摻再生微粉和粉煤灰對(duì)混凝土力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究

樊耀虎 李 瀅 何 真 蔡新華

（1 山東春禾新材料研究院有限公司；2 青海大學(xué)土木工程學(xué)院；3 武漢大學(xué)水利水電學(xué)院）

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，建筑行業(yè)正處于蓬勃發(fā)展的階段，每年拆除的混凝土數(shù)量也非常巨大，建筑垃圾的產(chǎn)量也在逐年增長(zhǎng)，中國(guó)每年的固廢已經(jīng)超過了35 億噸，單建筑固廢就已經(jīng)達(dá)到15 億噸，數(shù)量十分龐大。其中拆除過程中產(chǎn)生的粉塵量也比較多，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，所以為了保護(hù)壞境、節(jié)省資源，建筑垃圾再生利用技術(shù)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。韓國(guó)一家公司在廢棄混凝土中分離出水泥，并使這種水泥能再生利用。日本有些公司采用建筑垃圾將其粉碎、加熱、摩擦等一系列處理措施。將廢棄垃圾中混凝土的砂漿和石子通過特殊機(jī)械的協(xié)同作用將其分離，分離出來的粉末生產(chǎn)水泥。其他國(guó)家對(duì)再生微粉的研究還相對(duì)較少，也沒有較大的進(jìn)展。大多數(shù)都是將廢棄的混凝土粉粹后配制成強(qiáng)度較低的混凝土，或者作為一種再生的粗骨料加以利用。

我國(guó)對(duì)建筑垃圾的處理主要是利用廢棄的混凝土經(jīng)人工簡(jiǎn)單的初破，然后通過顎式破碎機(jī)將其破碎、篩分，用破碎后的粗骨料代替天然骨料、用細(xì)骨料代替砂，但是對(duì)破碎后產(chǎn)生的微粉利用比較少。毛新奇[1]發(fā)現(xiàn)再生微粉最佳摻量在10%～15%之間，混凝土能發(fā)揮出較好的性能，能顯著地改善混凝土界面結(jié)構(gòu)的致密性，有利于混凝土強(qiáng)度增加。馬郁[2]利用再生微粉去取代水泥，研究發(fā)現(xiàn)只要再生微粉摻量合理，再生微粉混凝土的各項(xiàng)性能基本都能達(dá)到基準(zhǔn)水泥的水平。李建勇[3]利用磚混建筑微粉作為礦物摻合料對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)再生微粉可摻入到高強(qiáng)度混凝土中。張修勤[4]等人研究發(fā)現(xiàn)：再生微粉混凝土的強(qiáng)度與需水量成正比、與摻量成反比。石瑩[5]等人對(duì)再生微粉的活性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)再生微粉能發(fā)揮其微集料效應(yīng)并且具有一定活性效應(yīng)。李琴[6]等人利用不同的激發(fā)劑激發(fā)再生微粉的活性，研究發(fā)現(xiàn)CaCl2激發(fā)活性＞Ca-SO4·2H2O＞Na2SO4、NaOH、Ca（OH）2＞無激發(fā)劑。本文基于對(duì)再生微粉綜合利用的目的，對(duì)比了再生微粉與粉煤灰摻入混凝土中對(duì)二者力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的區(qū)別，為再生微粉在混凝土中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 原材料

⑴水泥：采用青海省新型建材工貿(mào)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥；

⑵再生微粉：選擇實(shí)驗(yàn)室廢棄混凝土進(jìn)行破碎、篩分、磨細(xì)處理而得，服役年限1 年，其化學(xué)組成如表1 所示；

⑶粉煤灰：采用河南省鞏義市恒諾濾料有限公司生產(chǎn)的I 級(jí)粉煤灰，其化學(xué)組成成分見表2；

表1 再生微粉的化學(xué)組成 （%）

表2 粉煤灰的化學(xué)組成 （%）

表3 再生微粉混凝土配合比

⑷粗骨料選用粒徑在4.75mm～20mm 的天然碎石，來源于北川河，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得粗骨料的表觀密度為2672kg/m3，堆積密度1510kg/m3，含泥量0.33%,吸水率0.38%；

