基于固体废料新型混凝土的设计性能研究

摘要：本文旨在研究基于固体废料的新型混凝土设计，通过选用粉煤灰、矿渣粉、再生骨料、稻壳灰等固体废料，优化配合比并改进制备工艺，制备新型混凝土。实验结果表明，合理利用固体废料可有效提升混凝土的工作性能、力学性能和耐久性，同时实现固体废料的资源化利用，具有显著的经济和环境效益。

关键词：固体废料；新型混凝土；配合比设计；性能研究

一、引言

混凝土是现代建筑工程中应用极为广泛的建筑材料。但传统混凝土生产大量消耗天然资源，对环境负面影响渐显。同时，工业化、城市化加速，各类固体废料产生量剧增，若不妥善处理，会大量占用土地资源，严重破坏生态环境。将固体废料用于制备混凝土，既能解决废料处置难题，又能减少对天然骨料和水泥的依赖，降低生产成本，契合可持续发展理念。所以，开展基于固体废料的新型混凝土设计与性能研究，具有重要现实意义。

二、固体废料的选择与特性分析

（一）工业废渣

粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物，其主要化学成分为SiO₂、Al₂O₃等。粉煤灰颗粒呈球形，表面光滑，具有良好的形态效应。在混凝土中，粉煤灰具有火山灰活性，能够与水泥水化产生的Ca（OH）₂发生二次反应，生成具有胶凝性的水化硅酸钙和水化铝酸钙，从而提高混凝土的后期强度和耐久性。同时，[1]适量单掺粉煤灰对晚期混凝土的力学性能没有明显影响，适量掺入粉煤灰会改善混凝土晚期的耐久性能。

矿渣粉是高炉炼铁过程中产生的废渣经粉磨制成的粉体材料。其主要化学成分为CaO、SiO₂、Al₂O₃等，具有较高的潜在水硬性。[2]将粉煤灰和矿渣粉以不同的比例和掺加量混合加入胶凝材料，通过抗氯离子渗透性试验和抗冻性试验研究了其对高强混凝土耐久性的影响，，减少环境污染，同时改善混凝土的抗渗性、抗冻性和抗侵蚀性。

（二）建筑垃圾

再生骨料和废弃砖石经加工后都能作为混凝土骨料。前者由废弃混凝土块制成，因表面附着旧水泥砂浆，存在孔隙率高、强度低等问题，使用时需预处理、控制取代率并优化配合比；后者主要成分为黏土、页岩，强度和硬度低、吸水率大，使用时要考虑对混凝土性能的影响，通过搭配其他骨料和调整配合比来保证性能。

（三） 农业废弃物

稻壳灰

稻壳灰是稻谷加工过程中产生的稻壳经焚烧后得到的灰白色粉末。稻壳灰中含有大量的无定形SiO₂，具有较高的火山灰活性[3]。随着稻壳灰替代率的变化，混凝土试块的性能也会改变，抗压强度、弹性模量等先增大后减小，劣化度和气孔数量先减小后增大。在混凝土中掺入稻壳灰，可改善微观结构，增强界面过渡区的黏结强度，提高混凝土强度和耐久性

三、新型混凝土的配合比设计与制备工艺

新型混凝土的研发，涵盖配合比设计与制备工艺两方面关键环节。配合比设计遵循满足强度和工作性能、最大化利用废料、保证耐久性、考虑成本等原则，采用正交试验法，以固体废料种类、掺量等为因素，工作性能等为响应值设计多组方案，统计分析确定最佳参数后依试验结果优化，如调整外加剂、材料用量和废料活性激发条件。制备工艺上，固体废料需预处理，工业废渣粉磨、建筑垃圾再生骨料多道工序处理、农业废弃物针对性加工，搅拌用强制式搅拌机先干后湿，时长多1 - 2分钟，成型靠振动，养护方式多样，时长不少于7天，保障强度和耐久性。

