礦物摻和料對(duì)再生混凝土性能影響研究

陳少軍

(永升建設(shè)集團(tuán)有限公司, 新疆 克拉瑪依 834000)

礦物摻和料對(duì)再生混凝土性能影響研究

陳少軍

(永升建設(shè)集團(tuán)有限公司, 新疆 克拉瑪依 834000)

采用建筑物拆后經(jīng)破碎處理的再生骨料，部分取代粗骨料制備了再生混凝土，探討了粉煤灰、礦粉對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能的影響。結(jié)果表明，粉煤灰可以改善再生混凝土的強(qiáng)度和滲透性；在礦粉摻量小于20%時(shí)，可以提高再生混凝土的抗壓強(qiáng)度并改善其抗氯離子滲透性，但超過20%后，隨礦粉摻量增多，再生混凝土抗壓強(qiáng)度降低且抗氯離子滲透性變差；在相同摻量條件下，粉煤灰和礦粉復(fù)摻入再生混凝土?xí)r，其抗氯離子滲透性能比單摻時(shí)更好，且抗壓強(qiáng)度也有所提高。

粉煤灰； 礦粉； 再生混凝土； 抗壓強(qiáng)度； 抗氯離子滲透性

再生混凝土中的骨料是由建(構(gòu))筑廢物中的混凝土、砂漿、石材、磚瓦等經(jīng)破碎、篩分、清洗等加工處理而得來的[1]，將再生骨料應(yīng)用于混凝土中應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)工程中，不僅有利于人類生存環(huán)境的良性發(fā)展，在建筑廢棄物資源化再利用方面具有特殊的重要意義，并且可以有效緩解砂石短缺問題，達(dá)到節(jié)能減排，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，資源循環(huán)利用的目的。

近年，國內(nèi)外關(guān)于再生混凝土的性能和礦物摻合料對(duì)再生混凝土的性能影響作了許多初步研究[2-4]。姜健[5]等人摻加硅灰、粉煤灰、鋼纖維、聚丙烯纖維等對(duì)再生混凝土進(jìn)行了不同處理方法的改性，研究其抗氯離子滲透性能。結(jié)果表明，當(dāng)粉煤灰和硅灰以一定比例摻加在再生混凝土中時(shí)，其抗壓強(qiáng)度有一定程度的提高；在摻入粉煤灰的同時(shí)，加入0.1%以下的鋼纖維或聚丙烯纖維對(duì)再生混凝土改性，其抗氯離子滲透性能有較大提高。管小健[6]測(cè)試了粉煤灰、硅灰和礦渣、石屑、石粉等摻和料對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能的影響，試驗(yàn)表明：摻加礦物摻和料可以明顯改善再生混凝土的抗氯離子滲透性，粉煤灰和硅灰復(fù)摻入再生混凝土中，可以發(fā)揮其火山灰活性改善混凝土的性能；摻量小于5%的石粉可以提高再生混凝土的抗氯離子滲透性，但是過量的石屑會(huì)降低其滲透性能?；谝陨涎芯?，本文選擇粉煤灰和礦粉作為摻和料，研究單摻和復(fù)摻情況下，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能的影響規(guī)律，為其進(jìn)一步應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1) 水泥。

水泥采用P·O42.5R水泥，其主要性能指標(biāo)見表1，化學(xué)性能指標(biāo)均滿足GB175 — 2007《通用硅酸鹽水泥》的要求。

表1 水泥的技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)稠度/%凝結(jié)時(shí)間/min抗折強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa初凝終凝3d28d3d28d80μm篩余細(xì)度/%251802454.58.321.145.90.8

2) 集料。

細(xì)集料為河沙，顆粒級(jí)配、細(xì)度模數(shù)和雜質(zhì)含量等滿足JGJ52 — 2006《普通混凝土用砂石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

