混凝土用再生膠凝材料的試驗(yàn)研究

彭春元，余　斌，彭　涓，張小鵬，黃沖，謝歡愉，陳機(jī)構(gòu)，李文，羅新建

混凝土用再生膠凝材料的試驗(yàn)研究

彭春元1，余斌2，彭涓3，張小鵬1，黃沖1，謝歡愉2，陳機(jī)構(gòu)2，李文1，羅新建1

（1．廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州510006；2.廣州穗業(yè)混凝土有限公司，廣東廣州511483；3.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州730060）

通過(guò)破碎機(jī)、篩分機(jī)和球磨機(jī)等設(shè)備將混凝土廢棄物加工成再生膠凝材料，并對(duì)其細(xì)度、需水量比、膠砂流動(dòng)度比、活性指數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，再生膠凝材料性能基本符合GB/T 1596—2005對(duì)Ⅱ級(jí)粉煤灰的要求。再生膠凝材料對(duì)混凝土的坍落度無(wú)影響，能滿(mǎn)足混凝土力學(xué)性能要求。當(dāng)C30和C40混凝土中的再生膠凝材料摻量分別為11%和19%時(shí)，粉煤灰替代率分別約為40%和100%。研究成果對(duì)節(jié)省混凝土原有膠凝材料用量、擴(kuò)大混凝土摻和料來(lái)源、實(shí)現(xiàn)混凝土廢棄物綜合利用具有參考價(jià)值。

再生膠凝材料；坍落度；力學(xué)性能

0　引言

在我國(guó)，每年澆注混凝土15億～20億m3；與此同時(shí)，城市改造建設(shè)也會(huì)拆除部分老化的建筑與結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致混凝土解體量越來(lái)越多。保守估計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生1億t左右的廢棄混凝土，而全世界廢棄混凝土年產(chǎn)生量高達(dá)10億t以上［1］。混凝土用礦物摻合料（礦渣粉、粉煤灰、硅灰等）的加入不僅可以節(jié)省水泥，還在一定程度上改善混凝土的工作性，提高混凝土的性能［2］。因此，礦物摻合料被廣泛應(yīng)用于混凝土生產(chǎn)中。目前我國(guó)正在建設(shè)中的重大工程，如高鐵、橋梁、隧道和水利工程對(duì)于優(yōu)質(zhì)礦物摻合料需求巨大，已經(jīng)出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面，尤其S95以上礦渣粉、Ⅰ級(jí)粉煤灰等摻合料，一些重大工程因無(wú)法保障供應(yīng)而不得不延緩施工進(jìn)度［3］。因此，一方面要有效地使用現(xiàn)有膠凝材料，同時(shí)也要擴(kuò)大膠凝材料的來(lái)源，尋找能夠替代現(xiàn)有膠凝材料的活性材料。研究表明，利用廢棄混凝土制備再生骨料的同時(shí)，還可以生產(chǎn)再生膠凝材料（即將廢棄的混凝土經(jīng)過(guò)破碎、篩分后從中分離出粉料，經(jīng)球磨后制備出能夠替代天然礦物摻合料的活性粉末），從而達(dá)到廢棄混凝土零排放，做到綠色混凝土生產(chǎn)。

1　混凝土用再生膠凝材料的制備

首先利用高效細(xì)碎機(jī)和直線(xiàn)振動(dòng)篩分機(jī)將廢棄混凝土進(jìn)行破碎并篩分，可得到80%以上的再生細(xì)料；其次將再生細(xì)料進(jìn)一步篩分出再生細(xì)骨料和再生細(xì)粉，并將再生細(xì)粉進(jìn)一步球磨制得再生膠凝材料（制備流程見(jiàn)圖1）。因此，制備再生膠凝材料的關(guān)鍵是采用了專(zhuān)業(yè)設(shè)備廠(chǎng)家生產(chǎn)的細(xì)碎機(jī)和篩分機(jī)。另外，為達(dá)到一定的細(xì)度，對(duì)再生粗粉進(jìn)行粉磨時(shí)要控制粉磨技術(shù)參數(shù)，表1為再生膠凝材料的球磨工藝參數(shù)。

