矿产废弃物对混凝土力学性能的影响

供　稿|王茂桑 / WANG Mao-sang

矿产废弃物对混凝土力学性能的影响

供稿|王茂桑 / WANG Mao-sang

内容导读

煤矸石作为金属矿物开采过程中产生的固体废弃物，通过一定的化学工艺，可以转变为有活性的矿物质材料——偏高岭土。将其作为外掺剂加入混凝土中，利用无侧限抗压强度实验，对偏高岭土改性混凝土的强度的影响因素、荷载-变形曲线、破坏形式进行了实验分析。发现随着偏高岭土掺量的增加，改性混凝土的抗压强度先增加后降低，存在一个最优偏高岭土掺量；偏高岭土的加入使得混凝土的破坏形式由剪切破坏转变为剪胀破坏。该实验为偏高岭土在水泥桩中的应用和研究提供了一定的参考依据。

混凝土搅拌桩是以混凝土为固化剂，利用深层搅拌机械，就地将地基土与固化剂进行强制搅拌，通过混凝土与土体的一系列物理-化学变化，形成具有一定整体性、强度和水稳定性的桩体，从而达到加固软弱土体的目的。因而，混凝土性能的好坏直接影响到建筑物的安全和使用寿命。在混凝土中加入一定量的掺合料，可以有效地改善混凝土的性能，对此，国内学者进行了大量的实验研究［1-5］。然而，大部分的掺合料只是从增大混凝土颗粒间的连接强度或增加混凝土的密实度中的某一方面来改善混凝土的性能，并非从其反应本身出发。

在有色金属矿物的开采过程中，会产生大量的固体废弃物。煤矸石作为其中的一种，传统的方法是将其作为回填物进行二次利用。煤矸石经过高温煅烧等化学工艺，可以生成偏高岭土（Metakaolin，简写为MK）。作为一种新型、高效的矿物掺合料，相关实验研究［6-11］表明，偏高岭土（MK）对混凝土的强度、渗透性、耐久性等性能有很好的改良作用。由于它本身含有大量活性的物质，可以与混凝土水化产生的Ca（OH）2发生反应，加速混凝土的水化，同时生成水化硅酸钙（C-S-H）凝胶，增强颗粒间的连接强度，进一步填充了颗粒间的孔隙，从而达到增强混凝土强度的目的。从实际工程出发，选用太原地区的粉质粘土作为材料，分析了偏高岭土、龄期对改性混凝土抗压强度的影响，同时结合偏高岭土改性混凝土的荷载-变形曲线，分析了偏高岭土改性混凝土的破坏形式。最后对偏高岭土在混凝土中的作用机理进行了分析，为偏高岭土改性混凝土的应用提供一定的参考价值。

实验材料

实验所选用的土料取自太原某工地，属于粉质粘土，具体物理性质指标见表1。混凝土采用狮头牌普通硅酸盐混凝土。偏高岭土为煤系偏高岭土，主要成分见表2。水为普通自来水。实验前，将土料风干、碾碎，过2.5 mm筛，然后密封保存。实验时，先将土料、混凝土、偏高岭土用砂浆搅拌机搅拌均匀，然后再加入水，保证混凝土的均匀性。

表1　土样的物理指标

表2　偏高岭土化学组分（质量分数） %

实验方法

在混凝土中，混凝土掺量占干土质量的15%，水掺量占干土质量的40%，保持混凝土掺量和水掺量不发生变化，偏高岭土掺量分别占干土质量的0%（MK0）、3%（MK3）、6%（MK6），养护龄期为7、14、28、60、90 d。实验采用70.7 mm×70.7 mm× 70.7 mm的混凝土试模，每个配比，每个龄期做3个试块，一共45个试块。在标准养护箱中养护，温度（20±1）℃，湿度98%。试块达到设计龄期后，采用WDW-100微机控制万能实验机，对其进行无侧限抗压强度实验，并对其实测的荷载-位移曲线进行保存。实验过程中，加荷速率控制在0.1 kN/s，直至试样发生破坏，取其破坏时的极限荷载作为其抗压强度值。数据处理时，若每组的抗压强度值在其平均值的15%以内，为有效数据；若有一个不在，将其剔除；若有两个不在，则视为无效，重新补做，直至满足要求。

