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

　　關鍵詞:固體廢渣; 噴射混凝土;改性效果;微觀結構

　　當前噴射混凝土仍然是地下工程重要的支護手段之一,在礦山巷道、水電涵洞、鐵路隧道及地鐵施工中被廣泛采用。同時該技術還因其獨特功能而得以在地面建筑結構補強、巖土邊坡加固以及薄層結構等工程施工中應用。近50 年來,此項技術雖有所發展,但混凝土低強度問題一直沒有得到根本解決,實際測量混凝土強度多為10～15MPa ,與設計值C20 或C25 相差較大,這給礦山安全生產留下重大隱患。解決此類問題除應加強施工管理之外,用廢渣改性以提高混凝土的配制強度是立竿見影的一種方法。

　　1 　原料及試驗方法

　　1. 1 　原料

　　粉煤灰:粉煤灰是火力發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,其成分與礦相結構有所不同。其主要化學成分是SiO2 和Al2O3 ,還有部分其它氧化物,變化區間下: 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。試驗選用鄒縣電廠的粉煤灰,其化學成分見表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、有機物和水鋁石等。試驗選用孫村礦的矸石。其化學成分見表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。其化學成分主要是SiO2 。此外也含極少量的Al2O3 、Fe2O3 、CaO 等。試驗選天津鐵合金廠生產的硅灰。其化學成分見表1 。

　　水泥:選用曲阜水泥廠生產的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 ,沸煮法檢驗安定性合格。其
化學成分構成為: 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:為了調節凝結時間,提高物料的粘聚力、增加混凝土強度和減少混凝土收縮開裂,試驗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 。

　　細骨料:采用泰安產汶河砂,黃色,含泥量為0. 71 % ,氣干狀態, SiO2 > 90 % , Mx = 2. 9 ,ρ′0 =1460kg/ m3 , Ⅱ區級配。

　　粗骨料: 采用泰安本地產石灰巖碎石,青灰色,粒徑為5～10mm ,含泥量0. 52 % ,氣干狀態,ρ′0 = 1560kg/ m3 。

　　1. 2 　試驗方法

　　膠凝材料方面采用國家現行的水泥標準試驗法作物理力學試驗;混凝土方面按照國家現行的《混凝土強度檢驗評價標準》和《礦山井巷工程施工及驗收規范》有關規定進行。在物料檢測方面采用了以下一些設備及方法:XRD 檢測采用XYS- 2 型衍射儀,測試條件為CuKa. 35KV. 17Ma ,V= 2°/ mm; TSM - Ⅱ型掃描電鏡作結構微區測量,有機物測定采用1R 和NHR 檢測儀。

　　2 　試驗結果分析

　　粉煤灰取代水泥率為15 % ,超量系數取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度和凝結時間試驗結果匯總于表2 。膠凝材料結石的結構測量結果見圖1～6 。

　　注:凝結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時間上有所延遲,但強度比不摻者高約1. 48～1. 90 倍。實際工作中采用J3 ,J4 ,J5 中任何一個配方,混凝土施工后強度等級達C25 都是可行的。

　　圖1 、圖2 為主摻粉煤灰的水泥石結構,從中可以看出,該水泥硬化體由針狀AFt 晶體和薄片狀及網絡狀的CSH 凝膠所組成,其中由粉煤灰水
化形成的CSH 呈明顯的網絡狀,網絡中分布有40～650nm 的孔隙,其孔隙形態清晰可見。圖3 、圖4 、圖5 為主摻燒煤矸石的水泥石結構,從中看出該水泥中分布有網絡狀、顆粒狀與短柱狀的CSH 和片狀的C4 (A、F) H13 及花瓣狀的AFm。圖6 為主摻硅灰的水泥石結構,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Aft 晶體及晶簇。

　　3 　結論

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

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

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

　　(4) 微觀結構檢測顯示,摻廢渣的混凝土與普通混凝土在顯微結構方面大同小異,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。只是在水化產物的種類數量上、形貌及晶體生長情況上及孔結構上有所差異。由于超細廢渣和減水劑的雙重作用,使混凝土的結構更為致密,強度得以提高。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,決定了該混凝土強度更大幅度的提高。

　　參考文獻:

　　[1 ]馮乃謙. 高強度混凝土技術[M] . 北京:中國建材工業出版社,1992.

　　[2 ]黃士元,蔣家奮,楊南如,等. 近代混凝土技術[M] . 西安:陜西科學技術出版社,1998.

　　[3 ]程良奎. 噴射混凝土[M] . 北京:中國建筑工業出版社,1990.

　　[4 ]樊文熙,張振虎,鄭永保. 噴射混凝土用高活性細摻料的研制[J ] . 煤炭學報,2000 ,25 (2) :165～168.

　　[5 ]涂耀輝,高生枕. 粉煤灰作為巷道支護噴射混凝土的應用[J ] . 礦業安全與環保,2003 ,30 (5) :53～54.