從圖1可以看出，再生膠凝材料加工制備過(guò)程的所有揚(yáng)塵點(diǎn)均與除塵器相連，由除塵器集中處理得到的粉塵同樣可以作為再生膠凝材料。另外，如果所收集的廢棄混凝土為混凝土攪拌站清洗攪拌車(chē)進(jìn)行砂石分離后產(chǎn)生的廢渣料，可經(jīng)過(guò)日曬達(dá)到一定含水率后碾碎到一定粒徑直接進(jìn)行球磨，根據(jù)入磨粒度控制粉磨時(shí)間10～20 min也可得到再生膠凝材料。因此，上述再生膠凝材料加工制備工藝不僅可以減少混凝土攪拌站廢棄物占地面積，還可以最大限度實(shí)現(xiàn)固體廢棄物回收再利用，做到綠色混凝土生產(chǎn)。圖2為上述工藝制備的再生細(xì)料、再生細(xì)骨料、廢渣料、再生細(xì)粉、再生膠凝材料和除塵器粉塵的照片。

圖1　再生膠凝材料的加工制備流程

表1　再生膠凝材料的球磨工藝參數(shù)

圖2　廢棄混凝土制備的再生材料照片

2　試驗(yàn)

2.1原材料

水泥：廣州鴻豐P·Ⅱ52.5R水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量25.6%，基本物理力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2　水泥的基本物理力學(xué)性能

礦物粉：S95級(jí)，唐山新型建材有限公司；粉煤灰，Ⅱ級(jí)，珠江電廠(chǎng)。粉煤灰和礦渣粉的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3　礦渣粉與粉煤灰的技術(shù)指標(biāo)

細(xì)骨料：標(biāo)準(zhǔn)砂；廣東西江河砂（Ⅱ區(qū)中砂）。

粗骨料：廣東惠州5～25 mm連續(xù)粒級(jí)碎石。

聚羧酸減水劑：廣州洛美建材有限公司生產(chǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4　聚羧酸減水劑的主要技術(shù)指標(biāo)

2.2試驗(yàn)方法

以水泥為基準(zhǔn)，將粉煤灰及各種不同粉料進(jìn)行細(xì)度、需水量比、膠砂流動(dòng)度比、活性指數(shù)測(cè)試，通過(guò)對(duì)比分析，探討再生膠凝材料在混凝土中應(yīng)用的可能性。試驗(yàn)方法主要參照GB/T 1596—2005《用于水泥與混凝土中的粉煤灰》；GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》和GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》。

以不摻再生膠凝材料的混凝土配合比為基準(zhǔn)，再生膠凝材料占膠凝材料質(zhì)量5%～25%摻入到混凝土中，替代混凝土中粉煤灰，探討再生膠凝材料摻量對(duì)混凝土坍落度與力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)方法主要參照GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1再生膠凝材料的性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

表5是采用標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行的各種粉料的性能測(cè)試結(jié)果。

