建筑垃圾制备膏体充填材料骨料级配优化
Optimization of Aggregate Gradation of Paste Filling Material Prepared by Construction Waste
收稿日期: 2020-11-24 修回日期: 2021-02-28 网络出版日期: 2021-10-08
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Received: 2020-11-24 Revised: 2021-02-28 Online: 2021-10-08
作者简介 About authors
海龙(1975-),男,辽宁阜新人,副教授,从事采煤地表沉陷灾害评价与控制、固体废弃物综合利用及矿山采空区充填研究工作
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海龙, 徐博, 赵鑫.
HAI Long, XU Bo, ZHAO Xin.
随着城镇化进程的加快,在城市建筑物改造翻新过程中,产生了大量的建筑垃圾(刘音等,2020)。据统计,我国每年排放的建筑垃圾达4亿t(姜明阳等,2015)。建筑垃圾的无序排放占用了大量的土地资源,造成严重的环境污染,并伴随有滑坡风险(韩宇峰等,2018;仇文超,2016)。与此同时,城市周边的矿山采空区急需大量的充填材料,若能将城区内的建筑垃圾合理分类、破碎后制成膏体材料,并充填至井下采空区,不仅能够解决大量建筑垃圾无序排放的问题,而且能够解决矿山充填材料匮乏和地表大面积沉降等问题(李浩等,2019;郑保才等,2006;缪协兴等,2009)。因此,将建筑垃圾用作膏体充填材料,有助于提高建筑垃圾的综合利用率,在节约资源和保护环境等方面均具有重要意义(刘音等,2017;梁晓珍等,2011)。
建筑垃圾是工程施工过程中产生的工程渣土、工程垃圾,以及新建、扩建、拆除各类建筑物产生的拆除垃圾和装修垃圾等固体废弃物的总称(史志贺等,2020)。近年来,许多学者积极寻求建筑垃圾综合利用的有效途径(魏英烁等,2019;于凤军等,2014;张健等,2019),并提出了建筑垃圾资源化利用的工艺方法和处理设备。周芬等(2020)、马永志(2019)和刘天奇(2018)将建筑垃圾加工成再生骨料并制备再生混凝土,得出再生混凝土的工作性能较差、抗压强度较低的结论。部分学者建议将建筑垃圾用作井下充填材料(Ishihara et al.,2005;张成辉等,2016;Guo et al.,2020)。Chen(2018)将大量的建筑废料和废弃的粉煤灰混入采空区的填料中,得到了含有大量废弃粉煤灰和建筑废料的最佳填充料配方。为验证建筑垃圾作为充填材料的合理性及其对充填膏体强度性能的影响因素,一些学者制备了建筑垃圾充填膏体并进行单轴抗压强度测试(施现院等,2020;董江峰等,2020;张保良等,2014)。上述研究表明,选用建筑垃圾制备充填骨料,具有成本低、储量大和充填体强度高等优势,在采空区充填方面具有良好的应用前景。
综上所述,以往有关建筑垃圾制备充填材料的研究,主要集中在制备膏体充填材料的方法和性能方面,而对建筑垃圾骨料的具体制备工艺、参数以及骨料级配和掺量对膏体各项性能的影响研究较少,尚未有学者提出最优配合比,并且将建筑垃圾用作金矿膏体充填骨料的研究尚未开展。鉴于此,本文将建筑垃圾用作排山楼金矿采空区充填骨料,以普通水泥为胶凝材料,粉煤灰为添加料制备膏体材料。同时,采用现场勘察、室内试验和理论分析相结合的方法,考察膏体流动性能和强度特性,并提出建筑垃圾作为充填骨料的制备工艺,为解决金矿充填骨料来源问题和建筑垃圾综合利用提供参考。
1 级配优化试验与分析
1.1 试验材料
(1)建筑垃圾:本试验所用建筑垃圾取自阜新市某小区旧楼拆除现场,主要含有废旧混凝土(部分含有钢筋)、红砖、砌筑和抹面砂浆块、渣土以及旧木材,部分堆体含有较多编织袋、泡沫塑料和碎玻璃,个别堆体含有大量生活垃圾。试验测得混凝土块的普氏硬度为3.74,为中等坚固岩石,破碎难度中等偏小;砖块的普氏硬度为1.17,为比较软的岩石,容易破碎。根据充填工艺要求(同树峰等,2019,刘音等,2016),使用颚式破碎机将混凝土块和砖块分别破碎至最大粒径不超过25 mm的颗粒。按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)(中华人民共和国住房和城乡建设结合部,2019)测定了骨料的性质,结果显示:其表观密度为2.137 g/cm3,堆积密实度为0.87 g/cm3,天然含水率为3.56%,吸水率为9.30,比重为2.3,细颗粒较少,级配不良。