天然粗骨料為碎石，再生粗骨料采用某拆建建筑物經(jīng)機(jī)械破碎后得到的舊骨料，原生混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，鉆芯取樣實(shí)測(cè)強(qiáng)度為35.3～41 MPa。不含木塊、塑料等雜物，經(jīng)人工篩分、分級(jí)后使用。具體生產(chǎn)工藝為：將混凝土結(jié)構(gòu)物破碎后，篩分除去廢料中的木塊等雜物；采用破碎機(jī)進(jìn)行一級(jí)破碎處理后清洗，篩分分離骨料；再進(jìn)行二級(jí)破碎和篩分后得到粒徑為4.75～9.5的再生骨料。再生粗骨料的表觀密度、堆積密度、孔隙率和壓碎指標(biāo)等物理力學(xué)性能如表2所示。

3) 礦物摻和料。

表2 再生粗骨料物理性能名稱吸水率/%壓碎指標(biāo)/%堆積密度/(g·cm-3)孔隙率/%表觀密度/(g·cm-3)再生粗骨料4.6214.61.3843.112.57

粉煤灰：某電廠二級(jí)粉煤灰，45 μm方孔篩篩余細(xì)度為9.8%，需水量比為95%。

礦粉：比表面積為345 m2/kg，7 d活性指數(shù)67%，28 d活性指數(shù)97%。

4) 減水劑。

減水劑主要技術(shù)指標(biāo)見表3，各性能滿足GB/T8076 — 2008《混凝土外加劑》的技術(shù)要求。

表3 減水劑的性能指標(biāo)%減水率泌水率比含氣量270.32.5

1.2 試件制備及試驗(yàn)方法

再生骨料在破碎和篩分過程中受外力作用，不可避免地會(huì)產(chǎn)生裂隙，因此孔隙率較大，與天然骨料相比，需水量增多。同時(shí)，再生骨料具有棱角較多、表面粗糙、粒形較差等特點(diǎn)，以不同比例摻加在混凝土中會(huì)造成混凝土強(qiáng)度的變化，研究表明[7]，當(dāng)再生骨料以85%的取代率摻加到混凝土中時(shí)，再生混凝土的力學(xué)性能最好，故試驗(yàn)中取新骨料：舊骨料為15∶85。其中礦物摻和料取代混凝土中部分水泥，試驗(yàn)具體因素水平設(shè)計(jì)見表4。

表4 再生混凝土各因素?fù)搅烤幪?hào)粉煤灰摻量/%礦粉摻量/%編號(hào)粉煤灰摻量/%礦粉摻量/%1002503100415052006020703080409050102020

試件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，成型24 h后標(biāo)準(zhǔn)方法養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)的測(cè)定?；炷量箟簭?qiáng)度按照GB/T50081 — 2009《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，抗氯離子滲透性采用美國ASTMC1202[8]方法進(jìn)行測(cè)試：在60 V外加電壓下測(cè)試6 h內(nèi)通過混凝土的電量表征混凝土的抗氯離子滲透性。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性的影響

研究表明[6]，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于天然粗骨料的普通混凝土的抗壓強(qiáng)度。由圖1a可以看出，早期隨粉煤灰摻量增加，再生混凝土的強(qiáng)度降低；當(dāng)摻量超過10%后，隨摻量增加，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度增大；28 d抗壓強(qiáng)度和7 d抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量增加變化一致，在摻量為20%時(shí)抗壓強(qiáng)度高于基準(zhǔn)組。

粉煤灰由于火山灰活性效應(yīng)，在水泥水化產(chǎn)物的激發(fā)下發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成大量的水化凝膠物質(zhì)，改善了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高其強(qiáng)度。在加入粉煤灰后，其比表面積較小，需水量大，摻量較低時(shí)，水泥并不能水化完全，加之再生骨料具有多孔粗糙、吸水率高等特點(diǎn)，使再生混凝土的抗壓強(qiáng)度降低，故粉煤灰摻加到再生混凝土中對(duì)混凝土強(qiáng)度提高的優(yōu)勢(shì)并沒有完全發(fā)揮出來。

由圖1b可看出，當(dāng)粉煤灰摻量為5%時(shí)，再生混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)較基準(zhǔn)混凝土相比顯著增大；隨粉煤灰摻量增大，氯離子擴(kuò)散系數(shù)顯著降低，說明粉煤灰可提高再生混凝土的抗氯離子滲透性能。這是由于粉煤灰的火山灰活性效應(yīng)，粉煤灰中含有的活性成分Al2O3和SiO2，能夠和水泥水化產(chǎn)物中的堿性產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成大量的水化鋁酸鹽，一方面減少過渡區(qū)氫氧化鈣的含量，改善過渡區(qū)的性能；另一方面提高混凝土對(duì)氯離子的結(jié)合能力。同時(shí)，粉煤灰的填充效應(yīng)可減少水泥水化硬化后的孔隙率，改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，提高再生混凝土的抗氯離子滲透性能。

