沿海地区利用可再生资源生产高耐久性混凝土的研究.pdf

2 0 1 3 年 第 1 2期 (总 第 2 9 0期 ) Nu mb e r 1 2 i n2 0 1 3 ( T o t a l No 2 9 0 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 预拌混凝土 RE ADY M D D C0NCRE TE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 1 2 0 3 3 沿海地区利用可再生资源生产高耐久性混凝土的研究 卢海东 ( 泉州市建设工程质量监督站 ，福建 泉州 3 6 2 0 0 0 ) 摘要： 通过对预拌站沉淀浆水 、 回收砂石的循环利用 ， 选用可再生资源 ： 矿粉 、 粉煤灰 、 人工砂等为原材料 ， 配以钢筋阻锈剂 、 耐腐蚀剂 ， 生产出可应用于沿海地区恶劣的海洋环境下的高耐久性混凝土 ， 确定了基于泉州地区地域特点及可再生资源现状的 混凝土设计原则和方法 。 关键词： 沿海地区；可再生资源；高耐久性；混凝土；性能 中图分类号： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 1 2 0 1 2 0 0 3 S t u d y o n t he hi g h e n d u r a n c e c o n c r e t e w h i c h wa s p r o d u c e d b y u s e o f t h e r e n e w a b l e r e s ou r c e s i n c o a s t a l a r e a LUHa i d o n g ( Qu a n z h o u C o n s t r u c t i o n Q u a l i ty S u p e r v i s i o n S t a t i o n ， Qu a n z h o u 3 6 2 0 0 0 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： T h e h i g h e n d u r a n c e c o n c r e t e wh i c h c a n b e a p p l i e d t o t h e wi c k e d e n v i r o n me n t i n c o a s t a l a r e a wa s p r o d u c e d b y r e c y c l i n g t h e c o n c r e t e s l u r r y an d r e c u pe r a t e d S a n d S t o n e i n t h e c o n c r e t e ， us i n g fly a s h、 s l a g p o wd e r a n d a r t i fic i a l s a nd a s r a w ma t e r i a l ， fi t t i ng wi t h r e i n f o r c i n g ba r r u s t y r e t a r d a n t a g e n t 、 a n t i c o r r os i v e e t c h i n g r e a g e n t Th e s ud y d e t e r mi n e d t h e d e s i g n p r i n c i pl e a nd me t h o d of c o nc r e t e b a s e d o n t he r e g i o n c h a r a c t e r i s t i c s o fq u a n z ho u a n d t h e p r e s e n t s i t ua t i o n of t he r e n e wa b l e r e s o u r c e s Ke y w or ds： c o a s t a l a r e a； r e ne wa b l e r e s o ur c e s ； h i g h e nd ura nc e； c o n c r e t e； p e r f o r ma nc e 0 引言 混凝土由于具有性能优越、 经济廉价 、 施 工方便 、 适应 性强等诸多优点， 现已被广泛应用于工业与民用建筑 、 桥梁 、 大坝 、 地下工程 、 海洋工程等 。 