结果与分析

不同偏高岭土掺量、不同龄期下的混凝土无侧限抗压强度实验结果见表3。

表3为不同偏高岭土掺量、不同龄期下的混凝土无侧限抗压强度实验结果。在混凝土中加入一定量的偏高岭土，能够提高混凝土的强度。随着偏高岭土掺量的增大，混凝土的强度呈先增大后减小的趋势。当偏高岭土掺量在3%时，混凝土无侧限抗压强度达到最大，存在一个最优偏高岭土掺量。偏高岭土的掺入有利于混凝土早期强度的提高。

表3　不同偏高岭土掺量下的混凝土无侧限抗压强度

图1　混凝土强度与偏高岭土掺量的关系

偏高岭土掺量对改性混凝土强度的影响

图1为不同龄期下混凝土强度与偏高岭土掺量之间的关系。从图中可以看出：当龄期在7 d时，MK介于 0～3%之间的混凝土的无侧限抗压强度几乎没有增长，说明在MK ＜3%时，偏高岭土对混凝土早期强度变化影响不大，偏高岭土并没有参与到混凝土的反应当中。在MK掺量介于3%～6%时，混凝土的无侧限抗压强度有所提升，可能是由于偏高岭土的“填充效应”使得混凝土的抗压强度提高。当龄期在14～28 d时，随着偏高岭土掺量的增加，混凝土的无侧限抗压强度也增大。当MK＞3%时，偏高岭土对混凝土强度的增强效应明显减缓。当龄期在60 d后，混凝土的无侧限抗压强度随着偏高岭土掺量的增大呈抛物线趋势变化。当MK=3%时，混凝土无侧限抗压强度达到最大。当MK=6%时，此时混凝土的强度同不掺偏高岭土的强度相同，是因为偏高岭土反应后生成的钙矾石具有膨胀作用，破坏了混凝土本身的结构，但是由于未反应的偏高岭土的“填充效应”，二者作用相互抵消，使得混凝土强度同不掺偏高岭土的混凝土的强度相同。

养护龄期对改性混凝土强度的影响

图2为不同偏高岭土掺量下混凝土强度与龄期的关系。随着龄期的增长，不同偏高岭土掺量下的混凝土的强度均提高。

图2　混凝土强度与龄期的关系

以90 d混凝土无侧限抗压强度作为标准值，当偏高岭土掺量为0时，混凝土早期（T≤7 d）的抗压强度达到标准值的31.5%，中期（7＜T＜60 d）的抗压强度比重增长了67.5%，后期（T≥60 d）的抗压强度比重增长了1%。当偏高岭土掺量为3%时，早期抗压强度达到标准值的24%，中期抗压强度比重增长了57.6%，后期抗压强度比重增长了18.4%。当偏高岭土掺量为6%时，混凝土早期强度达到标准值的36.4，中期抗压强度比重增长了60.2%，后期抗压强度比重增长了3.4%。未掺偏高岭土的混凝土各个龄期强度增长比重和已有文献［12-13］基本吻合，说明该组实验数据真实可信，具有一定的代表性。

当不掺偏高岭土时，混凝土的强度在60 d时，已经达到最大值，趋于稳定。当偏高岭土掺量为3%时，其早期强度有所降低，但是后期强度比重大，且还有继续增长的趋势。当偏高岭土掺量为6%时，早期强度增长比重较大，后期仍有一定的强度增长比重，但是增长趋势减缓。

偏高岭土改性混凝土的荷载-位移曲线

图4和图5分别为龄期28、90 d不同偏高岭土掺量的混凝土的荷载-变形曲线。图4和图5为实测的曲线，未作任何处理，曲线开始一平滑段指的是实验机与试块刚发生接触，试块并未完全受力，但是对后期曲线的斜率，以及极限抗压强度没有影响。从图中可以看出，混凝土试块在加载过程中，荷载-变形曲线大致分为四个阶段。第一阶段：a—b，这个阶段的曲线呈现下凹的形状，这是因为孔隙在受到外力的作用下，会发生闭合，使得颗粒与颗粒之间的着力点增多，受力面积增大。第二阶段：b—c，弹性变形阶段，荷载随着变形的增大而线呈线性增长的趋势，颗粒与颗粒之间的凝胶发生变形；第三阶段，c—d，随着变形的增加，荷载增长速率变缓，并逐渐达到最大值，试块中的剪力超过颗粒之间的粘结力和摩擦力，使得试块发生破坏；第四阶段：d以后，变形迅速增大，荷载减小，此时试块还能承受一部分残余荷载。