⑸細(xì)骨料：采用北川河的天然河砂；經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得細(xì)骨料的表觀密度為2667kg/m3，堆積密度1500kg/m3，含泥量1.1%,吸水率0.45%；

⑹水：試驗(yàn)室自來水。

1.2 化學(xué)性質(zhì)

本試驗(yàn)所用儀器為ZSX Primus II 型X 射線熒光光譜儀，對(duì)再生微粉及粉煤灰的化學(xué)成分進(jìn)行X 射線熒光分析，其化學(xué)組成結(jié)果如表1 和表2 所示。

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)分別采用GB/T 50080－2016 中《混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]和GB/T50081－2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[8]中普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行坍落度和混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)配合比

分別考慮了再生微粉和粉煤灰以摻量0%、10%、20%、30%、40%取代水泥對(duì)混凝土力學(xué)性能影響試驗(yàn)研究，以C40 混凝土為基準(zhǔn)，其試驗(yàn)配合比如表3 所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 工作性試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表4 可知，隨著再生微粉摻量的增加再生微粉混凝土的坍落度在逐漸下降，說明再生微粉摻量的增加對(duì)混凝土的流動(dòng)度有一定影響，會(huì)對(duì)混凝土的工作性能產(chǎn)生不利的影響，而粉煤灰混凝土隨著粉煤灰摻量的增加混凝土的流動(dòng)性在逐漸變大，會(huì)對(duì)混凝土的工作性能有促進(jìn)作用。為了分析其原因，利用儀器JSM-6610LV 對(duì)再生微粉和粉煤灰粉體進(jìn)行了掃描電鏡，結(jié)果見圖1。

表4 混凝土的坍落度

圖1 再生微粉和粉煤灰的SEM 圖

從圖1（a）的中再生微粉SEM 圖觀察到再生微粉呈絮狀、表面粗糙、空隙較大、質(zhì)地疏松，因此在混凝土攪拌過程中需水量較大，坍落度隨摻量的增加在逐漸降低，流動(dòng)度逐漸減小，不利于混凝土工作。從圖1（b）中粉煤灰SEM 圖知：粉煤灰呈球型、表面光滑，能降低混凝土內(nèi)摩阻力，增加其流動(dòng)性，在混凝土攪拌中起到一定的潤(rùn)滑作用。對(duì)混凝土的工作性產(chǎn)生有利影響。

2.2 力學(xué)性能測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果與分析

從圖2 可知：再生微粉摻量為20%時(shí)，再生微粉混凝土7d、14d、28d 的抗壓強(qiáng)度最高。原因是因?yàn)樵偕⒎壑泻幸徊糠譀]有水化的水泥顆粒，增加了再生微粉的活性，并且再生微粉具有一定的堿性，微粉中細(xì)小的顆粒在堿性激發(fā)下可以生成C-S-H 膠凝體。填充了再生微粉混凝土當(dāng)中的孔隙，改善了混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)特征，對(duì)混凝土起到了一定的密實(shí)增強(qiáng)作用。當(dāng)再生微粉摻量大于20%后，雖然強(qiáng)度高于對(duì)照組混凝土，但再生微粉混凝土的強(qiáng)度與摻量成反比關(guān)系。當(dāng)再生微粉摻量在30%～40%時(shí)，再生微粉混凝土強(qiáng)度增加的幅度不明顯。主要原因可能是一方面因?yàn)樵偕⒎圩陨淼娜毕荩障遁^大、質(zhì)地疏松、強(qiáng)度較低）。另一方面是由于骨料與骨料之間，骨料與微粉之間沒有充分被水泥漿體包裹，存在較多的界面過渡區(qū)，因此導(dǎo)致再生微粉混凝土的強(qiáng)度隨摻量增加而降低。

