再生微粉-再生骨料混凝土力學性能及微觀結構研究*

于 媛，胡慧敏，裴巧玲, 楊小妮, 宋少花, 楊 潘

(1. 西安建筑科技大學 華清學院，西安 710043；2. 西安建筑科技大學 土木工程學院，西安 710055；3. 西安建筑科技大學結構 工程與抗震教育部重點實驗室，西安 710055)

0 引 言

近年來，隨著基礎設施建設和住房建設需求日益增加，在建筑拆除和施工過程中產(chǎn)生了大量的建筑垃圾，而建筑垃圾的隨意堆放和丟棄正使生態(tài)環(huán)境面臨日益嚴峻的問題[1-3]，因此，建筑垃圾資源再生化是混凝土材料實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要措施[4-6]。在廢棄混凝土破碎、分離和強化過程中會不可避免地產(chǎn)生粒徑<0.16 mm的粉末，即再生微粉。對其采取更為綠色合理的處理方式，有利于環(huán)境可持續(xù)發(fā)展[7-8]。關于RA和RP分別摻入到混凝土中的性能，國內(nèi)外已經(jīng)有了很多研究。再生骨料的取代率對再生骨料混凝土力學性能有著一定的影響，

Rao等的研究表明，再生骨料取代率越高，混凝土抗壓強度和劈拉強度降低越多[9]。Verian[10]和Verian[11]研究表明，含有30%RA的混凝土優(yōu)于僅含普通骨料(NA)的混凝土。Tam等通過一系列研究[12-17]成功地將含有30%RA的混凝土性能提高到比普通混凝土更好的水平。Schoon等[18]，Park等[19]，Yong和Yun[20]發(fā)現(xiàn)RP中含有一些活性物質和高含量的二氧化硅，可以將 10%～15%的RP摻入來替代水泥。

但目前尚缺乏RA和RP同時摻入的相關研究。本文利用現(xiàn)有的廢棄混凝土所產(chǎn)生的再生骨料和再生復合微粉，進行合理摻配，將RP以0%、15%、30%和45%，RA以0%、30%、50%和100%摻入制備RAPC，并研究其力學性能及孔隙結構。通過發(fā)揮再生骨料和再生復合微粉的協(xié)同作用，形成優(yōu)勢互補，為廢棄混凝土全利用技術和綠色化技術奠定研究基礎。

1 實 驗

1.1 試驗材料

再生混凝土粉(CP)和再生磚粉(BP)的比表面積分別為457和824 kg/m3。再生復合微粉(RP)由再生混凝土粉(CP)和再生磚粉(BP)以質量比4:6混合而成。將廢棄混凝土經(jīng)過物理手段即簡單的破碎和篩分后，得到5～25 mm連續(xù)級配的再生粗骨料。此外，試驗所用材料還包括：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，粒徑<4.75 mm的細骨料，聚羧酸液體高效減水劑。

1.2 再生骨料-復合微粉混凝土制備

本研究所用的再生復合微粉由回收拆除建筑廢棄物中的再生磚和再生混凝土粗骨料得到。再生磚和再生混凝土粗骨料經(jīng)過分類整理、破碎，在實驗室經(jīng)烘干后，經(jīng)顎式破碎機破碎，再用球磨機研磨成再生粉體，以CP與BP比例為4:6混合成復合微粉。本研究再生骨料-復合微粉混凝土(RAPC)設計強度等級為C30，水膠比為0.486。RAPC試件一共16組，包括普通對照組(RAPC-0-0)， RAPC-a-b代表再生骨料取代率為a%和再生復合微粉摻量為b%的再生骨料-復合微粉混凝土。a取值分別為0,30,50,100；b取值分別為0,15,30,45。

1.3 BP與CP化學及礦物組成與微觀樣貌分析

采用X 射線熒光光譜分析BP和CP的化學組成，利用X 射線衍射儀對BP和CP進行礦物組成分析，通過掃描電子顯微鏡觀察BP和CP的微觀形貌。

1.4 力學性能測試

采用電液伺服壓力機測試不同RA與RP取代率下RAPC材料的抗壓強度[21]。RAPC的立方體抗壓的試驗儀器為電液伺服壓力機(圖1)，試驗時將試件放在試驗機中心，控制壓力機緩慢施加壓力，直到試件破壞。

