工業(yè)廢渣制備膨脹劑的技術
關鍵詞：混凝土；膨脹劑；工業(yè)廢渣；補償收縮；鈣礬石
0引言
普通硅酸鹽水泥混凝土，常因水泥石的收縮而產(chǎn)生裂縫，影響混凝土整體工作性能，降低結構物的耐久性；膨脹劑用于配制補償收縮混凝土和自應力混凝土，具有不可代替性[1]。
目前，市場上出售的技術成熟、質量穩(wěn)定的膨脹劑有多種多樣，由于其采用高品位的礦物原料和高能耗的生產(chǎn)技術，提高了生產(chǎn)成本，價格普遍較高，因此高附加值地利用工業(yè)廢渣研制低成本的膨脹劑，具有廣闊的工程應用和市場前景。另一方面，隨著我國工業(yè)化的快速發(fā)展，能源消耗嚴重，還產(chǎn)生了大量的工業(yè)廢棄物污染環(huán)境。利用工業(yè)廢渣制備市場亟需的混凝土膨脹劑是混凝土膨脹劑的發(fā)展趨勢之一[2]。
本文采用的混凝土膨脹劑DE0-500的膨脹源為鈣礬石C3A·3CaSO4·32H2O（AFt），屬硫鋁酸鈣類膨脹劑，是以工業(yè)廢渣粉煤灰和磷石膏為原料，基于水化物脫水相的技術制備而成的[3]，。在原料來源和生產(chǎn)能耗上具有很大的經(jīng)濟優(yōu)勢，而且能有效利用工業(yè)廢棄物，減少環(huán)境污染，適合循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的理念。
按照混凝土標準（JC476-2001），通過作膨脹劑相關性能試驗，檢驗了混凝土膨脹劑DE0-500的性能，參照《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》（GBJ500119）的要求，結果表明：所配制的膨脹劑DE0-500可用于配制補償收縮混凝土，適用于對限制膨脹率要求較低的配筋路面、底板、樓板等一般結構。
1．摻膨脹劑DE0-500的水泥膠砂的試驗
1.1 試驗原料和主要儀器設備
試驗原料：水泥是三河市燕郊新型建材有限公司出產(chǎn)的鉆牌P.O.42.5普通硅酸鹽水泥；膨脹劑用本試驗所配制的混凝土膨脹劑DE0-500和中巖公司產(chǎn)UEA膨脹劑；砂選用廈門艾思歐標準砂有限公司出品的中國ISO標準砂；拌合水是北京自來水。試驗設備：HJ-84型混凝土加速養(yǎng)護箱水泥膠砂攪拌機（ISO-679）、振動臺、GB/T17671-40A型水泥標準養(yǎng)護箱、砂漿用ISOBY-160型比長儀、DKZ-5000型電動抗折試驗機、ISO水泥膠砂三聯(lián)試模、縱向限制器等。
1.2 試驗設計
根據(jù)中國建材行業(yè)標準，確定混凝土膨脹劑的摻量為12%；為了比較所制膨脹劑的膨脹效果，還設計制作了摻加中巖公司產(chǎn)UEA膨脹劑的試體和不摻膨脹劑的普通硅酸鹽水泥膠砂試體。膨脹劑的摻量為12%。每成型三條試體需稱量的材料及用量如表1。
1.3 試驗方法及步驟
根據(jù)國家建材行業(yè)標準《混凝土膨脹劑》(JC476-2001)的具體要求和檢測方法，作水泥膠砂限制膨脹率和強度試驗，水泥膠砂試體成型時的實驗室溫度為15℃，養(yǎng)護池水溫為19℃。水泥膠砂攪拌、試體成型參照 GB/T17671的規(guī)定進行。脫模時間定為膠砂成型后24h脫模。
1.4 試驗結果與分析
按照混凝土標準《混凝土膨脹劑》(JC476-2001)的規(guī)定進行試驗，得到水泥膠砂7d和28d養(yǎng)護齡期的限制膨脹率和抗壓與抗折強度的試驗結果。為了更深入地研究所制備的膨脹劑的性能，更能將膨脹劑的膨脹性能量化，參考相關文獻，本文還引用了相對膨脹落差與補償效率的概念[4]。得到的試驗計算結果如表2所示。