(2)粉煤灰:本试验所用粉煤灰取自阜新市细河区五家子村,根据《粉煤灰混凝土应用技术规范》(中华人民共和国建设部,2014)中的测试方法,测得其细度为18.6%,颗粒较细,堆积密度为1.20 g/cm3。孔隙率为46.0%,含水率为2.30%。
(3)水泥:本试验选用辽宁大鹰水泥制造有限公司生产的鹰山牌P·O42.5普通硅酸盐水泥,其强度满足《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)(中华人民共和国国家质量监督检查检疫总局,2018)国家标准第3号修改单要求。该普通硅酸盐水泥的具体参数见表1。
表1 鹰山牌P·O42.5普通硅酸盐水泥性能参数
Table 1
参数名称 | 数值 | 参数名称 | 数值 |
---|---|---|---|
初凝时间/min | 210 | 28 d抗折强度/MPa | 9.9 |
终凝时间/min | 300 | 28 d抗压强度/MPa | 44.3 |
3 d抗折强度/MPa | 4.8 | 体积安定性 | 合格 |
3 d抗压强度/MPa | 21.4 | 标准稠度用水量/% | 27.5 |
(4)水:辽宁工程技术大学土力学实验室自来水。
1.2 试验方法
本次试验从建筑垃圾的破碎工艺入手,优化其骨料级配。设计试验方案:首先对建筑垃圾集料进行一次颚式破碎至25 mm以下(级配不良),然后采用筛分的方法,从粒径为5~25 mm的建筑垃圾粗骨料中分别取出1/2粗骨料和1/3粗骨料进行二次颚式破碎,分别破碎至最大粒径不超过10 mm和15 mm,最后再与第一次破碎骨料进行混合,并开展级配优化试验,试验方案见表2。
表2 级配优化试验方案
Table 2
破碎方案编号 | 粗骨料(5~25 mm)占比 | 最大粒径/mm |
---|---|---|
1 | 1/2 | 10 |
2 | 1/3 | 10 |
3 | 1/2 | 15 |
4 | 1/3 | 15 |
1.3 试验结果分析
表3 建筑垃圾级配优化情况
Table 3
破碎方案编号 | 骨料负累计百分含量/% | Cu | Cc | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
25 mm | 20 mm | 10 mm | 5 mm | 2 mm | 1 mm | 0.5 mm | 0.25 mm | 0.074 mm | |||
1 | 100 | 80 | 72 | 66 | 46 | 42 | 31 | 22 | 6 | 39.1 | 0.50 |
2 | 100 | 78 | 69 | 59 | 41 | 37 | 27 | 22 | 5 | 51.5 | 0.60 |
3 | 100 | 74 | 62 | 51 | 35 | 32 | 25 | 21 | 4 | 70.3 | 0.85 |
4 | 100 | 69 | 58 | 45 | 30 | 27 | 21 | 17 | 3 | 68.1 | 2.31 |
图1
在上述级配优化试验中,采用破碎方案4制备骨料时能够得到级配良好的骨料,但是骨料中缺少粒径小于0.16 mm的微细骨料,因此,试验采用粉煤灰作为微细骨料。设计试验方案如下:在采用破碎方案4制备建筑垃圾骨料的基础上,分别加入10%、15%和20%的粉煤灰,并测试其级配情况,试验结果如表4所示。
表4 建筑垃圾和粉煤灰级配情况
Table 4
混合骨料配比 | 骨料负累计百分含量/% | Cu | Cc | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
25 mm | 20 mm | 10 mm | 5 mm | 2 mm | 1 mm | 0.5 mm | 0.25 mm | 0.074 mm | |||
