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一种简单的新型混合料设计方法和用石灰石废料废弃物处理

泡沫混凝土的性能评估

Rajesh Kumar, Rajni Lakhani*, Priyanka Tomar

有机建筑材料集团，CSIR中央建筑研究所，Roorkee，英国247 667，印度

摘要

本文旨在研究LSSW填料对混凝土密度650到1200kg/m^3范围内的泡沫混凝土（也称为多孔轻质混凝土（CLCs））不同性能的影响。 LSSW填料是从印度Vindhyan山脉西端收集的。具有八个设计步骤的独特的混合设计方法是起源于经验和数值推导的CLC，并且根据指定目标绿色或塑料密度作为主要标准，这是一个迄今尚未开发的领域。对于CLC的开发，水泥与NRS之比保持为1：1.35。 NRS被LSSW填料取代的量从25％到100％，每次增加25％。本研究中使用的天然蛋白质发泡剂与水的比例为1:20。总共有15个试验用于将每个系列的五个阶段用水泥作为主要粘合剂。每个阶段基于水/水泥（w/c）比，发泡剂/水（fa/w）比和NRS/LSSW比的变化。湿度固化3,7和28天。

实验研究包括抗压强度（CS）与性能因子（CS（Pa）与干土重（OD）密度（N / m3）之比）、稠度、实现密度比、热性能、X射线衍射，扫描电子 显微镜和图像分析。 结果表明，将LSSW填料置换50％的NRS并加入CLC中; 增强的CS和相应的性能因素。发现密度为1002kg/m3和819kg/m3时，最大性能因子（在第28天）为382和319，此时水灰比为0.86。 对于这两种混合物，填料效应以及成核效应比其他混合物占优势。 LSSW填料没有显示出任何火山灰、水力或潜在的水力特性的危害。 因此，LSSW的使用不仅有利于混凝土行业，而且对促进可持续发展的环境也很友好。

关键词：石灰石 泡沫混凝土 轻质混凝土的混合设计 性能因素 导热系数图像分析仪

1.简介

印度是第三大天然石材生产国; 产量占世界石材总量的30％以上，出口量占世界石材总出口量的比例超过13％。石材行业对印度经济至关重要，印度经济丰富了高质量的天然石材，如石灰石、大理石、砂岩、花岗岩、板岩、石英岩等。按照联合国框架分类法（UNFC）体系 ，所有类别和等级的石灰石资源总量估计为184935吨，其中储量类别为14,926吨（8％），剩余资源类别为170,009吨（92％）。 按照“石头开发中心（CDOS） - 印度”; Rajas--超过80％（50吨）的份额，是印度最大的石材生产国。

拉贾斯坦邦拥有巨大的资源，包括大理石，砂岩，花岗岩，旗杆石灰石和石板等五种主要品种。 拉贾斯坦邦丰富地拥有沉积型岩石来源的旗崖低级石灰石（俗称Kota-stone），它由高硅含量的碳酸钙组成。 哥打和贾拉瓦尔地区占印度石油产量的70％。 Kotastone矿床分布在150平方公里范围内（图1）。 统计数据显示，采矿租赁总数为123个，年采矿量为6吨，为采矿储量。 在定尺寸期间，每个石材工业单位都会生成固体废物和石浆。 固体废弃物来自矿场或加工单元的废弃物，而石浆则是由锯切和抛光过程产生的颗粒组成的半液态物质。

根据CDOS报告，来自波峰石灰石工业的切割、锯切和抛光过程中产生的废物量每年很容易达到10到12兆吨。 众所周知，旗状石灰石浆液由85％的水和15％的焦油石灰石粉组成。 因此，每年总固体废物容易达到约4.5到5兆吨， 占总采矿储量的75％～80％。 除了占用大面积的土地进行储存或处置外，这些产生的副产品废物造成重大的环境和生态问题（图2）。 因此，将这种大量的废物看作是矿物或资源，其回收利用的巨大范围和需求以及使用这种石材来开发可持续建筑材料是非常必要的。

