冷粘结采石场粉尘粗骨料的性能及其在混凝土中的应用外文翻译资料

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冷粘结采石场粉尘粗骨料的性能及其在混凝土中的应用

Job Thomas^a , B. Harilal^b

（^a Cochin University of Science and Technology, Cochin 682022, Kerala, India

^b Annamalai University, Annamalai Nagar, Tamil Nadu, India）

摘要

在本研究中，人造粗骨料是通过冷粘结技术来制备的。使用波特兰水泥作粘合剂材料，用废料，即粉煤灰和采石场粉尘，来制备冷粘结人造骨料，制备时考虑的自变量是水泥和粉煤灰的含量。确定了人造骨料的性质，并提出了用于预测这些性质的回归模型。确定了包含人造骨料的混凝土的强度和工作能力，并且发现含有人工骨料的混凝土的坍落度损失是逐渐的，以及使用人造骨料制备的混凝土强度高达30 MPa。该研究促进了废料的使用并支持可持续的建筑实践。

关键词：采石场粉尘；粉煤灰；水泥；人造骨料；抗压强度；坍落度损失

1. 简介

碎石是许多工程建筑中用作骨料的坚硬惰性材料，而在石头的破碎过程中通常会产生大量的灰尘。二十年前，未加工的矿粉仅被视为废料，未经预处理就被用于土地填埋，而之后Thomas^[1]和El-Mahllawy^[2]报道了在混凝土生产中使用矿粉的情况。采石场砂是采石场粉中的粗颗粒，在混凝土生产中被用作代替河砂的细骨料^[3]，而采石场细粉尘部分是商业上未使用的材料^[4]。因此，本研究探讨了废料采石场粉尘在人工骨料生产中的利用。同时粉煤灰的使用减轻了其处置中涉及的问题，对环境有益，因此在本研究中，粉煤灰也用于制造人造骨料。

在过去的十年中，建筑业出现了惊人的增长，因此用于混凝土生产的骨料的需求相应地增加。另一方面，在工业化和城市化的规模相同的情况下，也会产生诸如细采石场粉尘等废料。由于工业区附近缺乏处理土地，环境问题日益严重，因此处理这些粉尘的费用变得极其昂贵^[5]。

在印度，没有数据库可以用于审核建筑业产生和利用的废物^[6]。天然石材加工中采石场粉尘的产生非常广泛，印度技术信息以及预测和评估委员会（TIFAC）估计，其原始石料的年产量为1.25亿吨，采石场废物为1780万吨^[7]。然而，采石场废料的使用未经公共工程部批准，因此，印度正式报告中没有使用采石场废物的记录。英国地质调查报告指出，英国可售骨料的估计产量为2.043亿吨，采石场产生的废物为2280万吨^[8]，从采石场残留物中开发可销售副产品的好处是通过库存堆放和大量处置减少了其对环境的影响，降低了废物处置的成本，并为创新的生产者带来了额外的收入^[9]。在法国，每年供应400公吨的骨料用于施工，而再生骨料约占总消耗量的4％^[10]。根据欧洲议会废物统计委员会收集的数据，采矿和采石产生的废物总量为6718.3亿吨^[11]，在这一数据中，无法获得欧洲回收的采石场废物的确切使用量^[12]。在这些情况下，确定采石场粉尘的替代用途非常重要，其中可以通过使用替代骨料来抵消混凝土生产中对骨料需求的增加。在本研究中，使用细的采石场粉尘，粉煤灰和水泥制备冷粘结粒状骨料。研究结果促进了采石场粉尘和粉煤灰废物的回收利用，废料的有效利用有助于维持绿色和可持续的环境。因此，本研究旨在为未来开发一种绿色技术。

制造人造骨料的方法有球模铸造、冷粘合、蒸压和烧结。Yang等人^[13]通过在球形模具中铸造生产人造骨料；Bijen^[14]，Kockal和Ozturan^[15-18]通过冷粘合工艺生产了人造骨料；蒸压是在高压灭菌中，使用蒸汽在140°C的温度下固化生球^{[19- 21]}；烧结是在900至1400°C ^[5,22–24]之间的温度下熔融和形成生球的过程。与其他工艺相比，冷粘合工艺中骨料的生产率更高，并且冷粘合工艺在常温下进行，能耗低，不涉及气体排放，二次污染少。清除采石场的粉尘堆可减少对储存场地环境和水文地质系统的影响，并且采石场粉尘和粉煤灰的利用有助于清除、露出并再利用废物堆下的土地。因此本研究促进了土地形态的环境恢复和重建。通过开发废物堆来获取潜在的收入将是未来的可持续贸易，所以本研究的结果对于未来的绿色环境规划非常重要。通过使用废料（例如采石场粉尘和粉煤灰）而获得的环境优势将抵消用于粘合采石场粉尘和粉煤灰的少量水泥的环境成本，在对建设项目进行财务分析的基础上，根据废弃材料在混凝土施工中的使用情况进行环境评价，是一种可行的解决方案。