圖1 立方體抗壓強度試驗裝置

RAPC試件進行劈裂抗拉試驗的(圖2)方式為：將邊長為100mm的立方體試件先移動在試驗機中心，并在其相應位置放置墊塊和墊條。壓力機以控制位移的形式加壓，試件破壞時自動停止。

圖2 劈裂抗拉強度試驗裝置

1.5 RAPC微觀孔隙結構分析

采用壓汞法(MIP)對RAPC的孔結構進行研究，從試驗中得到不同孔結構參數(shù)。

2 結果與討論

2.1 BP與CP的化學組成

BP和CP的化學組成結果如表1所示。結果表明，BP和CP的化學成分與水泥相似，都有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等成分，約占總成分總量的95%，BP和CP中都有豐富的與火山灰質材料相似的化學成分，可以作為部分水泥的摻合料使用，因此制備的BP和CP具有潛在的火山灰活性。

表1 再生微粉的化學成分

2.2 BP與CP的礦物組成

BP和CP的分析結果如圖3所示。BP和CP的成分相同點是都含有較高含量的二氧化硅，不同點是BP還含有鈉長石和赤鐵礦；CP還含有CaCO3、SiO2、C-S-H以及未完全反應的C2S。BP的SiO2衍射峰相較于CP數(shù)量多且強度高，而CP中CaCO3衍射峰相較于BP數(shù)量多且強度高。其中SiO2的衍射峰數(shù)量與強度會間接影響微粉活性，其數(shù)量多且強度高會對微粉活性產(chǎn)生提高作用，因此BP的活性高于CP[22]；而CaCO3的衍射峰數(shù)量與強度間接反映了CaCO3對微粉孔隙結構的填充效應，其數(shù)量多且強度高代表CaCO3含量較多，使得微粉孔隙結構變得更為致密，造成CP的密實程度高于BP[23]。

圖3 再生磚粉和再生混凝土粉X射線衍射圖

2.3 BP與CP的微觀形貌

BP和CP的微觀形貌采用掃描電子顯微鏡來觀察。從圖4中可以看出，BP和CP的表觀形貌粗糙，大部分呈不規(guī)則形狀，整體出現(xiàn)形狀不一的塊狀、薄片層狀，粗糙不規(guī)則表面有利于增強再生微粉與水泥砂漿之間的吸附力。BP和CP之間含有大量的微孔隙，分布錯雜，表征了再生微粉多孔的特點。

圖4 BP和CP的掃描電子顯微鏡圖：(a)BP在500x下的微觀形貌；(b)BP在1000x下的微觀形貌；(c)CP在500x下的微觀形貌；(d)CP在1000x下的微觀形貌

2.4 RA對RAPC抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響

RAPC的抗壓強度如圖5所示，劈裂抗拉強度如圖6所示?？梢钥闯觯琑A和RP的摻入對于抗壓強度和劈拉強度的影響是一致的。由圖5和圖6中可以看出，在相同的RP取代率下，RAPC的立方體抗壓強度和劈拉強度隨RA取代率的増加而先升高后降低，峰值位置在RA取代率為30%處。在相同的RA取代率下，RAPC的立方體抗壓強度和劈拉強度隨RP取代率的増加而先升高后降低，在15%的RP取代率時取得最大值。

圖5 RAPC立方體抗壓強度

圖6 RAPC劈拉強度

對于RA來說，相比于RAPC-0-0抗壓強度和劈拉強度分別為39.04 MPa和2.95 MPa, RAPC-30-0的抗壓強度和劈拉強度分別為41.17和3.05 MPa，分別升高了5.5%和3.4%。而RAPC-50-0和RAPC-100-0的抗壓強度分別為36.44 MPa和33.26 MPa，相比于RAPC-0-0分別降低了6.7%和14.8%。其劈拉強度分別為2.26 MPa和1.97 MPa，相比于RAPC-0-0分別降低了23.4%和35.4%。其余組的規(guī)律與之類似。

