粉煤灰顆粒特性對再生混凝土水化性質(zhì)的影響

王曉敏， 鄭建嵐， 朱藝婷

(1. 福建江夏學(xué)院工程學(xué)院, 福建 福州 350108； 2. 福建省環(huán)保節(jié)能型高性能混凝土協(xié)同創(chuàng)新中心， 福建 福州 350108)

0 引言

將廢棄混凝土破碎成再生骨料以配制再生混凝土成為建筑資源再利用的重要途徑. 鑒于再生混凝土性能上的缺陷， 可利用優(yōu)質(zhì)粉煤灰對其進(jìn)行改良[1-4]. 由于生產(chǎn)鏈管理不嚴(yán)， 導(dǎo)致市場中流通的粉煤灰質(zhì)量參差不齊， 顆粒特性復(fù)雜， 應(yīng)用于混凝土中將對構(gòu)件的工作性、 力學(xué)指標(biāo)、 耐久性等造成嚴(yán)重影響[5-9]. 因此， 有必要對粉煤灰進(jìn)行精細(xì)化分選， 以考察不同顆粒特性的粉煤灰對膠凝體系的作用. 國內(nèi)外研究表明， 不同粒徑特征的粉煤灰顆粒群所含礦物種類相似， 但化學(xué)組成不一[10-11]. 可以推斷， 不同粒徑分布的粉煤灰顆粒將對膠凝體系的水化過程產(chǎn)生影響， 但目前就相關(guān)問題依然缺乏系統(tǒng)研究.

本文對Ⅱ級粉煤灰進(jìn)行篩分， 得到不同粒徑分布范圍的3種分選粉煤灰， 配制再生骨料取代率為100%的C40再生混凝土(R體系)， 測定其硬化漿體中的多個(gè)水化指標(biāo)以推算水泥水化程度， 并結(jié)合宏觀力學(xué)性能與骨料-砂漿界面區(qū)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)， 分析不同顆粒特性的粉煤灰對再生混凝土性能的影響.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用P.O.42.5水泥(C)， Ⅱ級粉煤灰(FA)， 粒徑為5～20 mm連續(xù)級配的天然花崗巖碎石粗骨料(NA)和再生粗骨料(RA). RA由某省道路面改造工程中產(chǎn)生的廢棄混凝土破碎篩分而得， 齡期為13 a， 表面老砂漿附著率為39.4%. 天然細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.14的中砂， 表觀密度為2 719 kg·m-3. 試驗(yàn)用水為自來水， 外加劑為聚羧酸系減水劑. 骨料的基本性質(zhì)見表1， 水泥、 粉煤灰的粒徑和化學(xué)成分見表2.

表1 粗骨料性能指標(biāo)

表2 水泥和粉煤灰的粒徑及主要化學(xué)組成

1.2 粉煤灰的分選

采用高效篩分儀配以25、 45 μm孔徑篩網(wǎng)， 將FA篩分為顆粒分布不同的3種粉煤灰. 分別記45、 25 μm篩網(wǎng)篩余顆粒為FAL、 FAM， 小于25 μm的篩余顆粒為FAS. 分選粉煤灰的粒徑分布如圖1， 顆粒形貌如圖2. 試驗(yàn)用各類粉煤灰的活性指數(shù)依照文獻(xiàn)[12]中的抗壓強(qiáng)度法測定.

圖1 水泥和粉煤灰的粒徑分布

圖2 粉煤灰微觀形貌(×3 000)

1.3 再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)

參照文獻(xiàn) [13]配制C40再生混凝土， 配合比見表3， W/B=0.4，βs=0.38，wRA=100%，wFA=30%， 新拌混凝土的坍落度為180～210 mm. 其中， N、 R分別表示未摻粉煤灰的普通混凝土與再生混凝土， NFA、 RFA分別表示FA取代率為30%的普通混凝土與再生混凝土， RFAL、 RFAM、 RFAS分別表示摻入30%各類分選粉煤灰的再生混凝土.

表3 再生混凝土配合比

1.4 試驗(yàn)方法

采用高溫灼燒法， 將1 g(精確至0.000 1 g)混凝土硬化漿體終止水化后的干燥粉體試樣以1 000 ℃灼燒3 h至恒重. 混凝土硬化漿體中的化學(xué)結(jié)合水量按下式計(jì)算:

(1)

式中：wn為單位質(zhì)量硬化膠凝材料中的化學(xué)結(jié)合水量(%)；m1、m2分別為105 ℃烘干、 1 000 ℃灼燒后的試樣質(zhì)量(g)；wC、wFA分別為膠凝材料中水泥和粉煤灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；LC、LFA分別為水泥與粉煤灰的燒失量(%). 根據(jù)文獻(xiàn)[14]， 利用鹽酸選擇性溶解法測定混凝土硬化漿體中的粉煤灰反應(yīng)程度， 計(jì)算式如下：

(2)

式中：αFA為混凝土硬化漿體中粉煤灰的反應(yīng)程度(%)；RHCl、RC, HCl分別為混凝土硬化漿體與純水泥漿體經(jīng)HCl溶解后的殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%).

