掺固体废渣的喷射混凝土研究

　　摘　要:研究喷射混凝土在废渣及外加剂的参与下发生的微观结构和性能的改变情况。性能检测结果表明,凝结时间延缓约5min ,强度将大幅度提高,掺FA、CG和SF 三种废渣和减水剂后,喷射混凝土强度分别提高47. 6 %、46. 1 %和64. 7 %。微观结构检测表明,针状的Aft (或花瓣状的AFm) 晶体和纤维状的CSH 是掺废渣水泥石的主体,且其孔结构得到细化。

　　关键词:固体废渣; 喷射混凝土;改性效果;微观结构

　　当前喷射混凝土仍然是地下工程重要的支护手段之一,在矿山巷道、水电涵洞、铁路隧道及地铁施工中被广泛采用。同时该技术还因其独特功能而得以在地面建筑结构补强、岩土边坡加固以及薄层结构等工程施工中应用。近50 年来,此项技术虽有所发展,但混凝土低强度问题一直没有得到根本解决,实际测量混凝土强度多为10～15MPa ,与设计值C20 或C25 相差较大,这给矿山安全生产留下重大隐患。解决此类问题除应加强施工管理之外,用废渣改性以提高混凝土的配制强度是立竿见影的一种方法。

　　1 　原料及试验方法

　　1. 1 　原料

　　粉煤灰:粉煤灰是火力发电厂锅炉烟道中收集的粉状飞灰。因煤种、燃烧条件和收集方法的不同,其成分与矿相结构有所不同。其主要化学成分是SiO2 和Al2O3 ,还有部分其它氧化物,变化区间下: SiO2 40 %～ 60 % , Al2O3 20 %～ 35 % ,0. 5 %～15 %。其中玻璃体占50 %以上,主要是CaO0. 8 %～7 % ,MgO 0. 5 %～2 % , Fe2O3 2 %～12 % ,K2O 0. 5 %～2 % ,Na2O 0. 01 %～1 % ,Lossα- SiO2 、β- SiO2 、β- C2S、γ- Al2O3 等矿物。试验选用邹县电厂的粉煤灰,其化学成分见表1 。

　　煤矸石:采煤或选煤过程中排出的岩石废弃物。其化学成分变化范围如下: SiO2 40 %～65 % , Al2O315 % ～ 35 % , CaO1 % ～ 7 % , MgO1. 5 %～4 % , Fe2O3 2 %～9 % , R2O1 %～2. 5 % ,Loss 2 %～17 %。岩相分析表明,矸石中含有多种不同的矿物,如石英、长石、黄铁矿、粘土矿物、有机物和水铝石等。试验选用孙村矿的矸石。其化学成分见表1 。

　　硅灰: 一种冶金废渣, 呈灰白色粉末。在SEM 下可见颗粒呈规则的球形,粒度分布较宽,平均粒径约为0. 1μm。比表面积为19600m2/ kg。其化学成分主要是SiO2 。此外也含极少量的Al2O3 、Fe2O3 、CaO 等。试验选天津铁合金厂生产的硅灰。其化学成分见表1 。

　　水泥:选用曲阜水泥厂生产的P. O42. 5R ,呈青灰色,80μm 筛筛余率为0. 48 % ,初凝时间1 :52 ,终凝时间2 :40 ,沸煮法检验安定性合格。其
化学成分构成为: SiO220. 19 % ,Al2O3 5. 00 % ,Fe2O34. 30 % , CaO64. 11 % , MgO 4. 20 % , Loss0. 38 %;f - CaO 0. 235 % ,f kh 0. 92 % ,KH 0. 96 % ,n2. 17 % , P 1. 16 %; C3S 58. 31 % ,C2S 13. 91 % ,C4AF 12. 90 % ,珔S2. 05 %。