圖1 粉煤灰摻量對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性的影響

2.2 礦粉對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性的影響

對(duì)比圖1a和圖2a可以看出再生混凝土中摻入礦粉，其28 d抗壓強(qiáng)度較大，后期強(qiáng)度發(fā)展有利，而粉煤灰對(duì)早期強(qiáng)度發(fā)展有利。圖2a顯示，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨礦粉的增加而降低，28 d的強(qiáng)度下降幅度最大。礦粉顆粒細(xì)度較高，需水量大，抑制水泥水化過程，而且礦粉活性較低，最終表現(xiàn)為使再生混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。

圖2b顯示，摻入礦粉使再生混凝土的氯離子滲透系數(shù)增大，抗氯離子滲透性能降低。在礦粉摻量小于20%時(shí)，隨摻量增加，再生混凝土的抗氯離子滲透性能變好；礦粉摻量超過20%后，再生混凝土的氯離子滲透系數(shù)急劇增大，抗氯離子滲透性較差。故針對(duì)路面水泥混凝土而言，應(yīng)控制礦粉摻量小于20%。

圖2 礦粉摻量對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性的影響

2.3 復(fù)摻粉煤灰和礦粉對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性的影響

由圖3和圖4可以看出，與單摻粉煤灰或單摻礦粉相比，摻加粉煤灰和礦粉混合料的再生混凝土抗壓強(qiáng)度增大，且抗氯離子滲透性能較好。即在相同摻量條件下，粉煤灰和礦粉復(fù)摻入再生混凝土對(duì)其性能的提高要優(yōu)于單摻的效果。

圖3 復(fù)摻粉煤灰和礦粉對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 復(fù)摻粉煤灰和礦粉對(duì)再生混凝土氯離子滲透系數(shù)的影響

再生混凝土中復(fù)摻粉煤灰和礦粉，粉煤灰的球形顆粒形貌和礦粉的微細(xì)顆粒之間形成互補(bǔ)疊加效應(yīng)，更能發(fā)揮其潤滑、填充、減水作用，改善新拌混凝土的工作性能，使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，減小孔隙率，改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，提高其抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性；另一方面，粉煤灰和礦粉顆粒之間相互填充，改善再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，更好地發(fā)揮粉煤灰的火山灰活性效應(yīng)，在水泥水化產(chǎn)物的堿性激發(fā)下生成大量的水化產(chǎn)物凝膠，彌補(bǔ)礦物摻合料取代水泥后水化產(chǎn)物減少的影響，保證再生混凝土前期強(qiáng)度，維持其后期強(qiáng)度的持續(xù)發(fā)展。因此，復(fù)摻粉煤灰和礦粉可以大幅度地提高再生混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。

3 結(jié)論

1) 粉煤灰可以改善再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能。

2) 礦粉摻量小于20%時(shí)，可以提高再生混凝土的抗壓強(qiáng)度并改善其抗氯離子滲透性；礦粉摻量超過20%后，隨摻量增多，再生混凝土抗壓強(qiáng)度降低且抗氯離子滲透性變差。

3) 在相同摻量的情況下，粉煤灰和礦粉復(fù)摻入再生混凝土?xí)r，其抗氯離子滲透性能比單摻時(shí)更好，且抗壓強(qiáng)度也有所提高。

[1] 王武祥, 劉立, 尚禮忠, 等. 再生混凝土集料的研究[J]. 混凝土與水泥制品, 2001 (4): 9-12.

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[3] 饒志明, 吳相豪, 花麗君. 再生粗集料影響混凝土抗氯離子滲透性能試驗(yàn)研究[J]. 粉煤灰, 2014 (3): 18-19.

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[8] ASTM C1202-97，Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penertration[S].

2016-09-21

陳少軍( 1982-) ，男，工程師，研究方向: 公路工程。

1008-844X(2017)01-0080-04

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