基于礦渣再生混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析

孫家國(guó) 谷艷玲

(武夷學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院， 福建 武夷山 354300)

再生混凝土指在配制過程中摻入了再生集料，且再生集料占集料質(zhì)量總量百分比不低于30%的混凝土[1]。再生集料的主要來源是廢棄混凝土，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，建筑垃圾越來越多，約占城市垃圾總量的30%～40%，其中廢棄混凝土是建筑垃圾的“主力軍”，其數(shù)量每年以8%的速度增長(zhǎng)[2]，直接影響了生態(tài)環(huán)境，造成了資源的巨大浪費(fèi)。因此，再生混凝土是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色混凝土，符合生態(tài)文明的發(fā)展目標(biāo)。

研究表明，以廢棄混凝土為原料生產(chǎn)再生集料，屬于廢棄物的原級(jí)資源化利用，把它重新用于混凝土，可以實(shí)現(xiàn)混凝土材料的完全循環(huán)利用。但是廢棄混凝土具有成分復(fù)雜、再生集料生產(chǎn)成本較高、產(chǎn)品性能有限的特性。同時(shí)，由于再生集料本身在回收加工后具有一些天然缺陷，導(dǎo)致再生集料混凝土的綜合性能較同級(jí)配普通混凝土差[3]。為了推動(dòng)再生混凝土在建筑工程中的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)步，保證安全性和工程質(zhì)量，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，本研究根據(jù)再生混凝土的特點(diǎn)，利用礦渣可以改善普通混凝土物理力學(xué)性能的特性，采用一定比例的再生粗集料和礦渣，配制成再生混凝土，對(duì)其工作性和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 礦渣的作用機(jī)理

高爐礦渣的優(yōu)良性能已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外混凝土生產(chǎn)研究機(jī)構(gòu)的高度重視，將礦渣摻入混凝土能夠達(dá)到減少水泥用量、提高性能、節(jié)約資源的效果。我國(guó)2002年頒布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《高強(qiáng)、高性能混凝土用礦物外加劑》中，正式將礦渣納入混凝土第六組分，并命名為“礦物外加劑”[4]。礦渣是?；郀t礦渣添加適量的石膏后，經(jīng)過粉磨得到的高細(xì)粉狀產(chǎn)品。其主要化學(xué)成分為Al2O3：15.1%，CaO ：37.8%，SiO2：32.9%，這些化學(xué)成分使粒化高爐礦渣保持很高的活性。

由于礦渣顆粒的粒徑極其微小，其活性在堿性環(huán)境下能夠獲得充分的發(fā)揮，摻入到混凝土和水泥制品后，能夠提升多種性能，尤其是改善了混凝土拌合物的和易性，提高了混凝土的后期強(qiáng)度，是實(shí)現(xiàn)混凝土環(huán)保化、節(jié)約化、高性能化的有效措施[5]。黨的十八大提出了建設(shè)生態(tài)文明的宏偉目標(biāo)，這就要求必須樹立可持續(xù)發(fā)展的觀念，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使建筑垃圾能被循環(huán)使用，既保護(hù)了環(huán)境，又節(jié)約了資源，成為發(fā)展綠色建筑材料的主要途徑。我國(guó)是世界鋼鐵大國(guó)，每年產(chǎn)生的高爐礦渣數(shù)量巨大，因此，摻礦渣再生綠色混凝土應(yīng)用前景十分樂觀。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)材料

(1)水泥：采用P.O42.5級(jí)海螺牌普通硅酸鹽水泥。

(2)礦渣：采用福建三鋼集團(tuán)龍海分公司生產(chǎn)的S95級(jí)?；郀t礦渣，產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 礦渣技術(shù)指標(biāo)

