工业废渣制备膨胀剂的技术
关键词：混凝土；膨胀剂；工业废渣；补偿收缩；钙矾石
0引言
普通硅酸盐水泥混凝土，常因水泥石的收缩而产生裂缝，影响混凝土整体工作性能，降低结构物的耐久性；膨胀剂用于配制补偿收缩混凝土和自应力混凝土，具有不可代替性[1]。
目前，市场上出售的技术成熟、质量稳定的膨胀剂有多种多样，由于其采用高品位的矿物原料和高能耗的生产技术，提高了生产成本，价格普遍较高，因此高附加值地利用工业废渣研制低成本的膨胀剂，具有广阔的工程应用和市场前景。另一方面，随着我国工业化的快速发展，能源消耗严重，还产生了大量的工业废弃物污染环境。利用工业废渣制备市场亟需的混凝土膨胀剂是混凝土膨胀剂的发展趋势之一[2]。
本文采用的混凝土膨胀剂DE0-500的膨胀源为钙矾石C3A·3CaSO4·32H2O（AFt），属硫铝酸钙类膨胀剂，是以工业废渣粉煤灰和磷石膏为原料，基于水化物脱水相的技术制备而成的[3]，。在原料来源和生产能耗上具有很大的经济优势，而且能有效利用工业废弃物，减少环境污染，适合循环经济的发展和可持续发展的理念。
按照混凝土标准（JC476-2001），通过作膨胀剂相关性能试验，检验了混凝土膨胀剂DE0-500的性能，参照《混凝土外加剂应用技术规范》（GBJ500119）的要求，结果表明：所配制的膨胀剂DE0-500可用于配制补偿收缩混凝土，适用于对限制膨胀率要求较低的配筋路面、底板、楼板等一般结构。
1．掺膨胀剂DE0-500的水泥胶砂的试验
1.1 试验原料和主要仪器设备
试验原料：水泥是三河市燕郊新型建材有限公司出产的钻牌P.O.42.5普通硅酸盐水泥；膨胀剂用本试验所配制的混凝土膨胀剂DE0-500和中岩公司产UEA膨胀剂；砂选用厦门艾思欧标准砂有限公司出品的中国ISO标准砂；拌合水是北京自来水。试验设备：HJ-84型混凝土加速养护箱水泥胶砂搅拌机（ISO-679）、振动台、GB/T17671-40A型水泥标准养护箱、砂浆用ISOBY-160型比长仪、DKZ-5000型电动抗折试验机、ISO水泥胶砂三联试模、纵向限制器等。
1.2 试验设计
根据中国建材行业标准，确定混凝土膨胀剂的掺量为12%；为了比较所制膨胀剂的膨胀效果，还设计制作了掺加中岩公司产UEA膨胀剂的试体和不掺膨胀剂的普通硅酸盐水泥胶砂试体。膨胀剂的掺量为12%。每成型三条试体需称量的材料及用量如表1。
1.3 试验方法及步骤
根据国家建材行业标准《混凝土膨胀剂》(JC476-2001)的具体要求和检测方法，作水泥胶砂限制膨胀率和强度试验，水泥胶砂试体成型时的实验室温度为15℃，养护池水温为19℃。水泥胶砂搅拌、试体成型参照 GB/T17671的规定进行。脱模时间定为胶砂成型后24h脱模。
1.4 试验结果与分析
按照混凝土标准《混凝土膨胀剂》(JC476-2001)的规定进行试验，得到水泥胶砂7d和28d养护龄期的限制膨胀率和抗压与抗折强度的试验结果。为了更深入地研究所制备的膨胀剂的性能，更能将膨胀剂的膨胀性能量化，参考相关文献，本文还引用了相对膨胀落差与补偿效率的概念[4]。得到的试验计算结果如表2所示。
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从表2中可以看出：未掺加膨胀剂的3#水泥胶砂试体在水中前期（1d-7d）膨胀量很微小，后期（7d-28d）还有少量收缩。掺加12%不同膨胀剂后的1#和2#胶砂试体均有显著的膨胀效果，7d限制膨胀率分别达到0.035%和0.042%，28d限制膨胀率达到0.058%和0.112%。同掺量的DE0-500的1#试体膨胀速率和膨胀值低于于掺UEA的2#试体，说明中岩公司产的UEA膨胀剂具有很高的膨胀性能。这主要是因为一方面试验中膨胀剂UEA的掺量高于其最佳掺量，另一方面所制膨胀剂DE0-500中含铝量偏低，提供不了过多的膨胀能。尽管如此，膨胀剂DE0-500仍能满足《混凝土膨胀剂》(JC476-2001)规定：膨胀剂在水中养护，水泥胶砂的限制膨胀率7d要大于0.025%,28d要小于0.10%。