采用STA449F3同步熱分析儀測定混凝土硬化漿體中的Ca(OH)2含量. 測試過程以N2作保護(hù)氣體， 加熱速率為10 ℃·min-1， 均勻上升至1 000 ℃， 恒溫20 min. 采用Phenom Pro掃描電鏡對已終止水化的56 d齡期混凝土干燥試樣的界面過渡區(qū)進(jìn)行觀測.

2 主要試驗(yàn)結(jié)果

2.1 分選粉煤灰的活性指數(shù)

圖3 粉煤灰的活性指數(shù)

粉煤灰的活性指數(shù)隨其粒徑的減小而增大， 如圖3所示. 3 d之前粉煤灰以填充作用為主， FAL因粒徑較大， 填充效果不佳; 3 d后粉煤灰的火山灰活性逐漸發(fā)揮; 56 d時(shí)FAS的活性指數(shù)為95.8%， 分別較FA、 FAL、 FAM高10%、 25%、 5%. 可見， 不同粒徑區(qū)間粉煤灰的活性有明顯區(qū)別. FAS總體粒徑小， 多為球狀微珠， 活性成分含量較高. FAL中含有大量渣狀顆粒， 結(jié)構(gòu)疏松， 吸水率高， 活性較低.

2.2 粉煤灰顆粒特性對再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖4中各組混凝土的抗壓強(qiáng)度隨齡期增長的趨勢類似， 再生組28 d抗壓強(qiáng)度較對應(yīng)普通組(N體系)降低約7%， 摻入30%FA的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度較對照組降低約23%. 粉煤灰顆粒特性對再生混凝土前期抗壓強(qiáng)度的影響較為顯著. 3 d齡期時(shí)， RFAL、 RFAM、 RFAS組的抗壓強(qiáng)度分別較RFA提高0.4%、 5.9%、 17.2%， 細(xì)顆粒粉煤灰的微集料效應(yīng)有效提高了混凝土的密實(shí)度. 56 d齡期時(shí)混凝土強(qiáng)度隨粉煤灰粒徑的減小而增大， RFAL、 RFAM、 RFAS組的抗壓強(qiáng)度分別較RFA提高-8.2%、 -0.2%、 4.2%， 但影響程度并不明顯， 原因是FAL與FAS顆粒分布過于集中， 級配不良. 已有研究表明[15]， 粉煤灰中粒徑小于10 μm與大于45 μm的顆粒將對水泥基材料強(qiáng)度造成不利影響. 而因篩分效率有限， 使得FAM尚存大量25 μm以下顆粒， 顆粒級配與水泥相近， 活性較好， 以30%等質(zhì)量取代水泥對混凝土強(qiáng)度無不良影響.

圖4 再生混凝土的抗壓強(qiáng)度

2.3 再生混凝土的水化特性

2.3.1 化學(xué)結(jié)合水量

化學(xué)結(jié)合水量可一定程度上表征膠凝體系的水化進(jìn)程. 圖5(a)中， 摻入30%粉煤灰對R體系和N體系中化學(xué)結(jié)合水量的影響程度接近， 3～56 d齡期內(nèi)其值均降低約15%～24%； R體系中化學(xué)結(jié)合水量較N體系低約5%， 原因是RA的吸水率較NA略高， 體系中可參與水化的水分減少. 圖5(b)中， 3 d齡期時(shí)各組粉煤灰效應(yīng)尚不明顯， 隨著二次水化的進(jìn)行， 56 d時(shí)RFAL、 RFAM、 RFAS的化學(xué)結(jié)合水量分別為RFA的81%、 87%、 90%， 均大于70%， 可見粉煤灰的摻入促進(jìn)了膠凝體系的水化， 且活性更高的細(xì)顆?？稍诙嗡猩筛嗟乃a(chǎn)物. 另外， 細(xì)顆粒比表面積大， 可為水化產(chǎn)物提供附著點(diǎn)， 對體系水化的促進(jìn)效果更佳.

