； c r a c k r e s i s t a n c e 随着水泥混凝土需求量的剧增， 加之环境保护和 可持续发展的需要 ， 有效利用各种固体废弃物作为矿 物掺合料受到更多关注 1-2 o目前矿物掺合料的主要 原材料仅限于粉煤灰、 高炉矿渣、 硅灰等几种工业废 渣， 但是在工业化进程 日益加剧的今天， 各类工业排 放的固体废弃物种类和数量越来越多， 如钢渣、 磷矿 渣、 城市生活垃圾渣等， 其中， 随着城市生活垃圾的排 放及其焚烧法对其的处置， 城市生活垃圾焚烧灰渣的 产生量 日益增多 ， 从节约资源、 环境保护等角度出发， 混凝土中矿物掺合料 的应用势必还需 向更广阔的领 域延伸。本课题拟将垃圾焚烧灰和矿粉混合成复合 掺合料用在混凝土中， 旨在高活性矿粉的使用过程中 也能将垃圾焚烧灰得到适当应用。 1 实验部分 1 】 原料矿粉外观为白色粉末， 质量等级为$ 9 5 ， 勃 氏比表面积为 4 2 5 m2 k g ， 密度为 2 6 9 4 g c m3 。垃圾焚 收稿 日期 ：2 0 1 4 0 9 1 4 基金 项 目： 江 苏省 高校 自然科 学基金 ( 1 1 KJ D5 6 0 0 0 2) ； 苏州科技 学 院科研基金青年项 目( Z 2 1 1 9) ； 2 0 1 2年度苏州市建设科研 项 目( 苏住 建科 2 0 1 2 1 8号 ) 。 3 3 烧灰取 自苏州七子山垃圾焚烧厂 ， 为淡灰色干燥粒状 粉末。水泥采用天山牌普通硅酸盐水泥 P O 4 2 5 ， 勃氏 比表面积为 3 2 0 m2 k g ， 密度为 2 8 6 4 g c m 3 ， 其它基本 性能见表 1 。砂使用的是赣江砂 ， 经测定其细度模数 Mx为 2 4 6 ， 砂的级配在 区， 属于中砂 ， 其基本物理性 能见表 2 。石子为浙江湖州 的花 岗岩 ， 石子粒径是从 5 - 2 5 1T l l n的连续级粒径。 表 1 水泥基本性能 标 度 初 警 终 警 安 定 性 m i D m l n 抗压强度 P a 抗折强度 P a 2 8 6 2 0 0 2 8 0 合 格 1 6 7 5 05 4 3 8 1 表 2 砂的基本物理性能 1 - 2 实验方法试验基于实 际工地所用 的 C 3 0 混 凝土配合比， 即胶凝材料、 砂、 石质量比为 3 5 7 k g： 7 4 3 k g： 1 0 7 0 k g ， 液 固比 为 0 5 。在 本 次 研 究 中矿 粉、 垃圾焚烧 灰 以单掺或 1： 1 二 元复掺 的方式分 别替代 3 0 胶凝材料后配制各掺合料混凝土， 按照 第3 7 卷第6 期 非金属矿 2 0 I 4 年l 1 月 G B T 5 0 0 8 0 - 2 0 0 2 普通混凝土拌合物性能试验方法标 准中的规范进行混凝土坍落度和凝结时间的测定。 结合工程实际， 工地上的混凝土早期开裂主要是 由于混凝土的早期塑性收缩而造成的， 所以本研究采 用平板法模拟实际工程中受约束的混凝土的开裂 ， 观 察混凝土 2 4 h 裂缝的发展情况 _ 3 。试验时间从混凝 土搅拌加水开始计算， 在 ( 2 4 0 5 ) h 测读裂缝。 根据混凝土浇筑 2 4 h测量得到的裂缝数据来计 算 3个参数： 平均裂缝面积、 单位面积 的裂缝数 目和 单位面积 上的总开裂面积 ， 并 画出混凝土开裂示意 图。