7d后在干空养护中3#试体收缩速度迅速增加，限制膨胀率从0.002%降至-0.021%。而掺加12%膨胀剂DE0-500的2#试体有明显的补偿收缩效果，干空21d限制膨胀率仍能达到0.014%，满足空气中21d限制膨胀率大于-0.020%的要求。掺12%中岩公司产UEA膨胀剂的2#试体补偿收缩效果明显好于其1#试体，在干空中养护限制膨胀率损失很少。
膨胀剂DE0-500空气中21d的相对膨胀落差为60%，补偿效率为167%，符合落差小，补偿效率高的要求。掺加DE0-500的膨胀混凝土在1-7d养护期间的膨胀率可以发挥至70%-80%，可以补偿水泥水化热产生的冷缩和自生收缩，7-28d的膨胀率占20%-30%，可以补偿混凝土的干缩[5]。
掺加膨胀剂DE0-500的1#试体7d的抗压强度为24.2MPa，抗折强度为4.2 MPa，符合《混凝土膨胀剂》(JC476-2001)的规定：抗压强度≥20 MPa，抗折强度≥3.5MPa。28d后抗压强度增长至51.4 MPa≥40MPa，抗折强度增长至9.2 MPa≥5.5MPa，也能达到标准要求。
掺加UEA的2#试体由于掺量问题造成的膨胀量过大，对水泥胶砂的强度造成了较大的不利影响，强度降低较大。一般来说，自由强度在同混凝土配合比条件下，随膨胀剂内掺量的提高而降低[6]，在适当降低掺量的后，一定会达到标准的要求。
掺加膨胀剂后，膨胀剂对水泥强度会有一定的影响，在所用水泥符合标准规定的情况下，7d强度值一般比水泥都低，28d强度值与水泥持平较好[6]。从上述分析可知，说明所制备的膨胀剂将在混凝土后期强度发展上能做出贡献，一定能在提高混凝土的性能中起到积极的作用。
2．掺膨胀剂DE0-500的混凝土抗压试验
2.1 试验原料和主要仪器设备
试验原料：水泥：三河市燕郊新型建材有限公司出产的钻牌P.O.42.5普通硅酸盐水泥；砂：中砂，细度模数Mx为2.48；石子：碎石，规格为10mm-30mm；拌合水：北京自来水；膨胀剂：本试验配制的膨胀剂DE0-500和中岩公司产UEA膨胀剂。试验设备：GB/T17671-40A型水泥标准养护箱、WES数显液压万能试验机、振动台、100mm×100mm×100mm三联混凝土试模、捣棒、镘刀、铁铲等。
2.2试验过程
试验选用DE0-500、UEA做混凝土抗压强度试验。每配制三块C30混凝土试块所需原料量见表3。
膨胀剂DE0-500的内掺量为 12%，UEA内掺量为8%，混凝土试块的具体制备过程和抗压强度试验的具体操作过程参见《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081进行。混凝土的抗压强度值以150mm×150mm×150mm试件的抗压强度值为标准值，用其它尺寸试件测得的强度值均应乘以尺寸换算系数，其值对 100mm×100mm×100mm试件为0.95。换算后的试验结果为：经28d标准养护后，1#的抗压强度为34.88 MPa，2#的抗压强度为23.29 MPa，3#的抗压强度为34.79MPa。
2.3试验结果分析 [Page]