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從表2中可以看出：未摻加膨脹劑的3#水泥膠砂試體在水中前期（1d-7d）膨脹量很微小，后期（7d-28d）還有少量收縮。摻加12%不同膨脹劑后的1#和2#膠砂試體均有顯著的膨脹效果，7d限制膨脹率分別達到0.035%和0.042%，28d限制膨脹率達到0.058%和0.112%。同摻量的DE0-500的1#試體膨脹速率和膨脹值低于于摻UEA的2#試體，說明中巖公司產(chǎn)的UEA膨脹劑具有很高的膨脹性能。這主要是因為一方面試驗中膨脹劑UEA的摻量高于其最佳摻量，另一方面所制膨脹劑DE0-500中含鋁量偏低，提供不了過多的膨脹能。盡管如此，膨脹劑DE0-500仍能滿足《混凝土膨脹劑》(JC476-2001)規(guī)定：膨脹劑在水中養(yǎng)護，水泥膠砂的限制膨脹率7d要大于0.025%,28d要小于0.10%。
7d后在干空養(yǎng)護中3#試體收縮速度迅速增加，限制膨脹率從0.002%降至-0.021%。而摻加12%膨脹劑DE0-500的2#試體有明顯的補償收縮效果，干空21d限制膨脹率仍能達到0.014%，滿足空氣中21d限制膨脹率大于-0.020%的要求。摻12%中巖公司產(chǎn)UEA膨脹劑的2#試體補償收縮效果明顯好于其1#試體，在干空中養(yǎng)護限制膨脹率損失很少。
膨脹劑DE0-500空氣中21d的相對膨脹落差為60%，補償效率為167%，符合落差小，補償效率高的要求。摻加DE0-500的膨脹混凝土在1-7d養(yǎng)護期間的膨脹率可以發(fā)揮至70%-80%，可以補償水泥水化熱產(chǎn)生的冷縮和自生收縮，7-28d的膨脹率占20%-30%，可以補償混凝土的干縮[5]。
摻加膨脹劑DE0-500的1#試體7d的抗壓強度為24.2MPa，抗折強度為4.2 MPa，符合《混凝土膨脹劑》(JC476-2001)的規(guī)定：抗壓強度≥20 MPa，抗折強度≥3.5MPa。28d后抗壓強度增長至51.4 MPa≥40MPa，抗折強度增長至9.2 MPa≥5.5MPa，也能達到標準要求。
摻加UEA的2#試體由于摻量問題造成的膨脹量過大，對水泥膠砂的強度造成了較大的不利影響，強度降低較大。一般來說，自由強度在同混凝土配合比條件下，隨膨脹劑內摻量的提高而降低[6]，在適當降低摻量的后，一定會達到標準的要求。
摻加膨脹劑后，膨脹劑對水泥強度會有一定的影響，在所用水泥符合標準規(guī)定的情況下，7d強度值一般比水泥都低，28d強度值與水泥持平較好[6]。從上述分析可知，說明所制備的膨脹劑將在混凝土后期強度發(fā)展上能做出貢獻，一定能在提高混凝土的性能中起到積極的作用。
2．摻膨脹劑DE0-500的混凝土抗壓試驗
2.1 試驗原料和主要儀器設備
試驗原料：水泥：三河市燕郊新型建材有限公司出產(chǎn)的鉆牌P.O.42.5普通硅酸鹽水泥；砂：中砂，細度模數(shù)Mx為2.48；石子：碎石，規(guī)格為10mm-30mm；拌合水：北京自來水；膨脹劑：本試驗配制的膨脹劑DE0-500和中巖公司產(chǎn)UEA膨脹劑。試驗設備：GB/T17671-40A型水泥標準養(yǎng)護箱、WES數(shù)顯液壓萬能試驗機、振動臺、100mm×100mm×100mm三聯(lián)混凝土試模、搗棒、鏝刀、鐵鏟等。
2.2試驗過程
試驗選用DE0-500、UEA做混凝土抗壓強度試驗。每配制三塊C30混凝土試塊所需原料量見表3。
膨脹劑DE0-500的內摻量為 12%，UEA內摻量為8%，混凝土試塊的具體制備過程和抗壓強度試驗的具體操作過程參見《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T50081進行。混凝土的抗壓強度值以150mm×150mm×150mm試件的抗壓強度值為標準值，用其它尺寸試件測得的強度值均應乘以尺寸換算系數(shù)，其值對 100mm×100mm×100mm試件為0.95。換算后的試驗結果為：經(jīng)28d標準養(yǎng)護后，1#的抗壓強度為34.88 MPa，2#的抗壓強度為23.29 MPa，3#的抗壓強度為34.79MPa。
2.3試驗結果分析 [Page]