其中， 3 个参数的计算公式为： 裂缝的平均裂开面积按公式 ( 1 ) 计算： 日 = Z i ( ra m 2 根 ) ( 1 ) 单位面积的开裂裂缝数 目按公式 ( 2 ) 计算 ： 6 = J v ( 根 m2 ) ( 2 1 单位面积上的总裂开面积按公式 ( 3 ) 计算 ： c ： a x b ( mm2 m 2 ) ( 3 ) 式 中 ： ， 第 i 根裂缝的最大宽度， mm； L ， ， 第 i 根裂 缝 的长度， m m； N， 总裂缝数 目， 根； A， 平板 的面 积 0 3 6 1 T I 。 同时为了排除水分蒸发而导致的失水收缩对混 凝土塑性开裂的影响， 在开裂性能试验的同时， 利用 混凝土失水后质量变化的原理测定混凝土早期水分 蒸发情况。 、 2 结果与讨论 2 1 矿物掺合料对混凝土施工性能的影响研究过 程中采用聚羧酸减水剂调节各配 比混凝土 的初始坍 落度在 ( 1 5 0 d ： 3 0 ) m m， 经试配发现 ， 各组外掺减水剂的 掺量相同。进而测定各组混凝土的坍落度、 坍落度经 时损失以及凝结时间， 试验结果见表 3 。其中聚羧酸 减水剂的固含量为 3 9 ， 取 自苏州市兴邦化学建材有 限公司。 表 3 混凝土凝结时间及坍落度损失结果 编 号_ = = 矿 粉 初 凝 终 凝 0 h 坍 落 度 0 5 h 坍 损 1 h 坍 损 ra in min ml n n u n mi l l 注：CO 为基准水泥混凝土 下 同 通过表 3可 以发现 ， 掺加 3 0 矿粉的体 系初始 坍落度要比基准混凝土小 1 5 I I l lT I ， 但是 0 5 h和 1 h的 坍落度损失相差不是很大 ， 这是因为矿粉过大的比表 3 4 面积 ， 使得混凝土的相对用水量增加， 而影响了混凝 土的初始坍落度， 但是矿粉对于 自由水和减水剂没有 特殊的吸附作用， 故坍落度损失与基准相当。同样 由 于矿粉初始活性较弱 ， 影响了混凝土的水化硬化， 使 其凝结时问较基准的延长一些 【 3 J 。 掺 入 3 0 垃 圾 焚 烧 灰 体 系 的初 始 坍 落 度为 1 7 21T U T I ， 要高于基准 的 1 6 0 m m， 工作性 良好 ， 同时 由 于初始坍落度较大， 在 0 5 h以及 1 h的坍落度损失也 要小于其他配比的混凝土。同时可以发现掺入垃圾 焚烧灰使混凝土的凝结时间， 无论是初凝还是终凝都 有一定的提前， 这主要是在原样垃圾焚烧灰当中含有 大量 的氯盐 ， 而氯盐对混凝土具有早强和促凝作用， 因此使混凝土的凝结时间有所提前 。 对于矿粉和垃圾焚烧灰 1 ：1 复掺的混凝土的工 作性能结果总体上呈现在单掺和复掺的结果之间， 是 由复掺体系中两种矿物掺合料共同影响造成的。 2 2 矿物掺合料对混凝土脆性的影响混凝土是一 种脆性材料， 高的抗压强度以及相对较低的抗拉强度 造成混凝土在实际承载的时候 ， 会发生脆性断裂。本 研究则通过对混凝土的劈裂抗拉强度的测定， 以及对 拉压比的计算探求矿物掺合料对混凝土脆性的影响。 各掺合料混凝土的抗压强度、 劈拉强度及拉压 比结果 见表 4 。 表 4 掺合料混凝土的力学强度及拉压 比 注 ：编 号 含 义 下 同 结合表 4可以发现， 当矿粉单掺 时， 强度已经达 到基准的 1 1 6 ， 矿粉含较高含量的非晶体物质 ， 虽然 矿粉标号为 $ 9 5 ， 但是实际活性更好 。