再生微粉混凝土的力學(xué)性能與耐久性能

吳銘禧 楊云英 陳子豪 吳宇彬

（1 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院；2 廣東石油化工學(xué)院建筑工程學(xué)院）

再生微粉(Recycled Micro-Powder,RMP)是破碎廢棄砌塊、砂漿、混凝土?xí)r產(chǎn)生粒徑小于75μm 的顆粒，再生微粉分為再生粘土磚粉和再生混凝土粉，本文主要討論混凝土再生微粉。再生微粉按一定取代率取代水泥制備的混凝土稱為再生微粉混凝土（Recycled Micro-Powder Concrete,RMPC）。推廣使用RMPC 能夠節(jié)約資源和降低碳排放，因而具有生態(tài)和經(jīng)濟(jì)意義[1,2]。針對RMPC，國外研究者開展以下方面研究：Saeed Ahmari 發(fā)現(xiàn)RMP 使RMPC 中砂漿基體的孔隙率顯著增加。國內(nèi)研究者開展了以下方面的研究：肖建莊等[3]發(fā)現(xiàn)RMP 取代率越高砂漿孔隙率越大對砂漿力學(xué)性能和流動性能的損失越大。李琴等[4]發(fā)現(xiàn)了經(jīng)活性激發(fā)后微觀孔隙結(jié)構(gòu)得到改善，顯著降低了砂漿基體的孔隙率。因此，高效利用再生微粉制備混凝土成為近年來研究的熱點。

本文綜述了近年來廢棄混凝土RMP 在砂漿和混凝土應(yīng)用的研究進(jìn)展，首先總結(jié)了RMP 的物理化學(xué)性質(zhì)，然后分析再生微粉對混凝土力學(xué)性能與耐久性能的影響，并依此總結(jié)出目前用RMP 制備混凝土所存在的不足，分析改性RMP 對混凝土力學(xué)性能與耐久性能的改善效果，為提高RMPC性能的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供參考。

1 再生微粉的性質(zhì)

1.1 再生微粉的物理性質(zhì)

廢棄混凝土再生微粉來源復(fù)雜制作工藝粗糙，其物理性能差異較大。如圖1 是RMP 的掃描電子顯微鏡圖像，圖中所示RMP 顆粒形狀多呈針片狀、多棱角不規(guī)則狀和多孔洞凹陷狀，且顆粒大小不均。如圖2 是粉煤灰、水泥和RMP 顆粒粒徑分布圖，圖2 中所示RMP 粒徑跨度較水泥和粉煤灰大，平均粒徑也較水泥和粉煤灰大，這使RMP 物理性質(zhì)波動較大[5]。如表1 四個不同粉體樣品物理參數(shù)，樣品依次為：RMP樣品1、RMP樣品2、水泥樣品、粉煤灰樣品。表1所示，RMP堆積密度和表觀密度介于水泥和粉煤灰之間，而比表面積卻高于水泥與粉煤灰，相同一份樣品經(jīng)研磨后RMP比表面積增加80%，由此可知RMP 孔隙率高。綜合可知，RMP 顆粒級配差顆?？紫堵矢?，研磨處理可以細(xì)化RMP降低其孔隙率。

圖1 RMP的掃描電子顯微鏡圖像[6,7]

圖2 粉體粒徑分布曲線[7,8]

表1 物理屬性

1.2 再生微粉的化學(xué)成分與礦物組分

廢棄混凝土RMP 包含水泥水化后產(chǎn)物、未水化水泥和砂石粉末三部分。表2 列舉了水泥樣品、粉煤灰樣品及多個RMP 樣品化學(xué)成分及各成分含量，RMP 的主要化學(xué)成分及含量為SiO2含量23%～50%、Fe2O3含量2%～6%、Al2O3含量7%～11%、CaO 含量13%～40%。RMP 成分與水泥和粉煤灰基本相同，但活性氧化物含量低于水泥和粉煤灰。圖3(a)、(b)分別為未處理RMP 和振動球磨處理RMP 的XRD 圖，可以發(fā)現(xiàn)未經(jīng)處理RMP 衍射峰主要是二氧化硅(石英)和方解石(CaCO3)，球磨處理后方解石峰加強(qiáng)，石英峰減弱，硅酸二鈣（C2S）峰增強(qiáng)，由此可見RMP在機(jī)械力作用下釋放了包裹未水化活性成分C2S 和Ca(OH)2。石英峰減弱是因為研磨可以破壞與扭曲再生微分中SiO2四面體與Al2O3八面體產(chǎn)生晶格，使其無定形化降低SiO2和Al2O3化學(xué)鍵能降低其表面結(jié)合能也降低[7,10]，從而產(chǎn)生高活性、低表面結(jié)合能的相物，提高后期火山灰反應(yīng)效率[10-12]，火山灰效應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠如下式⑴、⑵[13,14]。綜上可知，從化學(xué)組分和礦物組成分析RMP 活性較弱，但是經(jīng)研磨處理生微粉為膠凝材料在理論層面是可行的，可用作輔助凝膠材料，是一種很有潛力的水泥替代品。