造成以上現(xiàn)象的原因是：RA對RAPC的力學強度的影響是一把雙刃劍。第一方面是RA的多裂縫特性，導致混凝土不夠密實，產(chǎn)生不利作用；另一方面是一些水分被RA吸附，在水化反應中釋放，提供“內(nèi)部養(yǎng)護”，產(chǎn)生有利影響。RA含量增大的時候，其表層粗糙，與新漿體結合牢靠，強度得到提升。RA含量在30%以下時，因為“內(nèi)部養(yǎng)護”以及結合牢固的增強程度大于表面微結構損傷，表現(xiàn)為積極影響，RA含量正好為30%時，相比對照混凝土會有所提升。RA的含量在30%以上時，因為“內(nèi)部養(yǎng)護”以及結合牢固的增強程度小于表面微結構損傷，表現(xiàn)為消極影響，其替代率在50%和 100%時，強度減弱。故RA的最佳摻量為30%。

相比于RAPC-0-0，RAPC-0-15的抗壓強度由39.04 MPa上升到40.12 MPa，上升了2.77%。劈拉強度由2.95 MPa上升到3.27 MPa，上升了10.8%。而添加30%和45%的RP使得抗壓強度和劈裂抗拉強度明顯降低。RAPC-0-30和RAPC-0-45的抗壓強度分別為35.45 MPa和30.27 MPa，相比于RAPC-0-0，分別降低了9.7%和22.4%。劈拉強度分別為2.46和2.18 MPa，相比于RAPC-0-0，分別降低了16.6%和26.1%。其余組的分析也與之類似。

在混凝土中加入適量RP對強度有提升作用。RP在混凝土中發(fā)揮作用主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面是RP中活性物質SiO2、Al2O3分別與Ca(OH)2發(fā)生水化反應，反應后生成水化硅酸鈣凝膠，具體反應見公式(1)和(2)。

xCa(OH)2+SiO2+mH2O→xCaO·SiO2·(m+1)H2O

(1)

yCa(OH)2+Al2O3+nH2O→xCaO·Al2O3·(n+1)H2O

(2)

另一方面是RP和RA具有良好的“兼容性”，RA本身具有很多微小裂縫，在RP的填充作用下，變得更加密實。RP摻量低時，RP水化反應的貢獻低于普通水泥。但是摻量達到一定數(shù)值時，其中活性成分發(fā)生化學反應，剩余集料發(fā)揮填充作用，對填充密實度貢獻明顯，又因為RP和RA良好的相容性，使得兩成份過渡區(qū)更加密實，強度提升明顯，過高摻入再生復合微粉后，Ca(OH)2含量不足夠與火山灰活性的物質完全反應，剩余的大量未經(jīng)二次水化反應的再生復合微粉進入混凝土微小裂縫中進行填充，弱化其抗壓能力。故最佳的RP摻量為15%。

綜上所述，RAPC-30-15取得了最佳的抗壓強度和劈拉強度，分別為43.29 MPa和3.41 MPa，相比于RAPC-0-0，分別提升了9.8%和15.6%。

2.5 破壞形態(tài)分析

由于RA和RP的不同摻量，使得骨料和包裹骨料的砂漿的力學強度不同，出現(xiàn)了不同的破壞形態(tài)。下面選出典型的試件來說明。RAPC-0-0、RAPC-30-0、RAPC-50-0、RAPC-30-15、RAPC-30-30、RAPC-30-45的力學破壞形態(tài)如圖7及圖8所示。

圖7 RAPC立方體抗壓試件破壞形態(tài)

由以上破壞形態(tài)總結為以下幾點：

低含量RP-低含量RA的RAPC的破壞形態(tài)：發(fā)生再生粗骨料貫通破壞。原因是：相對密實骨料和砂漿面過渡區(qū)的強度增強。

高含量RP-低含量RA或者高含量RP-高含量RA的RAPC的破壞形態(tài)，發(fā)生兩種破壞形式：再生骨料與再生漿體之間的界面粘結破壞、再生粗骨料的貫通破壞，兩種破壞形式同時存在。原因是兩種再生材料的隨機性。