支撑可持续发展的人工骨料已成为当今的需求。Bijen^[14]已经报道了使用人造骨料生产混凝土的情况。Yang等人^[13]使用模制人造骨料制备强度为30 MPa的混凝土。Tangtermsirikul和Wijeyewickrema ^[19]报道了冷粘结褐煤粉煤灰人造骨料的吸水率随水泥含量的增加而降低，其比重随水泥含量的增加而增加。Chi等人^[20]报道了含水泥粘结剂的冷粘结骨料的体积密度在850-970kg/m³的范围内。Chi等人^[20]使用人造轻质骨料制备抗压强度为25-45MPa的混凝土。Gesoglu等人^[22]观察到混凝土的抗压强度随着人工冷粘结粉煤灰骨料体积分数的增加而降低。Ahmed和Mohamed ^[18]的测试结果表明，养护期、水泥含量和含水量影响含锰冷粘结人工骨料的力学性能。Ramamurthy和Harikrishnan^[25]的测试结果表明，人造骨料的比重随粘合剂含量的增加而增加。Jo等人^[26]表明，粉煤灰基轻质人造骨料适用于生产抗压强度为29MPa的混凝土。Manikandan和Ramamurthy^[27]报道说，造粒效率受粉煤灰细度的影响。Joseph和Ramamurthy^[28,29]发现冷粘结粉煤灰骨料适合生产抗压强度30MPa的混凝土。Gonzalez-Corrochano等人^[30]报道称，使用骨料洗涤厂污泥和粉煤灰制备的人工骨料的松散体积密度和干颗粒密度分别为1200kg/m³和2000kg/m³。Chang等人^[31] 使用水泥、石板切割厂的污泥和骨料清洗厂的淤泥，通过模压制备了人工骨料。Shanmugasundaram等人^[32]使用冷粘结粉煤灰骨料制备强度为20MPa的混凝土。Priyadharshini^[21]等人使用冷粘结粉煤灰骨料制备的混凝土的抗压强度为28MPa。Sivakumar和Gomathy^[33]综述了多种材料以及使用水泥作为粘合剂的冷粘结骨料的制备方法。Joseph和Ramamurthy^[34]报告说，人造轻质冷粘结粉煤灰骨料可用于制备强度高达52MPa的混凝土。Gesoglu等人的测试结果^[35]指出粉煤灰-磨细粒化高炉矿渣人工骨料的比重随水泥含量的增加而增加。通过冷粘结诸如细粉尘，粉煤灰，污泥等可持续性材料制成的骨料，正在促进建筑行业的可持续发展。关于采石场粉尘在人造骨料生产中的应用文献有限，此外，人工骨料性能的测定对于评估其在混凝土制造中的可用性也很重要。因此本研究对冷粘结和人工骨料的特性及其在混凝土生产中的用途进行了研究。

1. 研究意义

在混凝土生产中使用人造粗骨料是一种可持续的建筑实践。而冷粘结造粒是制备人造骨料的常用方法之一。采石场粉尘制人造骨料性能的研究有限，而本研究填补了这一空白。在本研究中，人造集料是用采石场粉尘和粉煤灰制备的，以水泥为粘结材料。除此之外还评估了使用人造骨料制成的混凝土的工作性和强度。

1. 实验程序

3.1组成材料

水泥，粉煤灰和采石场粉尘用于制造人造骨料，而人造骨料用于制造混凝土。

3.1.1水泥

符合IS 12269^[36]的53级细粒普通硅酸盐水泥用作粉煤灰和采石场粉尘的粘合剂，其化学成分见表1。水泥中的钙含量按重量计为64%，水泥的物理性能见表2，其中水泥非常细，细度为3360cm²/g。

表1 水泥、粉煤灰和采石场粉尘的化学成分

表2 水泥、粉煤灰和采石场粉尘的物理性质

3.1.2粉煤灰

使用从燃煤发电厂收集的粉煤灰。其组成列于表1。

该粉煤灰的质量分数为2.5%，属于ASTM C618^[37]的F级粉煤灰。粉煤灰中的氧化物（SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃）的重量分数为92％，表2给出了粉煤灰的物理性质，其比重仅为2.20.最大尺寸为6.8micro;m，最小尺寸为0.2micro;m。

