矿物掺和料对再生混凝土性能影响研究

陈少军

(永升建设集团有限公司, 新疆 克拉玛依 834000)

矿物掺和料对再生混凝土性能影响研究

陈少军

(永升建设集团有限公司, 新疆 克拉玛依 834000)

采用建筑物拆后经破碎处理的再生骨料，部分取代粗骨料制备了再生混凝土，探讨了粉煤灰、矿粉对再生混凝土抗压强度和抗氯离子渗透性能的影响。结果表明，粉煤灰可以改善再生混凝土的强度和渗透性；在矿粉掺量小于20%时，可以提高再生混凝土的抗压强度并改善其抗氯离子渗透性，但超过20%后，随矿粉掺量增多，再生混凝土抗压强度降低且抗氯离子渗透性变差；在相同掺量条件下，粉煤灰和矿粉复掺入再生混凝土时，其抗氯离子渗透性能比单掺时更好，且抗压强度也有所提高。

粉煤灰； 矿粉； 再生混凝土； 抗压强度； 抗氯离子渗透性

再生混凝土中的骨料是由建(构)筑废物中的混凝土、砂浆、石材、砖瓦等经破碎、筛分、清洗等加工处理而得来的[1]，将再生骨料应用于混凝土中应用于建筑结构工程中，不仅有利于人类生存环境的良性发展，在建筑废弃物资源化再利用方面具有特殊的重要意义，并且可以有效缓解砂石短缺问题，达到节能减排，保护生态环境，资源循环利用的目的。

近年，国内外关于再生混凝土的性能和矿物掺合料对再生混凝土的性能影响作了许多初步研究[2-4]。姜健[5]等人掺加硅灰、粉煤灰、钢纤维、聚丙烯纤维等对再生混凝土进行了不同处理方法的改性，研究其抗氯离子渗透性能。结果表明，当粉煤灰和硅灰以一定比例掺加在再生混凝土中时，其抗压强度有一定程度的提高；在掺入粉煤灰的同时，加入0.1%以下的钢纤维或聚丙烯纤维对再生混凝土改性，其抗氯离子渗透性能有较大提高。管小健[6]测试了粉煤灰、硅灰和矿渣、石屑、石粉等掺和料对再生混凝土抗压强度和抗氯离子渗透性能的影响，试验表明：掺加矿物掺和料可以明显改善再生混凝土的抗氯离子渗透性，粉煤灰和硅灰复掺入再生混凝土中，可以发挥其火山灰活性改善混凝土的性能；掺量小于5%的石粉可以提高再生混凝土的抗氯离子渗透性，但是过量的石屑会降低其渗透性能。基于以上研究，本文选择粉煤灰和矿粉作为掺和料，研究单掺和复掺情况下，再生混凝土的抗压强度和抗氯离子渗透性能的影响规律，为其进一步应用提供理论基础。

1 试验

1.1 原材料

1) 水泥。

水泥采用P·O42.5R水泥，其主要性能指标见表1，化学性能指标均满足GB175 — 2007《通用硅酸盐水泥》的要求。

表1 水泥的技术指标标准稠度/%凝结时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝终凝3d28d3d28d80μm筛余细度/%251802454.58.321.145.90.8

2) 集料。

细集料为河沙，颗粒级配、细度模数和杂质含量等满足JGJ52 — 2006《普通混凝土用砂石质量及检验方法标准》的要求。

天然粗骨料为碎石，再生粗骨料采用某拆建建筑物经机械破碎后得到的旧骨料，原生混凝土强度等级为C40，钻芯取样实测强度为35.3～41 MPa。不含木块、塑料等杂物，经人工筛分、分级后使用。具体生产工艺为：将混凝土结构物破碎后，筛分除去废料中的木块等杂物；采用破碎机进行一级破碎处理后清洗，筛分分离骨料；再进行二级破碎和筛分后得到粒径为4.75～9.5的再生骨料。再生粗骨料的表观密度、堆积密度、孔隙率和压碎指标等物理力学性能如表2所示。