圖2 再生微粉混凝土不同摻量下的抗壓強(qiáng)度

由圖3 可知：粉煤灰摻量為10%時(shí)，粉煤灰混凝土7d、14d、28d 的強(qiáng)度達(dá)到最高。說明粉煤灰的最佳摻量為10%，粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度較高的主要原因是由于粉煤灰的火山灰反應(yīng)產(chǎn)物的填充及其微集料效應(yīng)起到了補(bǔ)強(qiáng)的作用，并且粉煤灰的活性較高，降低了水膠比，增加了微結(jié)構(gòu)的密實(shí)型。而當(dāng)粉煤灰摻量大于10%時(shí)，粉煤灰混凝土的強(qiáng)度隨摻量增而逐漸減小，原因可能是粉煤灰過多的摻入打破了混凝土內(nèi)部的合理級(jí)配，降低了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻性，從而導(dǎo)致粉煤灰混凝土強(qiáng)度隨摻量增加而呈下降趨勢(shì)。

圖3 粉煤灰混凝土不同摻量下的抗壓強(qiáng)度

由圖4 可知，當(dāng)再生微粉摻量為20%，粉煤灰摻量為10%時(shí)，再生微粉混凝土和粉煤灰混凝土7d、14d、28d的抗壓強(qiáng)度均高于對(duì)照組混凝土。28d 時(shí)，再生微粉混凝土強(qiáng)度與對(duì)照組混凝土相比增加了9.02MPa，提高了23%。粉煤灰混凝土與對(duì)照組混凝土28d 時(shí)的抗壓強(qiáng)度相比增幅16.6%。當(dāng)再生微粉和粉煤灰摻量為30%時(shí)，再生微粉混凝土的7d、14d、28d 抗壓強(qiáng)度略高于粉煤灰混凝土和對(duì)照組混凝土，原因是由于再生微粉與水泥之間產(chǎn)生的粉體緊密堆積效應(yīng)，填充了混凝土之間的孔隙，使混凝土趨于密實(shí)，強(qiáng)度增加。當(dāng)再生微粉和粉煤灰的摻量為40%時(shí)，再生微粉混凝土的7d、14d 的強(qiáng)度高于粉煤灰混凝土，但到28d 后再生微粉混凝土的強(qiáng)度基本與粉煤灰強(qiáng)度和對(duì)照組混凝土強(qiáng)度持平，說明粉煤灰混凝土的中后期強(qiáng)度發(fā)展較快而再生微粉混凝土強(qiáng)度的發(fā)展較為緩慢，分別對(duì)比再生微粉混凝土和粉煤灰混凝土的7d、14d、28d 抗壓強(qiáng)度可知：在同摻量為20%、30%、40%時(shí)，再生微粉混凝土的7d、14d 抗壓強(qiáng)度高于粉煤灰混凝土，但在28d 時(shí)粉煤灰混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，再生微粉混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)較為平緩。

圖4 混凝土7d、14d、28d 的抗壓強(qiáng)度

3 結(jié)論

⑴通過試驗(yàn)可知，粉煤灰最佳摻量是10%，再生微粉的最佳摻量是20%，粉煤灰摻量不高于20%、再生微粉不高于30%時(shí)，混凝土強(qiáng)度均高于對(duì)照組混凝土。

⑵再生微粉混凝土的坍落度低于粉煤灰混凝土的坍落度，說明再生微粉的需水量高于粉煤灰的需水量，會(huì)對(duì)混凝土的工作性能產(chǎn)生不利影響。

⑶再生微粉摻量在合理的范圍內(nèi)取代水泥能發(fā)揮出比粉煤灰更好的力學(xué)性能，再生微粉作為礦物摻合料具有較高的應(yīng)用價(jià)值。