礦渣微粉再生骨料混凝土力學性能試驗研究

谷艷玲 魏曉康 孫家國

(武夷學院土木工程與建筑學院，福建 武夷山 354300)

隨著社會經(jīng)濟與建筑業(yè)的快速發(fā)展，建筑垃圾處理問題日益突出。目前，僅城市建筑垃圾的年產(chǎn)量就達1億t左右，已經(jīng)占到城市垃圾總量的30% ～40%［1］。建筑垃圾主要以廢混凝土、廢磚和廢瓦為主，絕大部分是廢棄混凝土，而且每年都以10%的速度遞增。我國現(xiàn)在處理建筑垃圾主要采用郊外掩埋和河道傾倒2種辦法，一方面侵吞大量農(nóng)業(yè)耕地，影響汛期防洪，另一方面處理費用較高［2］。建筑廢棄物的再生利用具有顯著的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，是我國城市能否可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

再生骨料混凝土是指采用廢棄混凝土破碎加工而成的再生骨料，部分或者全部的代替天然骨料配制而成的混凝土，由于再生骨料中存在著吸水率大、表面粗糙等一些天然的缺陷，導致再生混凝土的強度和流動性不高［3］。為了提高再生混凝土的性能，本試驗在混凝土配制過程中摻入礦渣微粉和高效減水劑，充分利用礦渣微粉活性強、成本低、產(chǎn)量大的特性，可以較好地改善再生混凝土的物理力學性能和耐久性能［4］。本次研究根據(jù)等量替代法設計再生骨料混凝土的配合比，采用均勻設計法對不同摻量礦渣微粉和再生骨料的混凝土進行試驗，研究不同試驗方案對再生骨料混凝土性能的影響規(guī)律，找出滿足工程技術(shù)要求的最佳再生混凝土配合比。

1 原材料性能試驗分析

1.1 水泥

試驗所使用的水泥是江西省生產(chǎn)的萬年青牌P.O 42.5，其細度為 1.23。

1.2 砂

采用武夷山當?shù)氐暮由?，中砂，級配良好?/p>

1.3 粗骨料

采用武夷山當?shù)禺a(chǎn)的碎石，表觀密度為2 867 kg/m2，最大公稱粒徑為40 mm，級配良好。碎石的含水率小于0.2%。

1.4 廢棄混凝土

廢棄混凝土集料(簡稱RG)，是武夷山當?shù)嘏f建筑物上拆下來的廢棄混凝土塊，經(jīng)人工破碎篩分、分級，按一定的比例混合后，粒徑為5～40 mm，級配良好，基本性能見表1。

表1 廢棄混凝土基本性能

1.5 礦渣微粉

礦渣微粉是福建三鋼集團龍海分公司生產(chǎn)的，比表面積為450 m2/kg。

1.6 水

武夷山當?shù)氐淖詠硭?/p>

1.7 減水劑

選用福州君安建材有限公司生產(chǎn)的YS-A型混凝土高效能減水劑，減水率為15%。

2 試驗研究

2.1 混凝土基準配合比

根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》(JGJ55—2011)的要求，按照強度等級C35設計混凝土基準配合比，水膠比為 0.4，坍落度 120 mm，砂率取38%，具體配合比見表2。

表2 混凝土基準配合比 kg/m3

2.2 礦渣微粉再生混凝土配合比

試驗采用廢混凝土等質(zhì)量取代天然粗骨料，取代率分別為0，25%，50%，100%。在廢混凝土取代率試驗的基礎上，摻入礦渣微粉等量取代水泥用量，取代率分別為0，30%，50%，70%。采用均勻設計法制定了16組試驗方案，具體方案見表3。kg/m3

表3 強度等級為C35的再生混凝土試驗配合比

2.3 混凝土試件的制作

根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081—2002)(以下簡稱《標準》)的規(guī)定，試塊采用150 mm×150 mm×150 mm標準試模，按照試驗方案制作成16組試塊，分別測試7，28，60 d的抗壓強度和工作性能，每次確定的強度值取3個數(shù)據(jù)的平均值，故每組按照7，28，60 d的養(yǎng)護齡期分別制作9個試塊，總計144個試塊。

2.4 流動性測試

根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T50080—2002)進行坍落度試驗，測定不同組別混凝土拌合物的流動性，試驗結(jié)果見表4。

表4 再生混凝土拌合物坍落度值 mm

2.5 抗壓強度試驗

根據(jù)《標準》進行抗壓強度試驗，使用微機控制電液伺服壓力試驗機(HCT306A)進行試驗，以0.5 ～0.8 MPa/s勻速加壓，試驗分 7，28，60 d 共 3次進行，每次試驗3個試塊，抗壓強度結(jié)果取平均值。試驗結(jié)果見表5。

表5 再生骨料混凝土各齡期抗壓強度

3 試驗結(jié)果分析

3.1 流動性影響分析

以礦渣微粉和廢混凝土摻量為變量，通過測試不同方案再生混凝土的坍落度值，得出對再生混凝土流動性的影響規(guī)律，其試驗結(jié)果見圖1。

圖1 礦渣微粉和廢混凝土摻量對坍落度的影響曲線

由圖1可以看出:當?shù)V渣微粉取代率不變時，隨著廢混凝土摻量的增加，再生混凝土的坍落度呈現(xiàn)出比較明顯的降低趨勢;當摻入礦渣微粉后，再生混凝土的坍落度均有所提高;當廢混凝土取代率不變時，隨著礦渣微粉取代率的增加，再生混凝土的坍落度也有一定程度的提高。