各种研究人员试图在自密实混凝土（SCC），高性能混凝土（HPC），轻质混凝土（LWC），普通混凝土制品（CP），团聚大理石，路面，路堤，胶水和涂料的开发中利用石灰石废物（Galetakis和Soultana，2016）。在各种文献中已经很好地描述了SCCs（Celik等，2014; Courard等，2011; Dehwah，2012; Felekoglu等，2007; Gesoglu等，2012; Ghoddousi等，2014; Ho 2002; Sua-iam和Makul，2013; Uysal和Sumer，2011; Zhu和Gibbs，2005）。 Celik等人（2014年）研究了大量45％的硅酸盐水泥替代30％细磨玄武岩灰和15％石灰石粉制得的混凝土具有良好的可加工性，超过28天的CS（39 MPa），一年来最好的强度（ 57 MPa）和非常高的抗氯化物渗透性。 Courard等人（2011）研究了粘土在石灰石填料中对自密实水泥基复合材料的影响。得出的结论是，当用石灰石填料代替15％质量的OPC时，观察到在第7天对CS的显着影响。 Dehwah（2012）报道，采用采石粉尘粉末（8～10％）的SCC的力学性能等于或优于所制备的SCC的力学性能，无论是硅粉和采石粉尘粉末还是单独的粉煤灰。 Gesoglu等人（2012）调查了使用大理石粉和石灰石填料生产自密实混凝土（SCC）的可能性，有无粉煤灰。一个结论是，随着石灰石废物含量的增加，CS也增加，其中并没有使用粉煤灰。

Mohamadien等人 （2012）研究了石灰石废料与大理石粉末混合作为添加剂在混凝土中的应用。 他们报告说，石灰石用沙子替代50％可获得具有最佳弹性模量的CS。 另外，随着石灰含量的增加， 渗透系数降低。 Algin和Turgut（2008）研究了棉花废料和石灰石粉末废料的潜在用途，以生产新的低成本并将轻质复合材料作为建筑材料。他们观察到，随着石屑的百分比重量减少; 强度也下降了。

在世界范围内，人们越来越感兴趣的是开发可持续发展的节能建筑材料。在不同的节能建筑材料中;轻质混凝土是21世纪最受欢迎的混凝土之一，因为研究泡沫混凝土内在和外在特性的兴趣在日益增加。有许多不同类型的轻质材料具有足够的强度，许多研究人员正在开发这些材料以解决节能问题。利用不同类型的原材料开发的轻质混凝土是其中之一。这些被用于高层建筑。根据ASTM C796，“多孔混凝土是一种轻质产品，由波特兰水泥，水泥 - 二氧化硅，水泥 - 火山灰，石灰 - 火山灰或石灰 - 二氧化硅浆料组成，或者含有这些成分的混合物并具有均匀空隙或细胞结构的浆料，通过气体成型化学品或发泡剂实现。“在多孔混凝土中，密度控制是通过用宏观气室代替全部或部分细骨料来实现的。用作绝缘/非承重/承重材料的轻质材料的性能取决于它们的密度、CS和热导率。

现在，有效利用粉煤灰（FA）、地面粒化高炉矿渣、硅粉等废弃物来制造CLCs正在进行中。高达67％的水泥可以用未分级和分级的粉煤灰代替，而不会显着降低强度（Kearsley and Wainwright，2001）。使用精细FA的附加效益是它降低了水合热量，这一点非常重要，因为CLC具有很高的隔热特性（Jones and McCarthy，2005）。在所有密度下，水泥 - 粉煤灰混合物产生更均匀分布和更小直径尺寸的空隙（Nambiar和Ramamurthy，2007）。加入浓度高达10％（重量）水泥的浓缩硅粉显着提高了CLC的强度，其中泡沫含量低于约30％（De Rose and Morris，1999）。二氧化硅烟雾释放出大量的水合热量，这对CLCs不利，因为它可能导致核心温度的显着升高并可能产生不利影响（Jones and McCarthy，2006）。因此，在CLCs中使用石灰石浆液废料的工程混合设计步骤尚未发布。因此，本文重点介绍了不同密度CLCs的混合设计策略 - 物理力学，显微结构，夹带孔径分布和热表征的详细信息。

2.试验计划

2.1.材料

2.1.1.水泥

用于制造CLC的水泥是43级的波特兰水泥，证实是IS 8112（43级普通硅酸盐水泥的规范）。 根据IS 4031：第I-VI部分，第XI部分（水硬性水泥的物理测试方法）和IS 4032（水硬性水泥的化学分析方法）测试水泥的物理和化学性能，并且在表1和2中给出 分别符合IS 8112的规定。

2.1.2细集料

根据IS 383（混凝土天然来源的粗细集料规范），干燥清洁的NRS（从索拉尼河采集）确认为IV区，用于开发CLCs混合物。粒度分布根据IS 383测定。由于NRS的细度模数应小于1.25，NRS的细度模数为1.07，满足细集料制造CLC的要求。最大粒径聚集体（MSA）为1.18 mm，总NRS材料的98.46％通过600毫米筛，满足英国水泥协会1994年建议（泡沫混凝土 - 组成和性能），即总惰性材料的60～90％应为通过600毫米筛。图3（a）给出了NRS的等级。根据IS 383，IS 4031：第II部分，IS 2386：第I-III部分（用于混凝土的聚集体的测试方法）和结果，测定比重、吸水率、含水量、空隙百分比等如表3所示。

