矿物掺合料复合对再生粗骨料混凝土力学性能的影响*

崔素萍，杜鑫

(北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100124)

矿物掺合料复合对再生粗骨料混凝土力学性能的影响*

崔素萍，杜鑫

(北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100124)

矿物掺合料是混凝土的重要组成部分，可以改善混凝土诸多性能。以普通矿粉和粉煤灰为主要掺合料复合其他矿物，研究矿物复合作用对再生粗骨料混凝土力学性能的影响。结果表明，两种矿物复合具有一定的叠加作用，“普通矿粉+超细矿粉”的复合对再生粗骨料混凝土的力学性能提高较明显。

矿物掺合料复合；再生粗骨料混凝土

随着我国建筑业的快速发展，砂石的需求量也越来越大，据有关资料显示[1,2]，我国每年需要粗细集料约10亿t，这就需大量地开山采石和掘地淘沙，严重破坏生态环境。而大量产生的废弃混凝土也急需处理，国内外众多学者研究认为[3-5]，用废弃混凝土做再生骨料是可行的。

粉煤灰、矿粉、硅灰等矿物掺合料具有良好的性能，在混凝土中使用已经很普遍[6]。由于再生骨料与天然骨料在性能上存在差异，要使得再生骨料混凝土性能更加优异就必须加入一定量的掺合料，但是单掺一种掺合料还是掺入复合掺合料所获得的再生骨料混凝土的综合性能和经济效益哪个最好，还不好确定。本文就以粉煤灰、普通矿粉为基本掺合料，然后掺入一定比例的超细矿粉和硅灰，研究复合掺合料对再生粗骨料混凝土力学性能的影响。

1 试验原料

水泥： P·052.5硅酸盐水泥。

普通矿粉： S95级矿粉。

粉煤灰：Ⅱ级灰。

硅灰：微硅粉，SiO2>95%。

再生粗骨料：5～25mm连续级配，符合《混凝土用再生骨料》GB/T2517-2010的要求。

天然细骨料：天然细骨料是符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52—2006要求的细度模数为3.1的中粗河砂。

减水剂：高效聚羧酸减水剂。

2 试验方案

表1 矿物掺合料化学成分XRF分析 %

表2 普通矿粉复合试验

表3 粉煤灰复合试验

1）以水泥+普通矿粉、水泥+粉煤灰为基础胶凝材料；

2）超细矿粉和硅灰以相同的取代率与普通矿粉、粉煤灰复合作为胶凝材料，其化学成分见表1。

3）标准养护28d，测定再生粗骨料混凝土的抗压、抗折、劈裂抗拉强度。

4）矿物掺合料复合配合比见表2和表3。

3 试验结果及分析

表4 再生粗骨料混凝土力学性能

3.1 普通矿粉复合试验及分析

从图1和表4的试验结果中可以看出，在相同的龄期时，再生粗骨料混凝土掺复合矿物掺合料的强度比掺一种（矿粉）掺合料的强度大，而且在普通矿粉+超细矿粉胶凝体系中，表现出更好的抗压性能。这主要是由于普通矿粉做矿物掺合料时，其在混凝土中虽然也有微集料和火山灰效应，但是当有更细的颗粒填充时，混凝土更加密实。超细矿粉和硅灰都具有很大的比表面积，在水泥水化形成Ca(OH)2的碱性环境下，更容易激发其火山灰性，而生成水化硅酸钙类物质，且在不同的胶凝体系中，矿物掺合料在界面过渡区的反应程度和水化结构不同，因而与超细矿粉和硅灰复合的效果也不同[7]。以不同龄期来看再生粗骨料混凝土的强度，在不同胶凝体系下，随着龄期的增加，其强度逐步增大，但增长率不同，后期强度增长率变化较小，这主要和矿物掺合料的水化活性有关。

图2是普通矿粉复合超细矿粉和硅灰对再生粗骨料混凝土抗折和劈拉强度的影响，可以看出它和图1出现了相同的趋势，都是在普通矿粉+超细矿粉体系中出现了最大值，而单掺普通矿粉和普通矿粉+硅粉体系对混凝土的力学性能影响不大，这也是由于超细矿粉的高水化活性和良好的填充性形成的。从复合的效果来看，在此取代率时，普通矿粉+超细矿粉胶凝体系具有更好的胶凝性。从数值关系上，再生粗骨料混凝土的折压强度比也是符合普通混凝土抗压强度和抗折强度关系的理论，这就为再生骨料混凝土的广泛使用和再生骨料混凝土破坏理论建立了基础。