　　外加剂:为了调节凝结时间,提高物料的粘聚力、增加混凝土强度和减少混凝土收缩开裂,试验中采用树脂系高效减水剂和红星一型速凝剂,其作用效果详见表2 。

　　细骨料:采用泰安产汶河砂,黄色,含泥量为0. 71 % ,气干状态, SiO2 > 90 % , Mx = 2. 9 ,ρ′0 =1460kg/ m3 , Ⅱ区级配。

　　粗骨料: 采用泰安本地产石灰岩碎石,青灰色,粒径为5～10mm ,含泥量0. 52 % ,气干状态,ρ′0 = 1560kg/ m3 。

　　1. 2 　试验方法

　　胶凝材料方面采用国家现行的水泥标准试验法作物理力学试验;混凝土方面按照国家现行的《混凝土强度检验评价标准》和《矿山井巷工程施工及验收规范》有关规定进行。在物料检测方面采用了以下一些设备及方法:XRD 检测采用XYS- 2 型衍射仪,测试条件为CuKa. 35KV. 17Ma ,V= 2°/ mm; TSM - Ⅱ型扫描电镜作结构微区测量,有机物测定采用1R 和NHR 检测仪。

　　2 　试验结果分析

　　粉煤灰取代水泥率为15 % ,超量系数取1. 5 ,粉煤灰的超量部分由砂子平衡;烧煤矸石的掺法与粉煤灰相同;硅灰按10 % 等量取代水泥。掺不同废渣的喷射混凝土的强度和凝结时间试验结果汇总于表2 。胶凝材料结石的结构测量结果见图1～6 。

　　注:凝结时间采用贯入阻力仪测定。

　　从表2 中可以看出,掺废渣的喷射混凝土虽然凝结时间上有所延迟,但强度比不掺者高约1. 48～1. 90 倍。实际工作中采用J3 ,J4 ,J5 中任何一个配方,混凝土施工后强度等级达C25 都是可行的。

　　图1 、图2 为主掺粉煤灰的水泥石结构,从中可以看出,该水泥硬化体由针状AFt 晶体和薄片状及网络状的CSH 凝胶所组成,其中由粉煤灰水
化形成的CSH 呈明显的网络状,网络中分布有40～650nm 的孔隙,其孔隙形态清晰可见。图3 、图4 、图5 为主掺烧煤矸石的水泥石结构,从中看出该水泥中分布有网络状、颗粒状与短柱状的CSH 和片状的C4 (A、F) H13 及花瓣状的AFm。图6 为主掺硅灰的水泥石结构,该水泥硬化体由大量的均匀分布的纤维状CSH 凝胶所组成,其中夹杂有少量的针状Aft 晶体及晶簇。

　　3 　结论

　　(1) 用废渣可以对水泥基喷射混凝土进行有效改性。当用FA 取代水泥率15 % , K = 1. 5 和1 %SM 时,混凝土强度可提高16MPa 以上;当用煤矸石取代粉煤灰,相同配比下,混凝土强度可提高15MPa 以上;而用硅灰等量取代10 %水泥,混凝土强度则可提高22MPa 。同时,掺各种废渣混凝土的早期强度也有所增加。究其原因,一是废渣改变了水泥水化物的构成,二是外加剂降低了水灰比。

　　(2) 混凝土的凝结时间发生变化,初凝时间与初凝时间均延缓约5min。从施工实际情况考虑,对于降低回弹和减少堵管是有利的。

　　(3) 由于废渣粒径细,使混凝土拌合物的粘聚性增加,附着力增强,有利于降低回弹率和增加一次喷厚。

　　(4) 微观结构检测显示,掺废渣的混凝土与普通混凝土在显微结构方面大同小异,二者都是由AFt 晶体与多种形貌的CSH 相,夹杂着CH 和Aft 等晶体交织而成的多相体系。只是在水化产物的种类数量上、形貌及晶体生长情况上及孔结构上有所差异。由于超细废渣和减水剂的双重作用,使混凝土的结构更为致密,强度得以提高。在硅灰的参与下,能形成大量的纤维状的CSH 水化物,并均匀致密分布,决定了该混凝土强度更大幅度的提高。

　　参考文献:

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