硅灰對再生混凝土性能影響的研究

郭 文 華

(焦作千業(yè)水泥有限責(zé)任公司,河南 焦作 454171)

1 概述

隨著城市化水平的加快，建筑業(yè)也開始迅猛發(fā)展，混凝土的用量逐漸增加，而配制混凝土的天然骨料大概每年使用量為80億t，天然骨料資源已經(jīng)逐漸短缺。另一方面，我國每年建筑垃圾的排放總量約為15.5億t～24億t，僅2017年我國產(chǎn)生的建筑垃圾就約23.79億t，但其中進(jìn)行資源化利用的僅有1.19萬t[1-3]。作為建筑垃圾主要組成部分的廢棄混凝土,目前除少部分作簡單的填埋處理之外，大部分都堆積在城市的郊區(qū)垃圾場，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。

將廢棄混凝土破碎篩分之后用作再生骨料，不僅可以有效解決目前自然骨料資源短缺問題，而且可以保護(hù)環(huán)境，具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會意義。但再生骨料表面包裹的老砂漿，致使再生混凝土存在強(qiáng)度低、耐久性差等問題，嚴(yán)重制約了再生混凝土的大規(guī)模應(yīng)用。因此對再生骨料或再生混凝土進(jìn)行改性是提高再生混凝土性能的關(guān)鍵。

硅灰，是鐵合金在冶煉硅鐵和工業(yè)硅(金屬硅)時，礦熱電爐內(nèi)產(chǎn)生出大量揮發(fā)性很強(qiáng)的SiO2和Si氣體，氣體排放后與空氣迅速氧化冷凝沉淀而成。硅灰在水泥基材料中所起的作用主要是形態(tài)效應(yīng)、火山灰效應(yīng)和微集料作用。硅灰的摻入能夠顯著的提高水泥基材料的抗壓強(qiáng)度、提升保水性能及降低泌水性。因此本實驗主要研究了硅灰對再生混凝土流動性、吸水率和抗壓強(qiáng)度等性能的影響，探討硅灰對再生混凝土性能的改善效果。

2 實驗

2.1 原材料

2.1.1水泥

本實驗采用的水泥是焦作千業(yè)水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的425普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分見表1。

表1 水泥主要化學(xué)成分

2.1.2硅灰

硅灰外觀為灰色或者灰白色粉末，耐火度>1 600 ℃。平均粒徑在0.1 μm～0.3 μm，比表面積為20 m2/g～28 m2/g。實驗所用硅灰化學(xué)成分見表2。

2.1.3再生骨料

表2 硅灰化學(xué)成分

再生骨料是由廢棄混凝土經(jīng)過破碎及篩選而制得。本文采用了人工破碎和顎式破碎機(jī)破碎相結(jié)合的方法將再生混凝土破碎，然后篩分出粒徑為4.75 mm～20 mm的顆粒作為實驗用粗骨料，其壓碎指標(biāo)為16.85%，吸水率為7.01%。

2.1.4天然骨料

天然骨料分為天然粗骨料和天然細(xì)骨料。本實驗所用的天然粗骨料是采用太行山所產(chǎn)的石灰石破碎后所得的粒徑4.75 mm～20 mm的骨料。天然細(xì)骨料是黃河灘的黃砂，粒徑為0.075 mm～4.75 mm。

2.1.5減水劑

本實驗所用的減水劑為聚羧酸減水劑，減水率20%～30%，其摻量為膠凝材料總量的2%。

2.1.6水

本實驗所用的水是實驗室的自來水。

2.2 實驗方法

首先，將已經(jīng)稱量好的天然骨料/再生骨料和砂子放入到攪拌機(jī)中混合，攪拌1 min；將所需減水劑倒入稱量好的水中，混合均勻，并將其一分為二，先加入一半的水到攪拌機(jī)中，攪拌1 min。然后加入所稱量好的硅灰，攪拌2 min。最后再加入水泥和所剩下的另一半水繼續(xù)攪拌2 min，將拌好的再生混凝土裝入坍落度筒中測量其坍落度。然后放入到準(zhǔn)備好的模具中，并將模具放到振動臺上震蕩10 s。抹去多余的砂漿，保證試塊表面平滑整潔，用保鮮膜包裹好模具并在室溫下放置24 h之后脫模，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。本實驗所用的模具有兩種，一種是100 mm×100 mm×100 mm試模以用來測試抗壓強(qiáng)度；一種是100 mm×50 mm以用來測試吸水率。