(3)天然集料：采用當(dāng)?shù)厮槭?，最大粒徑?0 mm；當(dāng)?shù)睾由暗募?xì)度模數(shù)為2.60，級(jí)配良好。

(4)再生粗集料：利用廢棄混凝土塊，經(jīng)人工破碎、篩分等加工而成，粒徑范圍為5～20 mm，級(jí)配良好。

(5)外加劑：選用高效能混凝土外加劑J-2型減水劑。

(6)水：選用本地自來水。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用配制混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，對(duì)再生粗集料和礦渣摻量進(jìn)行了科學(xué)的設(shè)計(jì)，按照再生粗集料的摻加比例，設(shè)計(jì)了0、20%、40%、60%、80%和100%這6種摻量，以每種摻量為基準(zhǔn)，再以礦渣摻量0、30%、40%和50%等量替代水泥，一共24組方案?；炷僚浜媳热绫?所示。

表2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.3 試件的制作與成型

2.4 混凝土拌合物坍落度試驗(yàn)

根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50080—2002)進(jìn)行坍落度試驗(yàn)，分別測(cè)試不同組號(hào)再生混凝土拌合物的流動(dòng)性，具體結(jié)果見圖1。根據(jù)試驗(yàn)可以看出，在礦渣取代率相同時(shí)，混凝土的坍落度隨著再生粗集料摻量的增加呈明顯下降趨勢(shì)；當(dāng)水泥取代礦渣后，混凝土的流動(dòng)性得到較好的改善；在再生粗集料取代率相同時(shí)，隨著礦渣摻量的增加，混凝土的流動(dòng)性得到提高。由試驗(yàn)可得：再生粗集料取代率為60%、礦渣摻量為50%時(shí)，混凝土的坍落度達(dá)到172 mm，比未摻礦渣的混凝土坍落度提高15%。

圖1 礦渣再生混凝土坍落度

研究表明，再生粗集料具有表面粗糙、孔隙率大和吸水性好的特征，在進(jìn)行混凝土拌制時(shí)，由于粗集料要吸收部分水分，使實(shí)際用于混凝土拌合的水分減少，因此，混凝土的流動(dòng)性變差。而礦渣是細(xì)微球狀體，其表面光滑，且吸水量小，在混凝土中能夠起到滾珠潤(rùn)滑作用，減少了摩擦阻力，降低了混凝土的塑性黏度，在水泥剛開始水化時(shí)，礦渣微粉包圍著水泥顆粒，起到了減水劑的作用，延緩了水化生成物的凝結(jié)速度，改善了混凝土拌合物的流動(dòng)性[6]。

2.5 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081—2002)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試件養(yǎng)護(hù)達(dá)到相應(yīng)齡期時(shí)，將試件從養(yǎng)護(hù)環(huán)境中取出，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。使用液壓式強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，勻速加壓(0.5～0.8 MPas)。試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分7 d和28 d兩次進(jìn)行，每次從每組中選用3個(gè)試塊，強(qiáng)度結(jié)果取平均值。由試驗(yàn)可以看出，礦渣再生混凝土試塊的破壞斷面主要集中在粗集料與水泥凝膠體的界面，未發(fā)現(xiàn)粗集料被劈裂開的現(xiàn)象，表明其破壞形態(tài)與普通混凝土比較接近。實(shí)測(cè)7 d和28 d混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 礦渣再生混凝土7d抗壓強(qiáng)度

圖3 礦渣再生混凝土28d抗壓強(qiáng)度

由圖2可以看出，摻入礦渣后的混凝土，養(yǎng)護(hù)至7 d時(shí)，其抗壓強(qiáng)度明顯降低，這是由于礦渣具有活性低、水化速度慢的特征[7]，當(dāng)水泥用量隨著礦渣的摻入而減少時(shí)，混凝土的早期強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)明顯降低。當(dāng)混凝土的養(yǎng)護(hù)齡期超過7 d時(shí)，水化生成物Ca(OH)2就會(huì)同礦渣發(fā)生火山灰反應(yīng)，不僅提高了水泥的水化速度，增加了水化生成物C—S—H凝膠含量，而且隨著Ca(OH)2晶體的減少，降低了其對(duì)界面過渡區(qū)的影響，從而提高了混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)度[8]。從圖3可以看出，養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)，礦渣再生混凝抗壓強(qiáng)度迅速得到提高，基本同未加礦渣的抗壓強(qiáng)度持平。當(dāng)?shù)V渣再生混凝土中礦渣微粉摻量為50%、粗集料取代率為80%時(shí)，其28 d的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了58 MPa，完全能夠滿足一般工程對(duì)混凝土的要求。