圖5 再生混凝土中的化學(xué)結(jié)合水量

2.3.2分選粉煤灰的反應(yīng)程度

圖6中再生組的粉煤灰反應(yīng)程度與對應(yīng)普通組相似， 說明再生骨料的使用對二次水化的影響不明顯， 粉煤灰的反應(yīng)程度取決于其自身性質(zhì). R體系中FA、 FAL、 FAM、 FAS的3 d反應(yīng)程度分別為2.94%、 2.10%、 3.06%、 3.62%， 總體微弱. 56 d時(shí)， RFAS中粉煤灰的反應(yīng)程度達(dá)11.7%， 分別較FA、 FAL、 FAM的反應(yīng)程度高11%、 42%、 8%. 可見， 隨著水化的進(jìn)行， 粉煤灰的顆粒特性對其火山灰活性的發(fā)揮影響逐漸顯著， 增加25 μm以下顆粒的含量可有效提高粉煤灰利用效率. 圖7中， 粉煤灰的活性指數(shù)與αFA呈線性正相關(guān)， 但各區(qū)間粉煤灰的活性指數(shù)逼近100%時(shí)，αFA不足12%. 可以推斷， 粉煤灰的“礦物活性”不但包含火山灰效應(yīng)， 更應(yīng)注重其物理作用的貢獻(xiàn).

圖6 粉煤灰的反應(yīng)程度

圖7 粉煤灰反應(yīng)程度與活性指數(shù)的關(guān)系

2.3.3粉煤灰顆粒特性對再生混凝土中Ca(OH)2含量的影響

如圖8(a)， 再生混凝土中的Ca(OH)2含量與對應(yīng)N體系相差5%以內(nèi)， 無明顯差別. 其中， 未摻粉煤灰組的Ca(OH)2含量隨齡期單調(diào)遞增， 而摻粉煤灰組的Ca(OH)2含量在水化14 d后開始下降. 說明隨著粉煤灰活性的發(fā)揮， 當(dāng)生成量不及粉煤灰對的消耗量時(shí)， 體系的總量下降. 圖8(b)在曲線上升階段， R體系中的Ca(OH)2含量RFAS>RFAM>RFA>RFAL， 與粉煤灰粒徑大小呈負(fù)相關(guān)， RFAS中的Ca(OH)2含量較RFAL高7%. 原因是細(xì)顆粒粉煤灰的分散作用與解絮作用更明顯地促進(jìn)了水泥的水化. 在曲線下降階段， 56 d齡期時(shí)RFA、 RFAL、 RFAM、 RFAS中的Ca(OH)2含量分別較14 d時(shí)下降16%、 14%、 20%、 15%， 之后基本趨于穩(wěn)定. 總體上， 顆粒越細(xì)的粉煤灰對Ca(OH)2的消耗量越大， 說明火山灰反應(yīng)越明顯. 但本試驗(yàn)中FAS組的粉煤灰對Ca(OH)2的消耗程度較FAM組低， 結(jié)合顆粒分布分析其原因可能是， FAS中顆粒粒徑主要集中于10 μm以下， 顆粒因過細(xì)而團(tuán)聚， 使得粉煤灰顆粒無法與Ca(OH)2充分接觸而影響二次水化水平. 可見， 工程中對粉煤灰進(jìn)行適度篩選可提高膠凝體系的水化效果， 但過度篩選10 μm以下細(xì)小顆粒的粉煤灰不但耗費(fèi)資源， 且可能對膠凝體系性能產(chǎn)生不利影響.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 粉煤灰顆粒特性對水泥水化程度的影響

結(jié)合上述水化指標(biāo)， 通過解耦分析計(jì)算得到水泥的水化程度[16-17]， 以闡明粉煤灰顆粒特性對膠凝體系水化性質(zhì)的影響.

當(dāng)硅酸鹽水泥完全水化時(shí)， 體系中生成的Ca(OH)2含量可由下式計(jì)算， 其中M*表示各熟料的摩爾數(shù)：

MCH, ∞=0.5MC2S+1.5MNC3S-MNC3A-6MC4AF

(3)

根據(jù)粉煤灰火山灰反應(yīng)的反應(yīng)式按下式計(jì)算二次水化對體系中Ca(OH)2的消耗量：

wCH, FA=(1.357wSiO2,FA+2.539wAl2O3,FA)·wFA·αFA

(4)

式中：wSiO2, FA、wAl2O3, FA分別為粉煤灰化學(xué)組分中SiO2、 Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%).