表5　各種粉料的性能測(cè)試結(jié)果

從表5可以看出，各種粉料的粗細(xì)程度為：水泥粉最細(xì)、再生細(xì)粉顆粒最粗、廢塊料再生膠凝材料和廢渣料再生膠凝材料的細(xì)度基本相同，但稍高于GB/T 1596—2005對(duì)Ⅱ級(jí)粉煤灰要求；而試驗(yàn)用粉煤灰的細(xì)度介于水泥與再生膠凝材料之間。各種粉料的需水量比相差不大。試驗(yàn)用粉煤灰膠砂流動(dòng)度高于水泥，這是由粉煤灰內(nèi)的微珠效應(yīng)所致。再生細(xì)粉和廢渣料再生膠凝材料的膠砂流動(dòng)度較低，廢塊料再生膠凝材料膠砂流動(dòng)度稍高但仍低于試驗(yàn)用粉煤灰。再生細(xì)粉和廢塊料再生膠凝材料的活性指數(shù)均低于試驗(yàn)用粉煤灰，但廢渣料再生膠凝材料活性指數(shù)與試驗(yàn)用粉煤灰相差不大。再生膠凝材料經(jīng)過(guò)粉磨工藝后，顆粒變細(xì)致使?jié)撛诨钚缘靡园l(fā)揮。這是因?yàn)槟ゼ?xì)加工本身就是使材料機(jī)械活化的有效方法之一［4］。值得注意的是，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)廢渣料再生膠凝材料的摻量需降低到水泥質(zhì)量的20%（GB/T 1596—2005要求為30%）才能進(jìn)行膠砂成型，使測(cè)得的活性指數(shù)與試驗(yàn)用粉煤灰持平。這主要是因?yàn)閺U渣料堆積時(shí)間較長(zhǎng)，成分相比廢棄混凝土塊料復(fù)雜，其中不乏含較多泥漿等組分，其需水量較大，活性較低。

3.2再生膠凝材料摻量對(duì)混凝土性能的影響

以滿(mǎn)足實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)工程需要所設(shè)計(jì)的C30（用在某住宅二層柱）和C40（用在某橋梁柱預(yù)制梁）混凝土配合比為基礎(chǔ)（見(jiàn)表6），坍落度設(shè)計(jì)值為（180±30）mm，用不同比例廢塊料再生膠凝材料替代粉煤灰對(duì)混凝土坍落度的影響見(jiàn)表7。

表6　基準(zhǔn)混凝土的配合比kg

表7　再生膠凝材料摻量對(duì)混凝土坍落度的影響

由表7可以看出，隨著再生膠凝材料摻量的增加，粉煤灰替代率逐漸增大。針對(duì)C30和C40混凝土的坍落度要求，再生膠凝材料的最佳摻量分別為11%和19%，此時(shí)粉煤灰替代率分別達(dá)到37.5%和99.8%，隨后進(jìn)一步增加再生膠凝材料摻量時(shí)，混凝土坍落度明顯下降。因此再生膠凝材料對(duì)C30混凝土的粉煤灰替代率在40%左右比較合適，而對(duì)C40混凝土，粉煤灰替代率可以提高到100%。當(dāng)C40混凝土中再生膠凝材料摻量增到25%時(shí)，已替代摻和料中的部分礦渣，使膠凝材料體系的顆粒級(jí)配受到影響，整體偏粗，礦渣及粉煤灰構(gòu)成的復(fù)合細(xì)顆粒填充效應(yīng)與分散效應(yīng)降低，所以混凝土流動(dòng)性降低，坍落度急劇減小。

按照表6配比，用不同比例廢塊料再生膠凝材料替代粉煤灰，再生膠凝材料摻量對(duì)混凝土7d、28 d抗壓強(qiáng)度、28 d抗折強(qiáng)度和28d劈裂抗拉強(qiáng)度的影響見(jiàn)表8。

表8　再生膠凝材料摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

從表8可以看出，所有摻再生膠凝材料的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度均滿(mǎn)足相應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)要求，且隨著齡期由7 d延長(zhǎng)到28 d，強(qiáng)度亦隨之提高。摻再生膠凝材料的C30混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)混凝土。但C40混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)混凝土；當(dāng)再生膠凝材料摻量超過(guò)8%時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度也普遍高于基準(zhǔn)混凝土。因此，再生膠凝材料有利于C40混凝土強(qiáng)度的提高。

由表8還可以看出，無(wú)論是否摻再生膠凝材料，同樣強(qiáng)度等級(jí)的混凝土抗折強(qiáng)度均高于劈裂抗拉強(qiáng)度；混凝土強(qiáng)度等級(jí)由C30提高至C40時(shí)，抗折強(qiáng)度提高幅度大于劈裂抗拉強(qiáng)度。C30混凝土的抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨著再生膠凝材料摻量的提高均稍有下降。再生膠凝材料對(duì)C40混凝土抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響在1.0 MPa范圍內(nèi)波動(dòng)；當(dāng)再生膠凝材料達(dá)到C40混凝土要求的最佳摻量（19%）時(shí)，其抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土僅降低0.4 MPa。