四、新型混凝土的性能测试与分析

（一）实验设计

实验设计的核心在于系统性地探索固体废料对新型混凝土性能的影响。实验变量主要包括固体废料的种类、掺量比例以及养护条件，而控制条件则包括水灰比、水泥用量和试件尺寸等关键参数。实验步骤分为材料准备、试件制备、养护处理及性能测试四个阶段。在材料准备阶段，选取粉煤灰、矿渣、建筑垃圾再生骨料等固体废料作为掺合料，并严格控制其粒径分布与含水率。试件制备时，根据预设的配合比将固体废料与水泥、砂石混合，采用标准模具成型为150 mm × 150 mm × 150 mm的立方体试件。养护条件分为标准养护（20 ± 2 ℃，湿度≥95%）和CO₂矿化养护两种方式[8]

为进一步明确实验变量之间的关系，绘制用例图如下：

该用例图揭示了实验变量的层次结构及其相互关联，为实验设计提供了逻辑支撑。

实验的具体实施中，首先通过正交试验设计确定最佳配合比，随后按照上述步骤制备试件并进行性能测试。例如，在掺量比例为20%的情况下，粉煤灰掺合料显著提升了混凝土的早期强度，而矿渣则对后期强度发展具有促进作用

为了进一步验证实验结果的可靠性，采用均匀设计方法对不同变量组合进行了多次重复试验。实验数据表明，固体废料掺量与混凝土强度之间存在非线性关系，具体表现为随着掺量增加，强度先升高后降低。这一现象可通过固体废料对水泥水化反应的双重作用机制解释：适量掺入可促进水化产物生成，而过量掺入则会削弱基体密实度。

综上所述，实验设计充分考虑了变量的多样性与复杂性，通过科学的时间安排与变量关系分析，确保了研究结果的准确性和可重复性。

（二）工作性能测试

坍落度与扩展度

用坍落度筒法测新拌混凝土坍落度、扩展度，评估其流动性与工作性。结果显示，粉煤灰、矿渣粉等工业废渣掺量增加，混凝土坍落度和扩展度逐渐增大，工作性能改善，因工业废渣颗粒形态和表面特性有减水作用，能降低用水量、提升流动性。但再生骨料吸水率大，致混凝土坍落度损失快，工作性能下降，预湿再生骨料或调整配合比，可改善其工作性能。

（三）力学性能测试

在混凝土性能测试中，采用标准立方体试块，在规定养护条件下养至规定龄期后，用压力试验机测抗压强度，适量掺入粉煤灰和矿渣粉的混凝土早期抗压强度稍降，后期因二者火山灰反应生成更多水化产物增强结构强度，28d抗压强度能达到甚至超过普通混凝土；再生骨料混凝土抗压强度随再生骨料取代率增加而降低，优化配合比和预处理再生骨料可提升强度。采用劈裂抗拉试验和抗折试验分别测试抗拉、抗折强度，结果显示掺入甘蔗渣纤维等农业废弃物纤维后，混凝土抗拉、抗折强度明显提高，因为纤维起到增强和阻裂作用，有效抵抗拉应力和弯曲应力，延缓裂缝产生和发展。

（四）耐久性测试

采用渗水高度法测混凝土抗渗性，结果显示，掺入粉煤灰、矿渣粉等工业废渣后，混凝土抗渗性显著提高，这得益于工业废渣二次水化反应填充内部孔隙、细化孔径，降低渗透性；而再生骨料混凝土抗渗性较差，经优化配合比和表面处理再生骨料可改善。采用电通量法测抗氯离子侵蚀性，掺入粉煤灰和矿渣粉等矿物掺合料后，混凝土电通量降低，抗氯离子侵蚀能力提升，是因二次水化反应减少毛细孔数量，降低氯离子传输通道。

六、结论

利用粉煤灰、矿渣粉等固体废料制备的新型混凝土，经配合比和工艺优化，性能优良，废料改善了混凝土多方面性能及微观结构。该混凝土实现废料资源化，兼具经济与环境效益。未来研究聚焦废料复合利用等，为大规模应用提供支撑。

参考文献：

[1]郑永娟. 粉煤灰和塑料废料对混凝土力学和耐久性能的影响[J].塑料科技，2024，52（07）：105-108.

[2]李敏，高绪，赵瑜隆.粉煤灰和矿渣粉对高强混凝土耐久性的影响[J].山东交通科技，2024，（06）：17-21.

[3]袁璞，李德海，陆雪峰. 冻融循环下稻壳灰和硅灰对水泥砂浆力学性能的影响[J].铜陵学院学报，2024，23（06）：99-104.