在 当代五大工程材料 ( 混凝 土 、 砌体 、 钢材 、 木材 、 合成材料 ) 中 ， 混凝 土的用量最大 ， 应 用范围最广 ， 其耐久性和综合性能的优劣对工程建设质量 影响很大 。 混凝土生产过程 中， 不但消耗 了大量的资源 ， 同 时产生大量的废弃物和废水。 这些废弃物、 废水的主要来源 为搅拌站 、 搅拌车 、 泵车等混凝土设备的清洗排放物 。 另一 方 面 ， 我 国正处于经济高速发展时期 ， 许 多耗资 巨大 的重 要建筑 ( 构筑 ) 物 ， 如跨海大桥 、 海底隧道 、 海港 、 近海工程 等 已经或正在兴建 ， 这些处于海洋或恶劣环境条件下混凝 土结构的耐久性 自然成为土木工程界关注的焦点。 利用商 混站废弃物 、 废水 的回收产物 ， 以及矿粉 、 粉煤灰 、 人工砂 等可再生资源为原材料生产可应用于恶劣海 洋环境下 的 高耐久性混凝土 ， 具有重要意义。 1 试验原材料 的选择 1 1 废 弃物 、 废水的回收产物 ( 1 ) 沉淀浆水 。 沉淀浆水 中的物质来 自拌 制混凝 土的 原材料 ， 即水泥 、 砂 、 石 、 外加剂 、 掺合料 。 浆水 中含有细小 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 6 0 4 基金项 目：泉州市科技计划项 目( 2 0 1 2 Z 1 3 8 ) 1 20 的水泥颗粒 、 集料所带 入的黏 土或淤泥颗粒 、 及可溶解 的 无机盐 、 外加剂离子等。 选用泉州某预拌站 的沉淀浆水 ， 其 检测数据见表 1 。 表 1 沉淀浆水的水质分析 H值 ， 由表 1 可 以看出 ， 沉淀浆水的水质符合 J G J 6 3 2 o 0 0 混凝土用水标 准 中钢筋混凝土 的用水要求 ， 并将其配制 成所需浓度进行试验 。 ( 2 ) 回收砂石 。 经过砂石分离机 的充分水洗后的砂石 表 面并无 明显粉灰残留 ， 细料成分减少 ， 含泥量和泥块含 量 明显下 降。 砂石表面 即使 略有水化或部分水化的水泥浆 附着 ， 反而对于集料和水泥石的黏结力有正作用 。 选用泉州 某预拌混凝土站砂石分离机分离出来 的砂石 ， 回收砂的含 泥量为 0 1 ， 回收石的含泥量和泥块含量均为 0 。 1 2水 泥 选用红狮牌 P O 4 2 5 级水泥 ， 符合 G B 1 7 5 2 o 0 7 通 用硅酸盐水泥 中普通硅酸盐水泥 4 2 5 级的技术要求 ， 其物 理性能检测结果见表 2 。 表 2红狮 P O 4 2 5级水泥物理性能 1 3河砂 选用泉州本地河砂 ， 细度模数为 2 1 ； 含泥量为 1 0 ； 泥块 含量为 0 1 ； 级配区为 I I I 级。 其l生 能检测符合 G B T 1 4 6 8 4 2 0 0 1 ( 建筑用砂 的质量要求 ， 筛分试验结果见表 3 。 表 3 河砂的筛分试验结果 筛孑 L m m 4 7 5 2 3 6 1 1 8 0 6 0 0 0 3 0 0 0 1 5 0 累计筛余 1 2 7 2 4 7 8 9 8 1 4人 工 砂 人工砂是 由机械破碎制成 ， 粒形多呈二 角体或方矩体 ( 有些含有较多针片状颗粒 ) ， 人工砂颗粒相互 咬合时， 颗粒 间流动阻力大。 而且 ， 人工砂细度模数一般在 3 0 3 8 ， 基本 为中粗砂 ， 级配不 良， 有时会出现某一粒级断档现象 ， 混凝 土和易性变差。 但人工砂 中适量的石粉可以完善细集料的 级配 ， 起 到填充作用 和润滑作用 ， 同时石 粉也增 加了拌 合 物 固体粒子 的总比表 面积 ， 减 弱离析 泌水 ， 改善 混凝 土拌 合物 的黏 聚性 和保水性 ， 增 加混凝 土的密实度 ， 进而起 到 提高混凝土综合性能的作用。 选用泉州南安某采石厂的人 工砂 ， 石粉含量为 5 7 ， 泥块含量为 0 1 ， 所属级配区为 I 区 粗砂 ， 细度模数为 3 8 。 筛分试验结果见表 4 。 表 4人工砂的筛分试验结果 方筛孔 mm 4 7 5 2 3 6 1 1 8 0 6 0 0 0 3 0 0 O 1 5 0 累计筛余 0 2 7 6 6 8 9 9 9 1 0 0 1 5 石 选用泉州某石料厂生产的 5 3 1 5 mm连续级配碎石， 含 泥量 0 9 ， 泥块含量 0 3 ， 其性能检测符合 G B T 1 4 6 8 5 2 0 1 1 建筑用卵石 、 碎石 的质量要求 ， 主要性能检测 指标 见表 5 。 