圖3 RMP射線衍射譜圖[18]

表2 再生微粉化學(xué)成分

2 再生微粉對再生微粉混凝土工作性能的影響

坍落度和擴(kuò)展度是表示混凝土自然堆積狀態(tài)下的流動性指標(biāo)，表3是不同配比的RMPC坍落度值與擴(kuò)展度值，減水劑用量是膠凝材料的1.5%。如表3 所示，同取代率下不同水灰比對RMPC 坍落度和擴(kuò)展度影響很小，而相同水灰比隨著RMP 取代率上升，坍落度和擴(kuò)展度都有所下降，取代率20%～30%的擴(kuò)展度損失最大。綜上可知，0～20%取代率下，RMP對RMPC流動性影響小，取代率超過20%流動性能有所下降。

表3 RMPC流動性測量指標(biāo)

3 再生微粉對再生微粉混凝土力學(xué)性能影響

3.1 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度是混凝土最重要的力學(xué)性能指標(biāo)，圖4 給出了不同水灰比情況下[8,19,20]，RMP 取代率與RMPC 的28天抗壓強(qiáng)度之關(guān)系。圖4 表明，當(dāng)水膠比保持恒定時，隨著取代率的增加，RMPC 強(qiáng)度損失量也在增加，取代率從0 增加到15%RMPC 抗壓強(qiáng)度降低7%，取代率從15%增加到30%RMPC 抗壓強(qiáng)度降幅至13.5%，取代率從30%增加到45%RMPC 抗壓強(qiáng)度降幅至29.2%。這是由于RMP 取代率增加，砂漿界面孔隙率和粘結(jié)強(qiáng)度下降導(dǎo)致，如圖5 是普通混凝土和15%RMPC 的SEM 圖對比圖，從圖中可見，加入RMP 的混凝土凹凸孔隙明顯，還有裂縫出現(xiàn)，這些裂縫會隨著取代率增加而擴(kuò)展，孔隙和裂縫是受力薄弱點，是造成強(qiáng)度損失的主要原因。

圖4 RMP取代率與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系[8,19,20]

圖5 普通混凝土和15%RMPC的SEM圖對比圖[3]

水膠比不同，RMPC 對抗壓強(qiáng)度影響不盡一致[21]，以圖4 中水膠比0.5、0.4 為例對比，0.5 水膠比在取代率15%強(qiáng)度有7%的增長，30%、45%強(qiáng)度損失率分別為13.5%、29.2%，而0.4水膠比在取代率15%、30%、45%強(qiáng)度損失率2%、4%、17%，高水膠比下RMP 取代率對抗壓強(qiáng)度削弱較大，這是因為高水膠比水泥量少，砂漿基體孔隙和裂縫更加明顯，同時粘接性會變差。圖6 是0.4、0.5水灰比的RMPC28 天抗壓強(qiáng)度試驗后破壞形態(tài)，兩個試件RMP 取代率均為20%，如圖所示0.4 配合比的破壞形態(tài)有粗骨料破壞的情況出現(xiàn)，而0.5 配合比的破壞形態(tài)有砂漿和骨料分離的情況出現(xiàn)，表明同一取代率，RMPC低水灰比砂漿基體與粗骨料結(jié)合情況較高水灰比好。

3.2 改性再生微粉強(qiáng)度對比

研磨是最常用的顆粒細(xì)化整形方法，整形后的RMP能發(fā)揮填充效應(yīng)和晶核效應(yīng)。圖7 是不同研磨程度的RMP 所制備混凝土的相對抗壓強(qiáng)度與取代率的關(guān)系，不同研磨程度的RMP 以D50（一個樣品的累計粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時所對應(yīng)的粒徑）表示。如圖7所示，隨著研磨程度增加，RMPD50 數(shù)值越小，而D50 數(shù)值越小，RMP造成強(qiáng)度損失更小。因為細(xì)化后顆粒在漿體中分布更密集，顆粒間距離變小[22]，水泥水化時顆粒間形成的連接更短更緊致，補(bǔ)償孔隙同時細(xì)小顆粒可以作為晶核誘導(dǎo)結(jié)晶加速水泥水化速率使抗壓強(qiáng)度提高。此外，研磨可以釋放包裹的活性物質(zhì)提高微粉活性。

圖7 RMP取代率與相對抗壓強(qiáng)度的關(guān)系[17,20,23-25]