4　結(jié)論

（1）再生膠凝材料除細(xì)度稍低外，需水量、膠砂流動(dòng)度和活性指數(shù)均基本符合GB/T 1596—2005對(duì)Ⅱ級(jí)粉煤灰的要求，可以嘗試取代粉煤灰制備混凝土。

（2）為滿(mǎn)足C30和C40混凝土的坍落度要求，再生膠凝材料的最佳摻量分別為11%和19%，此時(shí)C30混凝土的粉煤灰替代率在40%左右，而C40混凝土的粉煤灰替代率接近100%。

（3）隨著齡期的延長(zhǎng)，摻再生膠凝材料的混凝土抗壓強(qiáng)度亦隨之提高，且28 d抗壓強(qiáng)度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求；摻再生膠凝材料的C30混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)混凝土；C40混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)混凝土，當(dāng)再生膠凝材料摻量超過(guò)8%時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度也普遍高于基準(zhǔn)混凝土。因此，再生膠凝材料有利于C40混凝土強(qiáng)度的提高。

（4）與基準(zhǔn)混凝土類(lèi)似，摻再生膠凝材料的混凝土抗折強(qiáng)度均高于抗劈裂強(qiáng)度；C30混凝土的抗折強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度隨著再生膠凝材料摻量的提高呈小幅下降；再生膠凝材料對(duì)C40混凝土抗折強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的影響較小。

［1］何勤，謝曦，劉鳳源，等.國(guó)內(nèi)外廢棄混凝土分離回收及應(yīng)用技術(shù)［J］.新型建筑材料，2013（10）：38-40.

［2］雷文晗，趙大軍，程志勇.石灰石粉作為混凝土礦物摻合料的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.粉煤灰綜合利用，2013，53（4）：53-56.

［3］水中和.構(gòu)建可持續(xù)的混凝土原材料新體系［J］.中國(guó)建材，2014（1）：20-22.

［4］崔自治.粉煤灰活化措施研究［J］.新型建筑材料，2002（9）：22-25.

Experimental research of recycled gelled material in concrete

PENG Chunyuan1，YU Bin2，PENG Juan3，ZHANG Xiaopeng1，HUANG Chong1，XIE Huanyu2，CHEN Jigou2，LI Wen1，LUO Xinjian1
（1.Guangzhou University of Civil Engineering College，Guangzhou 510006，Guangdong，China；2.Guangzhou Suiye Concrete Limited，Guangzhou 511483，Guangdong，China；3.Lanzhou Petrochemical College of Vocational Technology，Lanzhou 730060，Gansu，China）

The concrete waste was processed into the recycled gelled material through the crusher，sieve machine and ball crusher，and its fineness，water requirement ratio，mortar fluidity ratio and activity index were compared.The results showed that the properties of the recycled gelled material were basically in line with the national standard of gradeⅡfly ash requirements.The recycled gelled material had no effect on the concrete slump，meeting concrete mechanical properties requirements.When the C30 and C40 concrete recycled gelled material dosage were 11%and 19%，the fly ash substitution rates were about 40%and 100%，respectively.The research achievements had certain reference value on the amount of saving the original concrete gelling materials，expanding concrete admixture sources and achieving the comprehensive utilization of the concrete waste.

recycled gelled material，slump，mechanical properties

TU528.04

A

1001-702X（2015）12-0052-04

廣州市2014年科技慧民專(zhuān)項(xiàng)（2014Y2-00190）；

廣州市科技創(chuàng)新平臺(tái)項(xiàng)目（15180005）

2015-07-10；

2015-08-20

彭春元，女，1966年生，湖南衡山人，副研究員，主要研究方向?yàn)楣虖U利用及再生混凝土。