从所得的试验结果可以看出，当混凝土中加入制备的膨胀剂DE0-500后，混凝土试块的抗压强度在28d时已经与不掺膨胀剂的普通混凝土试块十分接近。掺DE0-500的1#试块28d抗压强度比不掺膨胀剂的普通混凝土3#试块高0.3%，能达到30MPa以上，满足《混凝土外加剂应用技术规范》（GBJ500119）中28d抗压强度≥25MPa的要求；而掺8%UEA的2#混凝土试块28d抗压强度小于25MPa，与3#试块相比减少11.5MPa，强度损失约33%，所以本试验制备的膨胀剂DE0-500与其它膨胀剂相比在后期强度上占有优势，具有膨胀率适中和后期强度损失小的特点。
根据专家分析：水泥胶砂水中7d限制膨胀率≥2.5×10-4是产品标准最低要求，选用时应将该标准定为>3.0×10-4，这样，使用相同取代胶凝材料率制备的C30～C40补偿收缩混凝土的水中14d限制膨胀率才可能达到1.5×10-4以上。干空中21d限制干缩率≤2.0×10-4是产品标准最低要求，直接反映了干缩程度与膨胀落差，代表了保留自应力值水平，该值越低越好，一般应≤1.0×10-4[6]。从水泥胶砂限制膨胀率试验推算出掺DE0-500混凝土水中14d限制膨胀率为1.5×10-4～1.8×10-4，大于1.5×10-4，水中14d空气中28d的限制干缩率应能小于3.0×10-4。
3．膨胀剂DE0-500的其他性能
3.1 细度试验
利用孔径1.25mm、0.08mm的国家新标准砂石筛进行细度筛分。
（1）取煅烧后的熟料D0-500100g，放入1.25mm标准筛中进行手动筛分，筛余量约等于0%；另取25g放入0.08mm标准筛中进行筛分，筛上余留0.9g，即筛余量等于 3.6%。（2）取磨细后的磷石膏100g，放入1.25mm标准筛中进行手动筛分，筛余量约等于0%；取25g放入0.08mm标准筛中进行水筛，烘干筛上余留2.8g，即筛余量等于11.2%。
由此可见，用以上两种原料配制的混凝土膨胀剂DE0-500，其细度符合混凝土膨胀剂性能指标的要求：0.08mm筛筛余≤12%，1.25mm筛筛余≤0.5%。
3.2 标准稠度需水量和凝结时间试验
用无锡市中科建材仪器有限公司产的水泥标准稠度凝结测定仪，按照标准GB/T 1346-2001采用标准法作掺膨胀剂DE0-50012%、掺中岩公司产UEA12%和未掺膨胀剂的P.O.42.5普通硅酸盐水泥的水泥标准稠度用水量和凝结时间的测定试验，试验结果见表4。
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从表4中可以看出，掺加12% DE0-500后的水泥凝结时间仍能符合混凝土膨胀剂标准。与P.O.42.5普通硅酸盐水泥相比，掺12% DE0-500后的水泥标稠用水量差别不大，略有增加，但凝结时间却推迟了, 掺12% UEA后的水泥标稠用水量略有降低，凝结时间与P.O.42.5普通硅酸盐水泥相近。
4．结 论
（1）本研究利用工业废渣制备的膨胀剂DE0-500虽然与其它市场上出售的膨胀剂产品相比，性能较次，但仍可以满足国家标准《混凝土膨胀剂》(JC476-2001)的限制膨胀率、力学强度和其它物理性能要求。
（2）当混凝土中加入膨胀剂后，混凝土试块的抗压强度在28d时已经与不掺膨胀剂的普通混凝土试块十分接近，都能达到30MPa以上，符合混凝土强度等级C30的要求。本试验制备的膨胀剂DE0-500与其它膨胀剂相比，在后期强度上占有优势，具有膨胀率适中和后期强度损失小的特点，适用于配制补偿收缩混凝土，适用于对限制膨胀率要求较低的配筋路面、底板、楼板等一般结构。
（3）膨胀剂DE0-500在原料来源和生产能耗上具有很大的经济优势，能有效利用工业废弃物，减少环境污染，适合循环经济的发展和可持续发展的理念，具有很大的生产应用前景，具有积极的研究意义。
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