表 5 石检测结果 方筛孑 L m m 3 7 5 3 1 5 2 6 5 1 9 0 1 6 0 9 5 4 7 5 2 3 6 累计筛余 一 5 1 9 4 0 6 1 9 0 1 0 0 1 0 0 1 6粉 煤灰 粉煤灰是从煤粉炉排 出的烟气 中收集到 的细颗粒粉 末 ， 是工业“ 三废 ” 之一。 粉煤灰对混凝土强度有三种影 响： 减少用水量 、 增大胶结材含量和通过长期火 山灰反应提高 其强度 。 粉煤灰对混凝土和易性的改善作用有 以下几点 ： 优质粉煤灰中含有 7 0 以上 的球状玻璃体 ， 这些球状玻璃 体表面光滑无棱角 ， 性能稳定 ， 在混凝土 的泵送 、 振捣过程 中起着一种类似于轴承的润滑作用 ； 新拌混凝土 中水泥颗 粒易聚集成团 ， 粉煤灰的掺入可有 效分散水泥颗粒 ， 释放 更多的浆体来润滑集料 ， 有利于混凝土工作性能的提高 ； 掺 人粉煤灰可以补偿细集料 中细屑的不足 ， 中断砂浆基体 中 泌水渠道 的连续性 ， 同时品质 良好的粉煤灰在同样的稠度 下能减少混凝土的拌和用水量 ， 使混凝土 中的水灰 比降低 到更小水平 ， 减少泌水和离析现象 。 选用漳州益材 I I 级粉煤 灰 ， 比表面积为 2 8 0 m 2 k g ， 密度为 2 6 9 g c m 3 。 1 7矿 粉 矿粉是以炼铁厂水淬矿渣粉磨而成。 其掺入混凝土后可 以起到以下作用 ： 可以节约水泥用量 ， 降低胶凝材料水化热； 具有 良好的保水性、 能有效防止混凝土拌合物的离析和泌水 现象 ； 可显著提高泵送性能； 能明显改善混凝土的孔隙结构 ， 大幅度提高混凝土的抗渗性和抗氯离子渗透的能力， 具有良 好的护筋性能 ， 尤其适合于盐碱环境和海洋环境 的混凝土结 构。 单独掺用或与粉煤灰配合掺用均能显著提高混凝土的早 期强度和后期强度。 选用国道 $ 9 5 矿粉 ， 比表面积 4 4 0 m 2 k g 。 1 8耐腐蚀外加 剂 选用福建省建科 院研制 的 T w R C高性能混凝土耐腐 蚀外加剂 ， 其性能检测结果见表 6 。 1 9钢筋 阻锈 剂 选用福建省建科院研 制的 T w R 1 钢筋阻锈剂 ，其 主 要性能指标见表 7 。 表 6 T W R G高性能混凝土耐腐蚀外加剂性能指标 表 7 T W R 1 钢筋阻锈剂性能指标 钢筋 混凝土 耐盐水 耐腐蚀 凝结时间差 mi n 浸渍性能 性能 初凝 终凝 抗压强度 比 7 d 28 d 无腐蚀 无腐蚀 9 0 8 5 1 2 1 0 2 高耐久性混凝土 配合 比的确 定及性 能测试 2 1 单因素影响试验 当水泥用量 为 4 5 0 k e d m ， 用水量为 1 7 0 k g m3 考察不 同掺量 I I 级粉煤灰 、 $ 9 5 矿粉对混凝土电通量的影响。 ( 1 ) 不同掺量 I I 级粉煤灰的混凝土电通量测试。 图 1 为 I I 级粉煤灰对混凝土 电通量影响， 随粉煤灰掺量增加 ， 混凝 土强度逐渐下 降 ， 氯离子渗透 电量呈先减小 ， 然后增加 的 趋势。 氯离子渗透电量随粉煤灰掺量增加到 3 0 ， 渗透 电量 下降到 1 1 0 5 C； 进一步增加粉煤灰 ， 氯离子渗透 电量开始 增加达 到 1 3 4 2 C 。 这是 由于掺加粉煤灰能够发挥 粉煤灰 填充密实及火 山灰活性效应 ， 随掺量增加 ， 结构得 以密实 改善 ， 但掺量过高( 5 0 ) ， 由于 I I 级粉煤灰活性较低 ， 二次 水化不完全 ， 2 8 d 结构依然疏松 ， 造成氯离子渗透电量增加 ， 对继续改善抗氯离子渗透能力反而造成负面影响。 1 21 U 、 蚓 暗 删 O 1 0 20 30 4 0 5 0 粉煤 灰掺量 ， 1 不同掺量 l l 级粉煤灰 电通量测定 三 暖 矿 粉掺 量 ， 图 2 不同掺量矿粉电通量测定 ( 2 ) 不 同掺量 $ 9 5矿粉 的混凝 土 电通量 指标 测试 。 表 8 由图2可知 ， $ 9 5矿粉取代水泥能够很好改善混凝 土抗氯 离子渗透能力 ， 随矿粉掺量增加 ， 昆 凝土强度呈现略有 上 升趋势 ， 超过 6 5 急剧下降 ， 抗氯离子渗透能力逐渐提高 的规律 。 