图3　28 d混凝土荷载-变形曲线

图4　90 d混凝土荷载-变形曲线

在图4中，MK3的ab段较长，是因为微孔比较多，MK6的ab段同MK0的ab段相差不大，是因为MK掺量较多，火山灰效应产生大量的钙矾石，使得微孔被填充，相对数量减少。在bc段，MK3、MK6的斜率近似一样，“变形模量”相等，MK0的稍微显小，是因为MK3、MK6在28 d时，混凝土的水化作用和偏高岭土的火山灰效应同时进行，产生的凝胶较多，故“变形模量”较大。在图5中，MK3曲线上的bc段的斜率明显大于MK0和MK6的斜率，是由于混凝土的水化反应和偏高岭土的二次反应产生大量的凝胶和晶体，增大了混凝土的“变形模量”，而MK0和MK6的斜率相同，是因为偏高岭土对混凝土的膨胀作用与“填充效应”相互抵消，使得MK0和MK6的“变形模量”相同。

偏高岭土改性混凝土的破坏形式

在试块加载过程中，首先在表面靠近棱的部位出现竖向裂纹，裂纹逐渐扩展，上下延伸，同时，试块的棱角上出现斜向的裂纹，斜向的裂纹与竖向的裂纹逐渐贯通，混凝土剥落，最终导致试块发生破坏，破坏面与水平面成一定夹角，破坏面基本呈圆弧状，表面凹凸不平。图3分别为偏高岭土掺量0、3%、6%的混凝土破坏后的图片。从图中，可以看出，随着偏高岭土掺量的增加，破坏面与水平面夹角在增大。破坏模式由剪切破坏转变为剪胀破坏，这是因为随着偏高岭土掺量的增加，二次反应生成的凝胶增多，颗粒间的粘结力增强，内摩擦力增大，使其抗剪强度增大，剪切面发生改变，从而提高其抗压强度。

偏高岭土作用机理

从图1和图2中未掺偏高岭土的混凝土和掺偏高岭土混凝土的强度的对比，现将混凝土和偏高岭土在混凝土试块的硬化过程中各个龄期二者所起的作用概括如下：当龄期在7 d以内时，以混凝土的水化反应为主；当龄期在7～60 d之间时，混凝土的水化反应和偏高岭土的火山灰效应二者相互作用、共同进行；当龄期大于60 d后，混凝土的水化作用趋于完成，这个阶段主要是偏高岭土的填充效应起作用。

图5　混凝土破坏后形态

结束语

将偏高岭土加入混凝土中，通过无侧限抗压强度实验，对偏高岭土改性混凝土的无侧限抗压强度以及改性混凝土的破坏形式进行了分析。同时，通过比较不同龄期下改性混凝土强度增长比重，对混凝土、偏高岭土在各个龄期的作用进行了定性的分析。

1） 混凝土的强度随着偏高岭土掺量的增加呈现抛物线增长趋势。当偏高岭土掺量为3%时，混凝土的抗压强度达到最大值。

2） 在混凝土中掺入一定量的偏高岭土后，混凝土的破坏形式是由剪切破坏转变为剪胀破坏。

3） 混凝土的早期强度主要是混凝土的水化作用提供，中期的强度是由混凝土的水化作用和偏高岭土的火山灰效应二者共同作用产生的，后期的强度由偏高岭土的填充效应提供。

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Infl uence of Mineral Waste on Cement-soil Mechanical Performance

10.3969/j.issn.1000-6826.2016.05.02

王茂桑（1963—），男，山西省建筑科学研究院高级工程师，主要从事地基基础处理等工作。通信地址：030001 山西省太原市山右巷10号，E-mail：642814214@ qq.com。

山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001