低含量RP-高含量RA的RAPC的破壞形態(tài)：發(fā)生再生粗骨料的貫通破壞。原因是RA自身材質缺陷。

2.6 RAPC孔隙結構分析

為研究RAPC的孔隙結構，選出具有代表性的試驗組：RAPC-30-0、RAPC-30-15、RAPC-30-30、RAPC-30-45，其配合比與RAPC的力學性能配合比相同，通過壓汞法(MIP)研究RAPC微觀孔隙結構。

采用MIP對RAPC的孔結構進行研究，從試驗中得到不同孔結構參數(shù)。通過分析以上參數(shù)，從RP摻量的角度探討了其對混凝土孔結構的參數(shù)的影響?？捉Y構試驗結果如表2。

由圖9可得RP的摻量對RAPC的孔結構的影響，當RA的取代率為30%時，RAPC的孔隙率和平均半徑隨著RP的摻量的增加先降低后升高。RAPC-30-0組的孔隙率為19.60%，平均半徑為49.5 nm，試驗組RAPC-30-15的孔隙率為19.16%，相對于試驗組RAPC-30-0降低了0.44%。試驗組RAPC-30-15的平均半徑為45.3nm，相對于試驗組RAPC-30-0降低了9.27%。引起以上現(xiàn)象有兩部分原因：一方面是由于RP作為水泥的摻合料時，減少了水泥的用量，導致減少水泥的水化反應，RP微集料能夠起到緩沖作用，RAPC的松散度降低，孔隙率相對于基準混凝土來說下降。另外一方面是RP中的二氧化硅化合物和堿性物質發(fā)生反應，生成的物質起到填充作用，從而減輕疏松，改善孔構造，減少RAPC的孔隙率。但是RAPC-30-30和RAPC-30-45孔隙率相對較大，為20.83% 和21.76%，與RAPC-30-0相比，增加了1.01%和2.15%[24]。

圖9 RP摻量對孔隙率和平均孔徑的影響

由以上的分析可以看出反映RAPC的孔結構參數(shù)較多，RAPC的性能因其中一個參數(shù)的變化而有著不同的變化。通過與MIP測孔結構參數(shù)相似原理的海綿模型，模擬孔結構，得到RAPC的分形維數(shù)，其分形維數(shù)不僅可以更形象的描述孔徑分布情況，而且還能簡潔的用一個具體的值代表孔徑分布情況[25]。

按照海綿模型和MIP具體的孔結構特征參數(shù)，經(jīng)過一系列的計算得到RAPC的分形維數(shù)，從而來解釋RAPC的孔徑分布，其結果見表 3。

表3 RAPC孔結構的分形維數(shù)

觀察表3發(fā)現(xiàn)，其分形維數(shù)區(qū)間為3.0到3.4，分形維數(shù)用Df表示，作用是用來描述材料孔空間形態(tài)的復雜程度，Df值越大，代表其形態(tài)越復雜，其>3時，代表結構復雜。當RP摻量增大，RAPC的Df值先上升后降低，RP摻量為15%時，Df達到峰值，說明15%摻量的試件結構復雜，力學性能較好。

3 結 論

(1)BP和CP中具有高含量的SiO2使得二者具有較強的火山灰活性，同時BP和CP表觀形貌不規(guī)則，具有多孔特性。

(2)在相同的RP取代率下，RAPC的立方體抗壓強度隨RA取代率的増加先升高后降低，峰值位置在RA取代率為30%處。在相同RA取代率時，RAPC的抗壓強度隨RP取代率的増加先上升后降低，并在取代率為15%時達到最大值。

(3)由于不同取代率的RA和RP的摻入對RAPC的孔隙結構和界面過渡區(qū)特征產(chǎn)生了不同影響，這使得RAPC的產(chǎn)生了以下3種破壞形態(tài)：即低含量RP-低含量RA、高含量RP-低含量RA和低含量RP-高含量RA破壞形態(tài)，破壞形式主要分為再生粗骨料貫通破壞和再生骨料和再生漿體之間界面粘結破壞。

(4)15%及以下的RP的摻入優(yōu)化了RAPC的孔隙結構，降低其孔隙率和孔體積，增加了分型維數(shù)，從而使其力學強度增長。30%和45%的RP的摻入使得RAPC的孔隙結構劣化，同時也降低了其力學性能。