2.3 再生混凝土配合比

本實驗選取的再生骨料取代自然骨料的比例分別為0%，50%，100%，硅灰的摻入量分別為水泥質(zhì)量的0%，5%，8%,10%,具體配比如表3所示。

表中再生骨料取代率采用0%，50%，100%，分別用R0，R50，R100表示，硅灰摻量為0%，5%，8%，10%分別用SF1，SF2，SF3，SF4表示。

表3 再生混凝土配合比

3 結(jié)果與討論

3.1 硅灰對再生混凝土流動性的影響

由圖1可以看出，隨著再生骨料摻量的增加，再生混凝土的坍落度逐漸減小。摻入硅灰，降低了再生混凝土的坍落度，且隨著硅灰摻量的增加，再生混凝土坍落度基本上呈逐漸降低的趨勢。原因有兩個方面：一方面是因為再生混凝土中再生骨料的表面粗糙，凹凸不平，增加了骨料之間的內(nèi)摩擦力，增大了漿體的粘稠度；另一方面是由于硅灰平均粒徑較小，比表面積大，硅灰的摻入需要大量的水來潤濕表面。因此，在上述兩方面的作用下，隨著硅灰摻量的增加，再生混凝土坍落度逐漸減小，流動性逐漸降低。但當(dāng)再生骨料摻量為100%，硅灰摻量為10%時其坍落度稍高于硅灰摻量為8%時的再生混凝土，說明當(dāng)再生骨料摻量較高時，增加硅灰摻量能在一定程度上改善再生混凝土的流動性。

3.2 硅灰對再生混凝土吸水率的影響

由圖2可知，當(dāng)硅灰摻量相同時，隨著再生骨料摻量的增加，再生混凝土的吸水率逐漸增大；當(dāng)再生骨料摻量相同時，隨著硅灰摻量的增加，再生混凝土的吸水率逐漸下降。這是因為再生骨料表面包裹的老砂漿層疏松多孔，因此再生混凝土的吸水率隨著再生骨料摻量的增加而逐漸增大。而硅灰粒徑較小，質(zhì)地致密，不僅能夠填充在老砂漿的孔隙之中，同時硅灰中的SiO2等硅酸鹽玻璃體可以和水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，填充在孔隙中，且硅灰摻量越多，其產(chǎn)生的C-S-H凝膠越多，再生混凝土的氣孔率越低、結(jié)構(gòu)越密實，因此，其吸水率逐漸降低。

3.3 硅灰對再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

硅灰對再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響如圖3所示。由圖3可以看出，當(dāng)硅灰摻量相同時，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨再生骨料摻量的增加而逐漸降低；當(dāng)再生骨料摻量相同時，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨硅灰摻量的增加呈先增加而后降低的趨勢，當(dāng)硅灰摻量為8%時，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度最佳。摻加8%的硅灰，可使再生骨料摻量為0%,50%及100%的再生混凝土抗壓強(qiáng)度分別提高17.10%,31.07%和10.09%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于：由于再生骨料表面包裹有老砂漿，增加了再生骨料的氣孔率并導(dǎo)致再生混凝土中存在新、老界面過渡區(qū)，使再生混凝土的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜和薄弱。再生骨料摻量越多，再生混凝土的結(jié)構(gòu)越薄弱，所以其抗壓強(qiáng)度隨再生骨料摻量的增加而逐漸降低。當(dāng)再生骨料摻量一定時，摻入硅灰后，一方面，硅灰中大量活性的SiO2等與水泥水化時析出Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，生成C-S-H凝膠；另一方面，硅灰不僅填充在再生骨料老砂漿的孔隙中，而且填充在水泥顆粒和再生骨料之間的空隙中，降低了水化漿體的孔徑尺寸，改善了其孔徑分布，提高了再生骨料與膠凝材料之間的密實性。在以上兩方面的作用下,使再生混凝土的抗壓強(qiáng)度得到提高。但當(dāng)硅灰摻量過多時，水泥的摻量降低，再生混凝土中的膠凝性物質(zhì)減少，從而降低其抗壓強(qiáng)度。

4 結(jié)語

硅灰的摻入，能有效改善再生混凝土的吸水率和抗壓強(qiáng)度。隨著硅灰摻量的增加，再生混凝土的流動性和吸水率逐漸降低，抗壓強(qiáng)度呈先增加后降低的趨勢。當(dāng)硅灰摻量為8%時，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度最佳。