摘　要:研究噴射混凝土在廢渣及外加劑的參與下發(fā)生的微觀結(jié)構(gòu)和性能的改變情況。性能檢測結(jié)果表明,凝結(jié)時間延緩約5min ,強(qiáng)度將大幅度提高,摻FA、CG和SF 三種廢渣和減水劑后,噴射混凝土強(qiáng)度分別提高47. 6 %、46. 1 %和64. 7 %。微觀結(jié)構(gòu)檢測表明,針狀的Aft (或花瓣?duì)畹腁Fm) 晶體和纖維狀的CSH 是摻廢渣水泥石的主體,且其孔結(jié)構(gòu)得到細(xì)化。

　　關(guān)鍵詞:固體廢渣; 噴射混凝土;改性效果;微觀結(jié)構(gòu)

　　當(dāng)前噴射混凝土仍然是地下工程重要的支護(hù)手段之一,在礦山巷道、水電涵洞、鐵路隧道及地鐵施工中被廣泛采用。同時該技術(shù)還因其獨(dú)特功能而得以在地面建筑結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)、巖土邊坡加固以及薄層結(jié)構(gòu)等工程施工中應(yīng)用。近50 年來,此項(xiàng)技術(shù)雖有所發(fā)展,但混凝土低強(qiáng)度問題一直沒有得到根本解決,實(shí)際測量混凝土強(qiáng)度多為10～15MPa ,與設(shè)計(jì)值C20 或C25 相差較大,這給礦山安全生產(chǎn)留下重大隱患。解決此類問題除應(yīng)加強(qiáng)施工管理之外,用廢渣改性以提高混凝土的配制強(qiáng)度是立竿見影的一種方法。

　　1 　原料及試驗(yàn)方法

　　1. 1 　原料

　　粉煤灰:粉煤灰是火力發(fā)電廠鍋爐煙道中收集的粉狀飛灰。因煤種、燃燒條件和收集方法的不同,其成分與礦相結(jié)構(gòu)有所不同。其主要化學(xué)成分是SiO2 和Al2O3 ,還有部分其它氧化物,變化區(qū)間下: SiO2 40 %～ 60 % , Al2O3 20 %～ 35 % ,0. 5 %～15 %。其中玻璃體占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 等礦物。試驗(yàn)選用鄒縣電廠的粉煤灰,其化學(xué)成分見表1 。

　　煤矸石:采煤或選煤過程中排出的巖石廢棄物。其化學(xué)成分變化范圍如下: SiO2 40 %～65 % , Al2O315 % ～ 35 % , CaO1 % ～ 7 % , MgO1. 5 %～4 % , Fe2O3 2 %～9 % , R2O1 %～2. 5 % ,Loss 2 %～17 %。巖相分析表明,矸石中含有多種不同的礦物,如石英、長石、黃鐵礦、粘土礦物、有機(jī)物和水鋁石等。試驗(yàn)選用孫村礦的矸石。其化學(xué)成分見表1 。

　　硅灰: 一種冶金廢渣, 呈灰白色粉末。在SEM 下可見顆粒呈規(guī)則的球形,粒度分布較寬,平均粒徑約為0. 1μm。比表面積為19600m2/ kg。其化學(xué)成分主要是SiO2 。此外也含極少量的Al2O3 、Fe2O3 、CaO 等。試驗(yàn)選天津鐵合金廠生產(chǎn)的硅灰。其化學(xué)成分見表1 。

　　水泥:選用曲阜水泥廠生產(chǎn)的P. O42. 5R ,呈青灰色,80μm 篩篩余率為0. 48 % ,初凝時間1 :52 ,終凝時間2 :40 ,沸煮法檢驗(yàn)安定性合格。其
化學(xué)成分構(gòu)成為: 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 %。

　　外加劑:為了調(diào)節(jié)凝結(jié)時間,提高物料的粘聚力、增加混凝土強(qiáng)度和減少混凝土收縮開裂,試驗(yàn)中采用樹脂系高效減水劑和紅星一型速凝劑,其作用效果詳見表2 。

　　細(xì)骨料:采用泰安產(chǎn)汶河砂,黃色,含泥量為0. 71 % ,氣干狀態(tài), SiO2 > 90 % , Mx = 2. 9 ,ρ′0 =1460kg/ m3 , Ⅱ區(qū)級配。

　　粗骨料: 采用泰安本地產(chǎn)石灰?guī)r碎石,青灰色,粒徑為5～10mm ,含泥量0. 52 % ,氣干狀態(tài),ρ′0 = 1560kg/ m3 。