掺量 达到 4 0 ， 混凝 土强度 由 5 7 6 MP a 提高 到 6 1 4 MP a ， 氯离子渗透电量由 2 3 0 5 C急剧下降到 7 7 8 C： 当 掺量达到 6 5 ， 强度下降到 5 4 _ 3 MP a ， 渗透电量为 5 4 8 C； 进 一 步增加 $ 9 5矿粉 ， 强度急剧下降， 而抗氯离子渗透能力 增长缓慢 ， 可 以得 出 $ 9 5 矿粉当掺量达到 6 5 左右混凝土 才能达到最佳综合性能 。 2 2配合 比确 定及 性 能 测试 经过大量的正交试验及数据分析 ， 确定了 C 3 0 、 C 3 5 、 C 5 0 强度等级耐久性混凝土的参考配合比。 配合比及性能测试 结果分别见表 8 、 9 。 由表 9 可 以看 出， 采用搅拌站废浆水 、 回收砂石 、 以及 可再生资源 ： 人工砂 、 粉煤灰 、 矿粉 ， 配 以钢筋阻锈剂和耐 腐蚀外加剂配制 的混凝土不仅强度满足设计要求 ， 电通量 小于 1 5 0 0 C， 2 8 d 收缩率小于 1 5 1 0 ， 具有较好的长期耐 久性能 ， 可 以广泛应用于沿海 的特殊环境下 的民用 、 工业 和基础建筑。 配合比 k g m 3 基 于泉州地区地域特点及可再生资源现状 的耐久性混凝 土设 计原则和 方法 泉州依山面海 ， 海域面积广阔， 属于海滨城市。 影响混凝 土耐久性的因素包括 ： 钢筋锈蚀 、 碳化和侵蚀离子( C l - , 8 0 4 2 等 ) 。 因此针对地域特点、 天然砂资源不足以及可再生资源的 现状 ， 确定耐久lI生 混凝土的设计方法 ： 将人_ 砂和天然砂混 合使用， 两者的比例 以混合后的细度模数在 I I 区中砂为宜 ； 矿粉的用量为总胶凝材料的 1 5 为宜； 粉煤灰的用量为总胶 凝材料的 2 0 为宜 ； C 3 5 以下强度等级( 含 C 3 5 ) 可采用 5 及以下浓度浆水 ； C 4 0以上采用饮用水 ； 可根据实际情况选 用 T w R C高性能混凝土耐腐蚀外加剂和 T w R C钢筋阻锈 剂， T W R1 和 T w R C的推荐掺量均为总胶凝材料的 2 5 。 4结语 沿海地区的混凝土结构 ， 由于海洋环境对混凝土的腐蚀 ， 导致钢筋锈蚀而使结构发生早期损坏 ， 丧失了结构 的耐久I 生 能 ， 从而使结构的安全性能发生变化 ， 严重的还将导致结构 物的损伤和倒塌， 造成人身伤亡和经济损失。 利用可再生资源 生产高耐久性混凝 土， 既能应用于海洋或近岸环境等特殊条 1 2 2 件 ， 又利用了废浆水和回收砂石， 节省企业损耗 ， 实现节能减 排 ， 同时消化了低成本的工业废弃物一 粉煤灰 、 矿粉 、 人工砂 ， 降低混凝土生产成本 ， 增强企业竞争力。 另一方面 ， 由于建筑 、 基础设施的耐久性提高 ， 减少 了因耐久性不足引起 的推倒重 建或维修的资金消耗。 因此 ， 利用可再生资源生产高耐 f生 混 凝土具有较大的环保效益和经济效益。 参考 文献 ： 1 】冯乃谦 高性能混凝土 M - E 京 ： 中国建筑工业出版社 ， 1 9 9 6 【 2 】宋晓燕盐害侵蚀混凝土的试验研究及其耐久性评价【 D 天津 ： 天津大学 ， 2 0 0 1 3 】霍洪媛 ， 陈爱玖 ， 姚武 ， 等 海洋工程混凝土耐久性研究f J 1 _ 混凝 土 ， 2 0 0 8 ( 1 ) ： 7 - 1 0 【 4 赵霄龙 ， 巴恒静普通强度高耐久性混凝土的配制技术I J 1 _ 建筑 技术， 2 0 0 4 ， 3 5 ( 1 ) ： 2 6 2 9 【 5 1王晓初 ， 金明君 ， 杨春峰 昆 凝土结构耐久性研究现状综述【 J ； 昆 凝土 ， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 3 1 3 3 【 6 I 马保国 ， 王信刚， 李相 国， 等 高性能混凝土配合比设计及其存 在的问题 J 1 _ 混凝土， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 1 2 1 5 【 7 S c h i e s s l P C o r r o s i o n o f s t e e l i n c o n c r e t e M S p o n： E &F N， 1 9 9 7 作者简介： 联 系地址 ： 联 系电话 ： 卢海东( 1 9 6 8 一 ) ， 男 ， 高级工程师 ， 主要从 事工民建方 面的研究工作。 泉州市 刺桐北路西侧 1 0 5 5 号 ( 3 6 2 0 0 0 ) 0 5 9 5 2 21 0 0 5 8 0 ： u 图枷姗 渤伽枷 渤枷