3.2 粉煤灰复合试验及分析

在上图3中可以看出，在3d龄期，再生粗骨料混凝土抗压强度在不同胶凝体系下无明显差别；在28d龄期的时候粉煤灰+超细矿粉出现了较高的增长率，且强度比其他两者高；在56d龄期的时候，再生粗骨料混凝土的抗压强度趋向于一致，复合并没有表现出明显的优势。粉煤灰具有良好的形态效应、微集料效应和火山灰活性，可与水泥水化产物Ca（OH）2反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，而降低混凝土的碱度，大大改善再生粗骨料混凝土内的孔结构和界面过渡区结构，提高混凝土的密实性，但与普通矿粉相比胶凝性较差、活性较低，而在复合时，粉煤灰占较大的比例，因而复合矿物掺合料对再生粗骨料混凝土抗压强度的影响不大。

从图4粉煤灰复合掺合料对再生粗骨料混凝土抗折强度及劈拉强度的影响来看，复合并没有出现良好的效果，而且在粉煤灰复合超细矿粉和硅灰时，竟然出现了抗折强度和劈拉强度的下降，这就说明在混凝土中矿物掺合料复合的效果是有明显区别的。

3.3 对比分析

一般认为，界面过渡区的厚度范围大约距离骨料表面30μm以上，在这个区域内胶凝材料粒子堆积密度较低，Ca(OH)2定向排列，从而在界面区出现“边壁效应”，因此界面过渡区的孔隙率较大，形成混凝土的缺陷区。

有研究表明[8]，再生骨料混凝土内部由多种界面结构组成，各界面过渡区的厚度差异较大，界面过渡区内外的元素分布规律存在着较大的差异。水中和等[9]利用SEM、EPXM 和EDXA对老混凝土中骨料颗粒和水泥浆体界面过渡区进行了研究，发现老混凝土由于成熟度高，密实度高。ITZ内部和外部的水化产物组成存在一定的差别，表现在Ca、K和Fe 等元素富集于ITZ，而Si 元素在此区域的含量相对较低。

由于再生骨料混凝土中存在大量的不同类型的界面过渡区，因而其对再生骨料混凝土性能的影响较大。在再生粗骨料混凝土中加入矿物掺合料可以明显改善过渡区的结构，提高混凝土的性能，而由于不同矿物掺合料活性、颗粒形态有别，单掺一种掺合料可能达不到理想的性能，复合技术就显得很有必要。

从复合试验研究的结果来看，在此复合条件下，与普通矿粉复合的效果相比，粉煤灰复合并没有出现优势，这就说明在矿物掺合料复合时，有良好的选择性，要获得最佳经济效益和材料性能就要选取合适的矿物掺合料进行复合。

4 结论

1）矿物掺合料的加入可以提高再生粗骨料混凝土的力学性能。

2）两种矿物复合与单一矿物的掺入相比，可明显提高再生粗骨料混凝土的力学性能。

3）以普通矿粉和粉煤灰为主要掺合料复合时，对再生粗骨料混凝土的力学性能影响不同，以“普通矿粉+超细矿粉”效果最好。

[1]邓寿昌,张学兵等. 废弃混凝土再生利用的现状分析与研究展望[J].混凝土,2006(11):20-24.

[2]杜婷,李惠强,吴贤国.再生混凝土的研究现状及存在问题[J].建筑技术,2003(2).

[3]Kiyoshi Eguchi a, Kohji Teranishi b,*, Akira Nakagome. Application of recycled coarse aggregate by mixture to concrete construction[J]. Construction and Building Materials 21 (2007) 1542–1551.

[4]Xuping Li. Recycling and reuse of waste concrete in China Part II: Structural behavior of recycled aggregate concrete and engineering applications [J]. Resources, Conservation and Recycling 53 (2009) 107-112.

[5]Vivian W.Y. Tam. Comparing the implementation of concrete recycling in the Australian and Japanese construction industries[J]. Journal of Cleaner Production, 2009,17: 688-702.

[6]张雄,吴科如.矿物外加剂作用机理及其关键技术[J]. 同济大学学报(自然科学版)，2004(4).

[7]陈德玉,袁伟等.再生骨料取代率及矿物掺合料对混凝土力学性能的影响[J].粉煤灰综合利用，2009，（2）：14-17.

[8]魏鸿,凌天清.再生水泥混凝土界面过渡区的结构特性分析[J].重庆交通大学学报, 2008，（10）：709-712.

[9]水中和，万惠文.老混凝土中骨料—水泥界面过渡区（ITZ）（I）—元素与化合物在ITZ 的富集现象[J].武汉理工大学学报，2002(4):21-25.

*国家资助项目863课题编号:2009AA032301

崔素萍，女，1964年出生，工学博士，教授，博士生导师，现任北京工业大学材料学院副院长，无机非金属材料学科带头人。主要从事高性能水泥、生态建材方面的研究。主持国家科技支撑计划课题、“973”计划课题、北京市科委重大课题等科研工作，担任国家建材科教育专业委员会主任、中国硅酸盐学会水泥分会副理事长、中国水泥协会新型干法分会秘书长，《水泥》、《新世纪水泥导报》等杂志编委。2008年入选新世纪百千万人才工程北京市级人选。

[单位地址]北京市朝阳区平乐园100号北京工业大学材料学院315办公室（100124）