假設(shè)wCH, ∞為水泥完全水化可生成Ca(OH)2總量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)， 由RCH, ∞換算而得，wCH, UN為體系中殘余的Ca(OH)2含量(%)， 則任一齡期水泥的水化程度αC可依據(jù)下式計(jì)算：

(5)

圖9中， R體系與N體系中水泥的水化程度差值均小于4%， 主要是由于本試驗(yàn)用RA與NA的吸水率均較小， 屬于Ⅰ類骨料， 對膠凝體系中水化環(huán)境的影響不明顯. 粉煤灰的摻入顯著提高了體系中水泥的反應(yīng)程度， 且越細(xì)的粉煤灰對水泥水化程度的促進(jìn)效果越好. 原因包括： ① 粉煤灰的加入對體系起稀釋作用，相當(dāng)于提高了水化初期的水膠比； ② 細(xì)顆粒粉煤灰對水泥顆粒及其水化物的分散作用與成核中心作用為水化的進(jìn)行提供了便利； ③ 細(xì)粉煤灰的二次水化對體系中的的消耗更為明顯， 從化學(xué)平衡上進(jìn)一步推動了水泥水化. 56 d時(shí)， RFA、 RFAL、 RFAM、 RFAS體系中的水泥水化程度分別較R提高19%、 12%、 19%、 26%. 其中， RFA與RFAM體系中水泥水化程度相近是由于兩組的粉煤灰粒徑與分布均較為相似， 對體系水化的貢獻(xiàn)相當(dāng). 可見， 分選優(yōu)質(zhì)粉煤灰摻入再生混凝土中， 尤其是增加粒徑小于25 μm的顆粒含量， 能有效提升水泥與粉煤灰的利用效率. 可以推斷， 水化程度的提高將增加體系中凝膠等水化產(chǎn)物的數(shù)量， 優(yōu)化再生混凝土性能.

圖9 再生混凝土中的水泥水化程度

3.2 粉煤灰顆粒特性對再生混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的改善

混凝土的破壞往往發(fā)生在距骨料表面20～40 μm的界面過渡區(qū). 圖10中， 再生混凝土R的界面區(qū)裂縫寬度略大于普通混凝土N， 再生骨料表面老砂漿的存在一定程度上削弱了界面過渡區(qū)的粘結(jié)效果.

圖10 56 d齡期再生混凝土骨料-漿體界面細(xì)觀結(jié)構(gòu) (×3 000)

與R圖相比可知， 摻入30%粉煤灰降低了混凝土漿體的密實(shí)程度， 與宏觀力學(xué)性能的測試結(jié)果一致. 其中， RFAL界面區(qū)最為松散， 多有針狀A(yù)Ft、 粒狀凝膠及六角層狀晶體分布. RFAS組密實(shí)性最高， 粉煤灰表面蝕刻現(xiàn)象明顯， 大量細(xì)顆粒粉煤灰及其水化產(chǎn)物嵌于團(tuán)狀、 絮狀凝膠中， 細(xì)化了孔洞， 界面區(qū)整體結(jié)構(gòu)均勻， 骨料與砂漿粘結(jié)效果佳， 無明顯薄弱環(huán)節(jié). RFA組過渡區(qū)較RFAM組略顯致密， 可能的原因是： FA與FAM雖中位粒徑相近， 但RFA中所用的原狀粉煤灰顆粒分布較為完整、 合理， FAM經(jīng)分篩導(dǎo)致部分粒級比例降低， 影響顆粒間相互填充的效果. 可見， 粉煤灰的粒徑與顆粒分布均會對水泥-粉煤灰膠凝體系硬化漿體的密實(shí)度造成影響. 水化產(chǎn)物的增多與粉煤灰顆粒的填充效應(yīng)共同作用于再生混凝土的骨料-砂漿界面區(qū)， 改善了界面區(qū)的粘結(jié)效果， 有助于提升再生混凝土的力學(xué)性能， 與混凝土抗壓強(qiáng)度的測定結(jié)果吻合. 建議可采用粒徑小于25 μm的細(xì)顆粒粉煤灰改善再生混凝土的性能.

4 結(jié)語

1) 粉煤灰的活性指數(shù)隨其粒徑的減小而增大， 56 d齡期時(shí)FAS的活性指數(shù)達(dá)95.8%. 粉煤灰顆粒特性對再生混凝土前期抗壓強(qiáng)度的影響較為顯著.

2) 細(xì)粉煤灰可提高混凝土硬化漿體中的化學(xué)結(jié)合水量. 3 d前粉煤灰在膠凝體系中主要起填充作用， 水化56 d時(shí)25 μm以下顆粒反應(yīng)程度約為11.7%， 較45 μm篩網(wǎng)篩余顆粒高42%. 粉煤灰的摻入使混凝土漿體中Ca(OH)2含量先增加后減少， 25 μm篩網(wǎng)篩余顆粒的二次水化對Ca(OH)2的消耗量最大.

3) R體系的界面區(qū)裂縫寬度略大于N體系， 45 μm以上粗顆粒粉煤灰的使用易致混凝土界面區(qū)松散， 25 μm以下細(xì)顆粒及其水化產(chǎn)物可有效填充R體系骨料-砂漿界面區(qū)的孔洞， 提高結(jié)構(gòu)密實(shí)度.