當(dāng)再生粗集料取代率為20%～60%時(shí)，混凝土強(qiáng)度得以提高，當(dāng)比例達(dá)到80%以上時(shí)，其強(qiáng)度呈小幅度下降趨勢(shì)。這是由于再生粗集料具有表面粗糙、棱角多的特點(diǎn)，能夠產(chǎn)生較高的界面粘結(jié)強(qiáng)度；同時(shí)，再生粗集料有較強(qiáng)的親水性，加水后很快達(dá)到濕潤(rùn)狀態(tài)，遇到水泥顆粒后，使接觸區(qū)的水化速度加快，水化反應(yīng)更加完全，能夠形成致密的界面結(jié)構(gòu)[9]，使界面結(jié)合力得到加強(qiáng)，在一定程度上，補(bǔ)償了再生粗集料強(qiáng)度較低的缺陷。同時(shí)，礦渣微粉的細(xì)度較好，在混凝土中的填充作用十分明顯，可使混凝土的孔結(jié)構(gòu)和孔隙率得到改善，提高了再生混凝土的密實(shí)度。另一方面，在混凝土拌和初期，再生粗集料吸收了一定的水分，降低了水泥漿體的水灰比，使礦渣再生集料混凝土強(qiáng)度增加。

3 結(jié) 論

通過試驗(yàn)研究可知，混凝土中摻入再生粗集料可以一定程度地提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，而摻入礦渣可以有效地改善再生混凝土的性能。應(yīng)用礦渣微粉和再生粗集料配制的混凝土，其坍落度和28 d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到175 mm和50 MPa，完全能夠滿足一般工程的施工要求，因此，礦渣和再生粗集料是生產(chǎn)綠色混凝土的優(yōu)質(zhì)資源。我國(guó)是產(chǎn)鋼大國(guó)，礦渣的產(chǎn)量巨大，同時(shí)，隨著城市化進(jìn)程的加快，廢棄混凝土數(shù)量也十分龐大，應(yīng)大力開發(fā)與推廣應(yīng)用礦渣再生混凝土，使我國(guó)混凝土材料早日成為可持續(xù)發(fā)展的綠色材料。

[1] 李佳彬，肖建莊，孫振平.再生粗骨料特性及其對(duì)再生混凝土性能的影響[J]. 建筑材料學(xué)報(bào)， 2004，4(7)：66-68.

[2] 孫家國(guó)，谷艷玲. 基于礦渣微粉配制高性能混凝土試驗(yàn)研究 [J]．混凝土，2013(8)：82-84.

[3] 劉豐，白國(guó)良，柴園園，等.再生骨料混凝土抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2010，40(12):70-74.

[4] 郝彤，石磊，陳晶晶. 再生混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013(1)：65-68.

[5] 施惠生，許碧莞，闞黎黎．礦渣對(duì)混凝土氣體滲透性及強(qiáng)度的影響[J]．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008(6)：782-786.

[6] 丁琳.硅粉高強(qiáng)混凝土單軸抗壓強(qiáng)度的研究[J].黑龍江大學(xué)工程學(xué)報(bào)，2007，34(2)：56-58.

[7] 胡智農(nóng)，楊黎，劉昊.再生微粉混凝土耐久性研究 [J]. 混凝土與水泥制品，2013(3)：5-8.

[8] 宋曉輝. 再生混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版， 2012(6)：112-114 .

[9] 劉數(shù)華，閻培渝.高性能再生骨料混凝土的性能與微結(jié)構(gòu)[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào)， 2007， 35(4)：35-38.