当垃圾焚烧灰 单掺时， 2 8 d 龄期强度仅达到了基准的0 7 0 ， 但 当其与 矿粉复掺时 2 8 d强度达到了 C 3 0的设计要求。 所有掺合料混凝土体系的劈裂抗拉强度均小于 基准体系， 而仅仅通过劈拉强度的绝对大小并不能反 映混凝土的脆性 ， 但可以通过拉压 比来更好地反映。 高强混凝土的脆性反映在其抗拉强度上并不能随抗 压强度的提高而同步成比例地增大， 其抗拉强度的提 高率显著地低于抗压强度的提高率 ， 拉压比随抗压强 度的提高而降低。混凝土强度的拉压比， 往往可作为 如 6 6 5 6 5 0 O O 驺 一 一 如 一 朱鹏飞 ，刘 梅 ，谢晓玲 ，等 稀土改性蛭石 的制备及吸 附c 性能研 究 率迅速提高 ； 当投加量增至 3 0 L时， C 吸附率达 到 9 9 1 2 ； 此后吸附率增幅趋于平缓。综合 吸附剂 性能和成本， 最佳投加量选择 3 0 g L 。 擞加 量 ( g L ) 图8 吸附剂投加量对铜 离子吸附率的影响 3 结论 1 通 过 稀 土 钇、 镧、 铈 对 蛭 石 改 性 制 备 了一 系列复合 吸附剂， 结果发现 ， 铈 改性蛭石效果相 对 较 优， 当铈 改性 剂 质 量 分数 为 0 2 ， 蛭 石粒 径 为 1 5 0 p m， 以 3 0 L投加量处理 p H值 为 7 、 质量浓度 为 5 3 3 mg L的 c u 溶液 时， 反应 6 0 rai n后， 其吸附 率可达 9 9 1 2 ， 表现出很高的吸附性能 ； 2 改性前后蛭石的 F T I R和 X R D结果表明， 稀 ( 上接第 3 5页) 极为不利 ， 从失水率试验 的结果来 看 ， 在早期垃圾焚烧灰混凝土的失水要高于其它各体 系， 自然会引起早期塑性收缩增加。同时垃圾焚烧灰 中含有氯盐， 使水泥的水化进程更加迅速， 加剧了混 凝土的早期化学减缩， 对混凝土早期抗裂性能极为不 利 。 矿粉 一 垃圾焚烧灰二元复掺混凝土体系在成型 3 h后开始裂缝， 与单掺垃圾焚烧灰的混凝土体系相 比， 该体系的裂缝面积明显减小 ， 仅比矿粉混凝土体 系的略高， 与单掺垃圾焚烧灰的混凝土体系相比， 在 垃圾焚烧灰中引入适量矿粉时两者 的协同效应对其 二次水化过程起到了良性调节作用， 结果不但减缓裂 缝出现的时间， 也使收缩裂缝的情况得到大大改善。 3 结 论 1 与基准混凝 土相 比， 掺入矿粉使混凝土初始 的坍落度降低， 但是对混凝土的经时坍落度损失影响 不大， 同时能够延长混凝土的凝结时间。3 0 掺量下 2 8 d 的抗压强度能够达到基准的1 1 6 ， 但是降低混凝土 的拉压比， 增加混凝土的脆性。矿粉还会加剧混凝土 的早期开裂， 使混凝土第一条裂缝出现的时间提前。 2 掺入垃圾焚烧灰提高混凝土的初始坍落度， 而 且能使混凝土的凝结 时间提前。垃圾焚烧灰活性较 弱， 3 0 掺量下2 8 d 抗压强度仅能达到基准的 0 7 0 。 7 3一 土铈改性并未破坏蛭石的基本结构 ， 只是在蛭石表面 或层问引入了一定数量的表面羟基化合物 ， 并促使蛭 石晶粒变小， 使其吸附性能得以提高。 