　　1. 2 　試驗(yàn)方法

　　膠凝材料方面采用國家現(xiàn)行的水泥標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)法作物理力學(xué)試驗(yàn);混凝土方面按照國家現(xiàn)行的《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評價標(biāo)準(zhǔn)》和《礦山井巷工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。在物料檢測方面采用了以下一些設(shè)備及方法:XRD 檢測采用XYS- 2 型衍射儀,測試條件為CuKa. 35KV. 17Ma ,V= 2°/ mm; TSM - Ⅱ型掃描電鏡作結(jié)構(gòu)微區(qū)測量,有機(jī)物測定采用1R 和NHR 檢測儀。

　　2 　試驗(yàn)結(jié)果分析

　　粉煤灰取代水泥率為15 % ,超量系數(shù)取1. 5 ,粉煤灰的超量部分由砂子平衡;燒煤矸石的摻法與粉煤灰相同;硅灰按10 % 等量取代水泥。摻不同廢渣的噴射混凝土的強(qiáng)度和凝結(jié)時間試驗(yàn)結(jié)果匯總于表2 。膠凝材料結(jié)石的結(jié)構(gòu)測量結(jié)果見圖1～6 。

　　注:凝結(jié)時間采用貫入阻力儀測定。

　　從表2 中可以看出,摻廢渣的噴射混凝土雖然凝結(jié)時間上有所延遲,但強(qiáng)度比不摻者高約1. 48～1. 90 倍。實(shí)際工作中采用J3 ,J4 ,J5 中任何一個配方,混凝土施工后強(qiáng)度等級達(dá)C25 都是可行的。

　　圖1 、圖2 為主摻粉煤灰的水泥石結(jié)構(gòu),從中可以看出,該水泥硬化體由針狀A(yù)Ft 晶體和薄片狀及網(wǎng)絡(luò)狀的CSH 凝膠所組成,其中由粉煤灰水
化形成的CSH 呈明顯的網(wǎng)絡(luò)狀,網(wǎng)絡(luò)中分布有40～650nm 的孔隙,其孔隙形態(tài)清晰可見。圖3 、圖4 、圖5 為主摻燒煤矸石的水泥石結(jié)構(gòu),從中看出該水泥中分布有網(wǎng)絡(luò)狀、顆粒狀與短柱狀的CSH 和片狀的C4 (A、F) H13 及花瓣?duì)畹腁Fm。圖6 為主摻硅灰的水泥石結(jié)構(gòu),該水泥硬化體由大量的均勻分布的纖維狀CSH 凝膠所組成,其中夾雜有少量的針狀A(yù)ft 晶體及晶簇。

　　3 　結(jié)論

　　(1) 用廢渣可以對水泥基噴射混凝土進(jìn)行有效改性。當(dāng)用FA 取代水泥率15 % , K = 1. 5 和1 %SM 時,混凝土強(qiáng)度可提高16MPa 以上;當(dāng)用煤矸石取代粉煤灰,相同配比下,混凝土強(qiáng)度可提高15MPa 以上;而用硅灰等量取代10 %水泥,混凝土強(qiáng)度則可提高22MPa 。同時,摻各種廢渣混凝土的早期強(qiáng)度也有所增加。究其原因,一是廢渣改變了水泥水化物的構(gòu)成,二是外加劑降低了水灰比。

　　(2) 混凝土的凝結(jié)時間發(fā)生變化,初凝時間與初凝時間均延緩約5min。從施工實(shí)際情況考慮,對于降低回彈和減少堵管是有利的。

　　(3) 由于廢渣粒徑細(xì),使混凝土拌合物的粘聚性增加,附著力增強(qiáng),有利于降低回彈率和增加一次噴厚。

　　(4) 微觀結(jié)構(gòu)檢測顯示,摻廢渣的混凝土與普通混凝土在顯微結(jié)構(gòu)方面大同小異,二者都是由AFt 晶體與多種形貌的CSH 相,夾雜著CH 和Aft 等晶體交織而成的多相體系。只是在水化產(chǎn)物的種類數(shù)量上、形貌及晶體生長情況上及孔結(jié)構(gòu)上有所差異。由于超細(xì)廢渣和減水劑的雙重作用,使混凝土的結(jié)構(gòu)更為致密,強(qiáng)度得以提高。在硅灰的參與下,能形成大量的纖維狀的CSH 水化物,并均勻致密分布,決定了該混凝土強(qiáng)度更大幅度的提高。

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