粉煤灰10% | 100 | 77 | 67 | 43 | 34 | 31 | 23 | 19 | 7 | 77.2 | 1.2 |
粉煤灰15% | 100 | 70 | 60 | 50 | 35 | 32 | 25 | 21 | 8 | 90.3 | 1.1 |
粉煤灰20% | 100 | 74 | 64 | 51 | 36 | 34 | 28 | 25 | 10 | 101 | 1.1 |
图2
这是由于粉煤灰具有微集料效应,作为微细骨料填充至建筑垃圾骨料之间微小的孔隙中,使其致密性提高,级配得到优化。
2 建筑垃圾膏体充填材料配比试验
2.1 坍落度试验
在膏体材料充填过程中,坍落度是判断充填材料工作性能的关键指标,反映了充填材料在管路输送过程中的流动能力。若坍落度过大,料浆浓度较低,材料会发生离析现象,造成充填材料的浪费,无法达到充填体的凝固效果;若坍落度过小,料浆中固体含量过多,会造成充填管路堵塞,严重时会发生爆管,从而影响充填进度。
图3
图3
不同含水率下膏体材料坍落度
Fig.3
Slump of paste material under different moisture content
(2)坍落度试验结果分析。图4所示为骨料级配对料浆坍落度的影响。采用破碎方案4制备的建筑垃圾骨料级配良好,在相同含水率条件下,料浆的坍落度更大。这是由于良好的骨料级配使得膏体材料中粗颗粒与细颗粒之间相互结合、致密,减小了外表面粗糙的颗粒之间的摩擦,从而提高了料浆的流动性能及其和易性。
图4
图5
2.2 单轴抗压强度试验
(1)单轴抗压强度试验方法。按照上文坍落度试验的配比方案制备膏体充填材料,将破碎好的建筑垃圾骨料按配比方案与水泥、粉煤灰搅拌均匀,然后加水并充分搅拌均匀,制成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试件。将脱模后的试件放入养护箱,相对湿度为90%以上,分别养护1,3,7,14,28 d。使用辽宁工程技术大学机测实验室的CMT5205型微机控制电子万能试验机,采用位移控制方法(速率为0.1 mm/min)测试试件的单轴抗压强度,试验结果见表5。由表5可知,随着养护时间的增加,骨料级配良好的膏体材料的单轴抗压强度高于骨料级配不良的膏体材料的单轴抗压强度。同时,在骨料级配相同的条件下,15%粉煤灰掺量下膏体材料的单轴抗压强度明显大于10%、20%粉煤灰掺量下膏体材料的单轴抗压强度。
表5 配比试验及结果
Table 5
试验组号 | 破碎方案编号 | 水泥掺量/% | 粉煤灰掺量/% | 不同养护时间下的单轴抗压强度/MPa | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 d | 3 d | 7 d | 14 d | 28 d | ||||
1 | 2 | 6 | 10 | 0.57 | 0.76 | 1.00 | 1.30 | 1.82 |
2 | 2 | 8 | 15 | 0.59 | 1.02 | 1.60 | 2.10 | 2.64 |
3 | 2 | 10 | 20 | 0.67 | 1.14 | 1.80 | 2.35 | 3.21 |
4 | 3 | 6 | 15 | 0.55 | 0.81 | 1.50 | 1.41 | 1.98 |
5 | 3 | 8 | 20 | 0.64 | 1.01 | 1.83 | 2.15 | 2.72 |
6 | 3 | 10 | 10 | 0.60 | 1.15 | 2.00 | 2.74 | 3.50 |
7 | 4 | 6 | 20 | 0.38 | 0.92 | 1.25 | 1.60 | 2.13 |
8 | 4 | 8 | 10 | 0.53 | 1.00 | 1.58 | 2.00 | 2.60 |
9 | 4 | 10 | 15 | 0.73 | 1.23 | 2.05 | 2.82 | 3.55 |
图6
图6
骨料级配对膏体材料抗压强度的影响
Fig.6
Influence of aggregate gradation on the compressive strength of paste materials