2.1.3. 石灰石浆液废物（LSSW）

先将LSSW捣碎，然后对粒度分布曲线进行激光粒度分析和筛分分析。 测定LSSW的化学组成、细度、空隙百分比、吸水率和容积密度并示于表2和3中.LSSW的粒度分布曲线示于图3（b）。 已观察到LSSW松散堆积密度的低值; 表示其与NRS相比其细度和高比一般值。

2.1.4表面活化剂

按照ASTM C796（用于使用预成型泡沫生产多孔混凝土的发泡剂的标准测试方法），使用天然蛋白质基发泡剂来制造密度在30至65kg/m^3之间的泡沫。为了达到这个密度，调配发泡剂和水以1:20、1:30和1:40的比例混合。 对于每个比例，通过观察累积坍落度（表示气泡稳定性）来确定稠度，如表4和图4所示。最终观察到1:20比例的发泡剂和水产生密度为50kg/mhellip;^3的泡沫 ，这是根据ASTM C796规范预制泡沫生产多孔混凝土。

2.2方法

2.2.1泡沫混凝土配合比设计的水灰比优化

最初制备两组混合物，分别命名为S1和S2。 每个系列包括十五种混合物。 第一个称为S1的系列是为1000千克/立方米的密度准备的。 第二个称为S2的系列为800千克/立方米的密度准备。 根据ACI 523.3R-93（混凝土指数超过50 pcf，混凝土超过50 pcf，抗压强度低于2500 psi），ACI 523.3R-14的水泥和NRS比例保持为1:1.35 （指导细胞混凝土超过50磅/立方英尺）和英国水泥协会（1994年）的建议。

确定每种混合物的最佳水灰比率; OPC和LSSW填料砂浆的比例为1：1.35的流动台试验进行了五个阶段。流量值（FV）使用流量表装置确定（图5）。在进行流量表测试后，从每个密度的各个阶段（表5）中选择对应于130、150和170的FV的水灰比，并进行进一步的混合料设计计算。 对于FV 130、150和170，初始水灰比率分别保持为0.60,0.70和0.80，以制备0％替代NRS的饱和砂浆基料（MBM）。通过用LSSW填充剂替代NRS达到100％，以五个阶段（即P1、P2、P3、P4和P5）替代NRS，并确定每个MBM的FV，发现MBF的MFI不变; 水灰比以恒定的FV增加。

2.2.2 工程混合设计推导与开发CLCs的步骤

传统和非传统发泡混凝土配料方法的标准规范有限。 因此，本研究通过推导CLC混合设计的几个公式来做了很少的努力。 在CLC的混合设计中; 主要目标是应该夹带在砂浆基料中的空气量，发现如下

假设在塑料/绿色条件下发泡混凝土的密度为x kg / m3

绿色密度=质量/体积

绿色密度

这里

总质量 =（水 水泥 LSSW 沙）的质量

总体积 =（水 水泥 LSSW 沙 空气）的体积

给定的参数是 -

水的比重，G_w=1.00

水泥的比重，G_c=3.15

LSSW的比重，G_1=2.73

砂的比重，G_s=2.68

因此，空气的体积将被发现，所需的空气量;

其中，每批试验中水的质量（kg）;

水泥含量（kg）;

LSSW含量（kg）;

砂含量（kg）;

测试批次所需的空气量（m3）;

目标绿色/塑料密度CLCs（kg / m3）。

在导出公式 （1），下面的设计方法按部就班的进行对CLCs的研究-

步骤：1 用于测定OD密度和CS; 样品将被烘箱加热至约100℃。在此温度下，游离水将被蒸发并且只有固体物质将作为主要原料被保留。 并且，进一步将剩余的固体重量用于计算OD密度和CS。 因此，在放置和铸造每种密度的固体总重量时：

对于1000千克/立方米 - 每立方米固体总重量= 1000千克

800公斤/立方米 - 每立方米固体总重量= 800公斤

步骤：2 固体物质的重量（步骤1）以1:1.35的比例（使用ACI 523.3R建议，结合混合设计的敲击和试验方法）分配给每个系列的五个阶段。

步骤：3 使用表5计算总水量。

步骤：4 通过将每种混合比例的固体物质和水的总重量相加来计算目标塑料/生坯密度xkg/m^3。 根据ASTM C796，在40~45ps

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