3.1.3采石场粉尘

使用从花岗岩采石场收集的采石场粉尘，其化学成分列于表1。与其他化合物相比，采石场粉尘中的硅酸盐含量更高，其能够改善造粒过程中的结合过程，并且采石场粉尘中含有约87％的二氧化硅（SiO₂）。采石场粉尘的物理性质在表2中给出，其比重为2.74，因此，使用采石场粉尘制得的人工骨料预计将属于正常重量骨料。采石场粉尘的粒径分布如图1所示，粉尘颗粒的粒径明显小于采石场沙粒的粒径，筛分分析表明采石场粉尘属于IS：383的III区^[38]。

图1 灰尘、沙子和粗骨料（CA）中的粒度分布

3.2人造骨料的生产

标称尺寸为20 mm的粗骨料通过冷粘结造粒技术制备。该研究的变量是采石场粉尘和粉煤灰的重量分数，粉煤灰含量在0%和50％之间变化，采石场粉尘含量在25％到85％之间变化，水泥含量在15％至25％之间变化。在进行成本分析时，要合理考虑使用水泥作为粘结材料的经济性，其中要考虑处置费用，倾倒土地的机会成本，原料能源，制造技术等。本研究总共考虑了15种水泥和粉煤灰含量的组合，骨料的名称见表3。将采石场粉尘含量作为因变量，将粉煤灰含量和水泥含量作为自变量，而骨料由采石场粉尘、粉煤灰和水泥的重量含量确定。也就是说，Q75F10C15表示按重量计包含75％的采石场粉尘，10％的粉煤灰和15％的水泥的骨料。

表3 人造骨料的名称

使用直径60cm、轴环高度10cm、与水平面成25度倾角、转速26 rpm的造粒机制备骨料。首先将水泥，粉煤灰和采石场粉尘混合，然后将干燥的混合物装入造粒机中，再将水喷洒在造粒机内部的物料滚动床上，筛出直径在10mm至20mm范围内的生球，24小时后，将人工制备的骨料颗粒转移到水浴中，然后通过浸泡在水中固化28天，之后进行测试。由图1给出的固化的人造骨料的粒度分布表明人造骨料具有均匀级配。

3.3人造骨料测试

测定骨料的物理性质，即饱和表面干燥（SSD）和烘箱干燥（OD） 状态下的比重，松散堆积密度，压实堆积密度和吸水率。骨料按照IS：2386^[39]进行测试，随机抽取三个样品并进行测试，以确定骨料的物理性质。人工粗骨料的筛分分析如图1所示，生产并测试尺寸在6.5mm至20mm之间的人工冷粘结骨料，公称直径为12mm，16mm和20mm的人造骨料的球破碎强度由Kockal和Ozturan^[15]和Gesoglu 等人建议的方法确定。

1. 统计分析

4.1多元方差分析

方差分析（ANOVA）方法可用于确定自变量对因变量的影响，其是用于检验假设的两个或多个组中的均值是否相等的统计工具。而多元方差分析（MANOVA） 是一种具有多个独立变量的方差分析。在本研究中，多元方差分析用于评估自变量，即粉煤灰含量（F）和水泥含量（C））对骨料性能的影响。术语“处理”代表变量F和C的因子的特定组合，再将一种处理的效果与其他处理进行比较。在表4给出了多元方差分析中F统计量计算的详细信息。

表4 MANOVA中F统计量的计算细节

评价F和C因子对骨料性质的影响，即确定饱和表面干燥比重（SSD）、烘箱干燥比重（OD）、松散堆积密度、压实堆积密度和吸水率。因此进行了具有F、C、FC的三因素实验，其中FC表示F和C之间的交叉因子项。根据实验数据计算F统计量，并将F统计量与等于0.05的概率值（p值）相对应的F值进行比较，使用多元方差分析进行统计分析的结果的置信度为95％。对15种组合重复3次实验，共有45个试验结果用于统计分析每种骨料的性能。

4.2多元回归分析

提出基于多元回归分析的饱和表面干燥比重（SSD）、烘箱干燥比重（OD）、松散堆积密度、压实堆积密度和吸水率的预测模型。其中变量的相关性，即粉煤灰含量（F）和水泥含量（C）通过计算相关系数来确定，而混合物中的采石场粉尘含量（Q）

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