参考文献： 1 】 崔志新 ， 任庆凯 ， 艾胜 书， 等 重金属废 水处理及回收的研究进展 J 环境科学与技术 ， 2 0 1 0 ， 3 3 ( 1 2 ) ： 3 7 5 3 7 7 2 F u F ， Wa n g Q R e mo v a l o f h e a v y me t a l io n s f r o m wa s t e wa t e r s ： A r e v i e w叨 J o u r n a l o f E n v i r o n me n t a l Mana g e me n t ， 2 0 1 1 ( 9 2 ) ： 4 0 7 - 4 1 8 3 张帆 ， 李菁， 谭建华 ， 等 吸 附法处理 重金属废水的研 究进展 【 J 化 工进展 ， 2 0 1 3 ， 3 2 ( I 1 ) ： 2 7 4 9 2 7 5 6 4 张莹， 李洪玲， 肖芙蓉， 等 改性蛭石对汞离子吸附性能的影响 【 J 石河子大学学报： 自然科学版， 2 0 1 1 ， 2 9 ( 5 ) ： 6 1 3 6 1 7 5 石慧， 肖利民， 吴新华 ， 等 蛭石 负载 壳聚糖处理含铜废液中 C u 2 的 研 究 非金属矿， 2 0 1 2 ， 3 5 ( 1 ) ： 5 8 6 0 6 孙金梅 ， 彭同江， 孙红娟 ， 等 有机蛭石的制备与应用研 究现状 J 材料导报 ， 2 0 0 7 ， 2 1 ( 3 ) ： 5 0 5 3 7 蒋争明， 于旭彪， 胡芸， 等 酸化蛭石的表面有机修饰及其对疏水性 微 污染物的吸 附 J J 环境科学 ， 2 0 1 3 ， 3 4 ( 7 ) ： 2 3 8 6 2 6 9 3 8 】宋海 明， 张 宝述 钠化蛭石 阳离子 交换容量的实验研究 J 粉体加 2 E 与处理， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 1 - 4 垃圾焚烧灰对混凝土的开裂影响极为不利， 2 4 h龄期 内的裂缝总面积超过了基准的 7 3 2 。 3 。 矿粉和垃圾焚烧灰 1： 1 复掺 时， 该掺合料混 凝土 2 8 d的强度仍能达到 3 0 MP a 。与单掺垃圾焚烧 灰的混凝土体系相比， 矿粉和垃圾焚烧灰两者复合后 掺合料混凝土的2 4 h 开裂隋况明显得到改善。 参考文献 ： 1 姚 志通 固体 废弃物粉 煤灰的 资源化利 用 D 杭 州： 浙江大 学， 2 0l 0 【 2 周红 矿渣微粉在水泥生产 中的应用研 究 【 D 西安 ： 西安建筑科技 大学 ， 2 0 0 7 3 李丽 ， 孙伟 ， 刘志勇 用平板法研究 高性能混凝土早期塑性 收缩开 裂 J 混凝土 ， 2 0 0 3 ( 1 2 ) ： 3 3 3 6 4 刘茂 昌， 黄启飞 ， 李静 垃圾焚烧飞灰水泥工业化前景探讨 【 J J 环境 污染与防治 2 0 0 9 ( 3 ： 1 - 6 【 5 袁玲 ， 陈 贤树 ， 李化 建 矿物掺 合料对高强混凝土断裂脆性 的影 响 J 建材技术与应用， 2 0 0 1 ( 4 ) ： 3 - 5 6 吴建华 高强 高性能 大掺量粉煤灰 混凝 土研 究 D 】 重庆： 重庆大 学 ， 2 0 0 4 7 王雪芳， 郑建岚， 刘志勇 矿物掺合料对混凝土早期开裂性能的影 响 J 中国矿 业大学报 ， 2 0 0 7 ， 3 6 ( 6 ) ： 7 6 8 7 7 2 8 】国爱丽， 巴恒静 高性能混凝 土早期 抗裂试验研究 J J 建筑技 术 ， 2 0 0 8 ， 3 9 ( 1 ) ： 5 9 6 2