研究結(jié)果表明:廢混凝土在破碎過程中產(chǎn)生很多的顆粒棱角，使其具有表面粗糙、孔隙率大和吸水性好的特征［5］，進行混凝土拌制時，在水膠比不變的前提下，由于廢混凝土自身要吸收水分，減少了實際用于拌合混凝土的水量，導致混凝土的流動性變差。而礦渣微粉是細微球狀體，其顆粒直徑比水泥細，且表面光滑，可以起到填充水泥顆粒空隙的作用，而且吸水量?。?］。因此，在水泥剛開始水化時，礦渣微粉包圍著水泥顆粒，起到了減水劑的作用，降低了水化速度，提高了混凝土拌合物的流動性。

3.2 抗壓強度影響分析

本試驗以礦渣微粉和廢混凝土摻量為變量，通過測試不同方案混凝土的抗壓強度值，得出每組方案對不同齡期混凝土抗壓強度的影響規(guī)律，其試驗結(jié)果見圖2—圖4。

圖2 再生混凝土7 d的抗壓強度曲線

圖3 再生混凝土28 d的抗壓強度曲線

圖4 再生混凝土60 d的抗壓強度曲線

由圖2可得到混凝土7 d的抗壓強度的變化規(guī)律:在廢混凝土取代率不變時，當摻入礦渣微粉后，其抗壓強度降低。這是由于礦渣微粉的水化速度慢，當水泥用量隨著礦渣微粉的摻入而減少時，混凝土的早期強度會出現(xiàn)明顯降低。

由圖3和圖4可得到混凝土28 d和60 d的抗壓強度的變化規(guī)律:再生混凝土后期抗壓強度相比7 d的抗壓強度高，能夠達到設計強度等級C35。當廢混凝土取代一定量天然骨料，混凝土強度有一定程度地提高，但隨廢混凝土取代率的提高，抗壓強度呈下降的趨勢。當取代率超過50%時，混凝土的抗壓強度下降較快;當再生骨料取代率為50%時，摻入適量礦渣微粉，使再生混凝土的流動性得以改善，抗壓強度影響不大，28 d均能達到35 MPa;當再生混凝土中礦渣微粉摻量為50%時，其抗壓強度隨著廢混凝土取代率的增加而提高，28 d最高達到40 MPa。

分析表明:廢混凝土不僅棱角多，而且表面粗糙，具有粘結(jié)面較好、界面粘結(jié)強度較高的特性［7］;另外，由于廢混凝土的吸水性強，遇水后能很快濕潤，促使其表面的許多微裂縫的立刻吸入水泥顆粒，使水化更加充分，形成致密的界面結(jié)構(gòu)，在一定程度上補償了廢混凝土強度較低的缺陷;同時，礦渣微粉的細度比水泥顆粒細，起到了很好的填充作用，改善了再生混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，使孔隙率降低，形成了密實充填結(jié)構(gòu)［8］;此外，由于廢混凝土的吸水率較高，降低了混凝土的有效水膠比，提高了再生混凝土的抗壓強度。

4 結(jié)語

當再生混凝土中礦渣微粉摻量為50%，采用水泥標號為P.O 42.5時，其抗壓強度隨著廢混凝土取代率的增加而提高，28 d最高達到40 MPa。由此可見，礦渣微粉再生骨料混凝土既能節(jié)約資源，又能消耗大量的建筑垃圾，對于減輕環(huán)境污染十分有效。隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，礦渣微粉再生骨料混凝土一定會成為可持續(xù)發(fā)展的綠色材料。

［1］孫家國，谷艷玲.基于礦渣再生混凝土抗壓強度試驗分析［J］.重慶科技學院學報(自然科學版)，2014，16(3):109-111.

［2］陳會凡，管巧艷，劉洪波.礦渣再生骨料混凝土力學性能研究［J］.混凝土，2012(5):91-93.

［3］ Ikonomou N D.Recycled Concrete Aggregates［J］.Ment and Concrete Composites ，2005，27(2):315-318.

［4］薛建陽，羅崢，元成方，等.再生混凝土力學性能及耐久性能試驗研究［J］.工業(yè)建筑，2013(10):86-88

［5］吳中偉.高性能混凝土:綠色混凝土［J］.混凝土與水泥制品，2000(1):3-6.

［6］陳會凡，李福恩，黨玲博.不同母體的再生粗骨料對混凝土強度影響［J］.混凝土，2011(5):109-111.

［7］施惠生，許碧莞，闞黎黎.礦渣微粉對混凝土氣體滲透性及強度的影響［J］.同濟大學學報(自然科學版)，2008(6):782-786.

［8］陳宗平，周春恒，陳宇良，等.再生卵石骨料混凝土力學性能試驗研究［J］.建筑材料學報，2010(1):465-469.