化學(xué)激發(fā)是常用激發(fā)方式之一，常用的化學(xué)激發(fā)劑有NaOH、Ca(OH)2、偏硅酸納，圖8 是三種激發(fā)劑處理后的改性RMPC，每個配比的水膠比均為0.5，RMP的取代率均為20%。如圖8 所示在單一激發(fā)劑的處理下，激發(fā)組與對比組相比，強(qiáng)度有所損失，均未實現(xiàn)強(qiáng)度增長，三種激發(fā)劑對強(qiáng)度削弱效果NaOH 最小，NaOH 結(jié)合研磨處理組強(qiáng)度有所增長。因為，堿激發(fā)劑首先從玻璃體表面開始溶解RMP 中CaO-SiO2-Al2O3玻璃體物質(zhì)表面網(wǎng)絡(luò)聚合體，生成具有較高強(qiáng)度和水硬性的硅酸鈣(C-S-H)、水化鋁酸鈣(C-A-H)和其他晶體[26-28]。粒徑大激發(fā)劑激發(fā)效果差，而研磨處理后顆粒小，能提高激發(fā)效率。

圖8 改性RMPC強(qiáng)度

4 再生微粉對混凝土耐久性能的影響

4.1 抗碳化性能

碳化不會對混凝土引起直接性能劣化，但是鋼筋混凝土體系中，混凝土的抗碳化性能是維持環(huán)境堿度保障鋼筋不受侵蝕的重要能力。圖9 是兩個不同配比在不同RMP取代率下RMPC加速碳化日期與碳化深度的關(guān)系。如圖9所示，兩組配比RMPC均隨碳化日期增加碳化深度呈近似線性增長。再者，RC1 取代率10%、20%、30%的近似增長率分別為0.16、0.15、0.29、0.34，RC2 取代率10%、20%、30%的近似增長率分別為0.03、0.05、0.14、0.17，除RC1 10%取代率碳化增長率有所下降外，兩組混凝土碳化深度增長率均隨取代率增加而增加。因為低取代率下RMP 填充效應(yīng)能補(bǔ)償孔隙密實結(jié)構(gòu)進(jìn)而提高抗碳化性能[29,30]，相反高取代率下RMP 使混凝土中砂漿界面孔隙率變大甚至出現(xiàn)聯(lián)通孔隙，這導(dǎo)致CO2透過孔隙更快向內(nèi)部擴(kuò)散，RMPC的抗碳化性能下降。

圖9 RMPC碳化深度[20,31]

4.2 抗氯離子侵蝕

氯離子滲透侵蝕類似碳化侵蝕機(jī)理，同樣是對鋼筋混凝土體系中鋼筋侵蝕破壞。RMP 在合適的取代率（0～30%）下RMPC 在抗氯離子滲透能力方面是有所改善的[32]。圖10是各取代率下的氯離子濃度與氯離子滲透深度關(guān)系，RMPC 孔隙率理應(yīng)高于普通混凝土，氯離子滲透深度亦理應(yīng)高于普通混凝土，而如圖10 所示在相同氯離子濃度下RMPC 氯離子滲透深度比普通混凝土小，且隨著RMP 取代率提高混凝土抗氯離子滲透性能也提高，取代率達(dá)30%氯離子抗?jié)B性能最佳，超過30%氯離子抗?jié)B性開始下降。因為氯離子進(jìn)入混凝土中分為與混凝土結(jié)合形成如式⑶所示晶體的結(jié)合氯離子與游離在混凝土孔隙通道的自由氯離子，而圖10 中氯離子滲透深度所檢測的是自由氯離子，由此可推斷RMPC 結(jié)合氯離子能力高于普通混凝土，且RMPC 結(jié)合氯離子后能有效降低孔隙率降低自由氯離子滲透。

圖10 RMPC氯離子滲透深度及含量的關(guān)系[11]

5 結(jié)束語

綜上所述，可知：⑴RMP 物理化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，主要體現(xiàn)在級配不均勻與活性物含量低，但是在研磨處理下仍可作為輔助膠凝材料使用。⑵隨著RMP 取代率增加造成孔隙率增大，而孔隙是受力薄弱區(qū)，因此取代率越大RMPC 抗壓強(qiáng)度越低。⑶單一的激發(fā)劑處理對RMP 并沒有起到強(qiáng)度增強(qiáng)效果，激發(fā)劑和研磨組合處理能提高激發(fā)效果。⑷RMPC 碳化深度隨碳化日期呈現(xiàn)近似線性增加，且隨著RMP 取代率增加，碳化深度增長率亦增加。RMPC 氯離子結(jié)合能力較普通混凝土好，氯離子滲透能力隨RMP 取代率增加而降低。為了提高RMP 高效利用，有些方面仍需進(jìn)一步研究：⑴現(xiàn)有活化方式成本高，效果低，而RMP 改性方式機(jī)理是提高活化效果的重要理論前提，目前活化機(jī)理理論相關(guān)研究較少。⑵建立RMP 取代率與RMPC的抗折、本構(gòu)等力學(xué)性能之關(guān)系。