從所得的試驗結果可以看出，當混凝土中加入制備的膨脹劑DE0-500后，混凝土試塊的抗壓強度在28d時已經(jīng)與不摻膨脹劑的普通混凝土試塊十分接近。摻DE0-500的1#試塊28d抗壓強度比不摻膨脹劑的普通混凝土3#試塊高0.3%，能達到30MPa以上，滿足《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》（GBJ500119）中28d抗壓強度≥25MPa的要求；而摻8%UEA的2#混凝土試塊28d抗壓強度小于25MPa，與3#試塊相比減少11.5MPa，強度損失約33%，所以本試驗制備的膨脹劑DE0-500與其它膨脹劑相比在后期強度上占有優(yōu)勢，具有膨脹率適中和后期強度損失小的特點。
根據(jù)專家分析：水泥膠砂水中7d限制膨脹率≥2.5×10-4是產(chǎn)品標準最低要求，選用時應將該標準定為>3.0×10-4，這樣，使用相同取代膠凝材料率制備的C30～C40補償收縮混凝土的水中14d限制膨脹率才可能達到1.5×10-4以上。干空中21d限制干縮率≤2.0×10-4是產(chǎn)品標準最低要求，直接反映了干縮程度與膨脹落差，代表了保留自應力值水平，該值越低越好，一般應≤1.0×10-4[6]。從水泥膠砂限制膨脹率試驗推算出摻DE0-500混凝土水中14d限制膨脹率為1.5×10-4～1.8×10-4，大于1.5×10-4，水中14d空氣中28d的限制干縮率應能小于3.0×10-4。
3．膨脹劑DE0-500的其他性能
3.1 細度試驗
利用孔徑1.25mm、0.08mm的國家新標準砂石篩進行細度篩分。
?。?）取煅燒后的熟料D0-500100g，放入1.25mm標準篩中進行手動篩分，篩余量約等于0%；另取25g放入0.08mm標準篩中進行篩分，篩上余留0.9g，即篩余量等于 3.6%。（2）取磨細后的磷石膏100g，放入1.25mm標準篩中進行手動篩分，篩余量約等于0%；取25g放入0.08mm標準篩中進行水篩，烘干篩上余留2.8g，即篩余量等于11.2%。
由此可見，用以上兩種原料配制的混凝土膨脹劑DE0-500，其細度符合混凝土膨脹劑性能指標的要求：0.08mm篩篩余≤12%，1.25mm篩篩余≤0.5%。
3.2 標準稠度需水量和凝結時間試驗
用無錫市中科建材儀器有限公司產(chǎn)的水泥標準稠度凝結測定儀，按照標準GB/T 1346-2001采用標準法作摻膨脹劑DE0-50012%、摻中巖公司產(chǎn)UEA12%和未摻膨脹劑的P.O.42.5普通硅酸鹽水泥的水泥標準稠度用水量和凝結時間的測定試驗，試驗結果見表4。
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從表4中可以看出，摻加12% DE0-500后的水泥凝結時間仍能符合混凝土膨脹劑標準。與P.O.42.5普通硅酸鹽水泥相比，摻12% DE0-500后的水泥標稠用水量差別不大，略有增加，但凝結時間卻推遲了, 摻12% UEA后的水泥標稠用水量略有降低，凝結時間與P.O.42.5普通硅酸鹽水泥相近。
4．結 論
?。?）本研究利用工業(yè)廢渣制備的膨脹劑DE0-500雖然與其它市場上出售的膨脹劑產(chǎn)品相比，性能較次，但仍可以滿足國家標準《混凝土膨脹劑》(JC476-2001)的限制膨脹率、力學強度和其它物理性能要求。
?。?）當混凝土中加入膨脹劑后，混凝土試塊的抗壓強度在28d時已經(jīng)與不摻膨脹劑的普通混凝土試塊十分接近，都能達到30MPa以上，符合混凝土強度等級C30的要求。本試驗制備的膨脹劑DE0-500與其它膨脹劑相比，在后期強度上占有優(yōu)勢，具有膨脹率適中和后期強度損失小的特點，適用于配制補償收縮混凝土，適用于對限制膨脹率要求較低的配筋路面、底板、樓板等一般結構。
（3）膨脹劑DE0-500在原料來源和生產(chǎn)能耗上具有很大的經(jīng)濟優(yōu)勢，能有效利用工業(yè)廢棄物，減少環(huán)境污染，適合循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的理念，具有很大的生產(chǎn)應用前景，具有積極的研究意義。
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