图7
图7
粉煤灰掺量对膏体材料抗压强度的影响
Fig.7
Influence of fly ash content on the compressive strength of paste materials
由于水化反应过程中未参与的水会留存在充填体中,蒸发后形成孔隙,从而影响充填体的强度。而粉煤灰发挥其减水作用,有助于减少充填体内的孔隙,从而提高充填体强度。若粉煤灰太少,其减水作用不足,将导致充填体强度较小。当粉煤灰过多时,虽然能充分起到减水作用,但过多的粉煤灰将导致混合集料中细骨料过多,从而导致骨料级配不良,进而影响充填体强度。选择15%的粉煤灰掺量时,粉煤灰既能发挥其减水作用,又能使骨料具有良好级配,二者达到平衡,在此条件下粉煤灰对充填体强度和流动性能的影响俱优。
3 建筑垃圾集料制备流程
基于阜新排山楼金矿现有的条件,结合阜新市内建筑垃圾的类型特点,提出建筑垃圾用作井下采空区膏体充填材料的制备流程,如图8所示。
图8
图8
建筑垃圾制备膏体充填材料流程图
Fig.8
Flow chart for preparing paste filling materials from construction waste
经现场调研得知,阜新市内的建筑垃圾组成成分比较复杂。其中,包括含有钢筋的混凝土砌块、碎砖块、渣土、废弃木料、废旧塑料以及破衣物、棉絮和其他少量生活用品。
建筑垃圾处理单位将建筑垃圾运送到堆放场地后,运用破碎机将粒径大于500 mm×500 mm的混凝土、砖、钢筋组成的混凝土砌块、墙体等进行破碎,分选剔除粒径大于500 mm的废弃木料、棉絮衣物等,将其集中处理。建筑垃圾的尺寸满足要求后,用传送带送入破碎机,将粒径小于300 mm的建筑垃圾集料碎料送到分选皮带上。由于衣物、纤维制品、编织品、木屑和塑料制品等材料质软、柔韧性大,破碎机无法充分破碎,所以在输送皮带上分选剔除并集中处理(李秋义,2011)。破碎后的建筑垃圾中还含有部分钢筋以及各种金属预埋件和少量的钉子,由于金属对机器磨损特别严重,将间接造成破碎成本增高,因此这些材料必须由磁选机剔除(何标庆等,2019)。建筑垃圾集料中较小的塑料、木屑和碎织物等经过筛分机出料口垂直下落时由风力分选。分选后的建筑垃圾集料在组成成分上满足充填要求,剩余极小部分杂质对充填体强度及其各项性能的影响可以忽略不计。将建筑垃圾集料倒入颚式破碎机破碎至粒径为25 mm以下,取1/3建筑垃圾粗骨料(5~25 mm)送入颚式破碎机二次破碎至粒径为15 mm以下再回混。将处理好的建筑垃圾集料由传送带倒入储料罐中,加入其他骨料、胶凝材料和水,搅拌均匀后制成膏体材料,由管道泵送至采空区进行充填作业。
4 结论
(1)建筑垃圾用作井下膏体充填材料骨料的级配优化方案为:建筑垃圾集料经一次破碎至25 mm以下,将一次破碎后粗骨料的1/3二次破碎至15 mm以下回混,能够得到级配良好的骨料。相比骨料级配未得到优化的集料,料浆的和易性、需水量和流动性均得到显著改善,使料浆具有更高的质量浓度优势。
(2)采用破碎方案4制备建筑垃圾骨料时,粉煤灰掺量为15%,水泥掺量为10%,是建筑垃圾制备膏体充填材料的最优配合比。在此配合比下,充填体1,3,7,14,28 d单轴抗压强度分别为0.73,1.23,2.05,2.82,3.55 MPa。含水率控制在27%~28%之间,坍落度为21.5~24.0 cm,既能满足膏体充填材料的流动性要求,又能满足膏体充填材料的强度要求。
(3)粉煤灰对膏体材料抗压强度的影响主要在养护后期。15%的粉煤灰掺量既能起到良好的减水作用,又能保证料浆流动性。
(4)将建筑材料用作充填材料,不仅解决了阜新排山楼金矿充填材料不足的问题,同时提高了建筑垃圾资源化利用率,解决其无序排放、污染环境等问题。下一步将深入开展建筑垃圾膏体充填材料充填至采空区后其工作性能及实际操作的可行性研究。
http://www.goldsci.ac.cn/article/2021/1005-2518/1005-2518-2021-29-4-573.shtml
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