3) 矿物掺和料。

表2 再生粗骨料物理性能名称吸水率/%压碎指标/%堆积密度/(g·cm-3)孔隙率/%表观密度/(g·cm-3)再生粗骨料4.6214.61.3843.112.57

粉煤灰：某电厂二级粉煤灰，45 μm方孔筛筛余细度为9.8%，需水量比为95%。

矿粉：比表面积为345 m2/kg，7 d活性指数67%，28 d活性指数97%。

4) 减水剂。

减水剂主要技术指标见表3，各性能满足GB/T8076 — 2008《混凝土外加剂》的技术要求。

表3 减水剂的性能指标%减水率泌水率比含气量270.32.5

1.2 试件制备及试验方法

再生骨料在破碎和筛分过程中受外力作用，不可避免地会产生裂隙，因此孔隙率较大，与天然骨料相比，需水量增多。同时，再生骨料具有棱角较多、表面粗糙、粒形较差等特点，以不同比例掺加在混凝土中会造成混凝土强度的变化，研究表明[7]，当再生骨料以85%的取代率掺加到混凝土中时，再生混凝土的力学性能最好，故试验中取新骨料：旧骨料为15∶85。其中矿物掺和料取代混凝土中部分水泥，试验具体因素水平设计见表4。

表4 再生混凝土各因素掺量编号粉煤灰掺量/%矿粉掺量/%编号粉煤灰掺量/%矿粉掺量/%1002503100415052006020703080409050102020

试件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，成型24 h后标准方法养护7 d和28 d后进行抗压强度和渗透系数的测定。混凝土抗压强度按照GB/T50081 — 2009《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，抗氯离子渗透性采用美国ASTMC1202[8]方法进行测试：在60 V外加电压下测试6 h内通过混凝土的电量表征混凝土的抗氯离子渗透性。

2 试验结果与分析

2.1 粉煤灰对再生混凝土抗压强度和抗氯离子渗透性的影响

研究表明[6]，再生混凝土的抗压强度远低于天然粗骨料的普通混凝土的抗压强度。由图1a可以看出，早期随粉煤灰掺量增加，再生混凝土的强度降低；当掺量超过10%后，随掺量增加，再生混凝土的抗压强度增大；28 d抗压强度和7 d抗压强度随粉煤灰掺量增加变化一致，在掺量为20%时抗压强度高于基准组。

粉煤灰由于火山灰活性效应，在水泥水化产物的激发下发生二次水化反应，生成大量的水化凝胶物质，改善了混凝土的内部结构，提高其强度。在加入粉煤灰后，其比表面积较小，需水量大，掺量较低时，水泥并不能水化完全，加之再生骨料具有多孔粗糙、吸水率高等特点，使再生混凝土的抗压强度降低，故粉煤灰掺加到再生混凝土中对混凝土强度提高的优势并没有完全发挥出来。

由图1b可看出，当粉煤灰掺量为5%时，再生混凝土的氯离子扩散系数较基准混凝土相比显著增大；随粉煤灰掺量增大，氯离子扩散系数显著降低，说明粉煤灰可提高再生混凝土的抗氯离子渗透性能。这是由于粉煤灰的火山灰活性效应，粉煤灰中含有的活性成分Al2O3和SiO2，能够和水泥水化产物中的碱性产物氢氧化钙发生二次水化反应，生成大量的水化铝酸盐，一方面减少过渡区氢氧化钙的含量，改善过渡区的性能；另一方面提高混凝土对氯离子的结合能力。同时，粉煤灰的填充效应可减少水泥水化硬化后的孔隙率，改善混凝土的微观结构，提高再生混凝土的抗氯离子渗透性能。

图1 粉煤灰掺量对再生混凝土抗压强度和抗氯离子渗透性的影响

2.2 矿粉对再生混凝土抗压强度和抗氯离子渗透性的影响

对比图1a和图2a可以看出再生混凝土中掺入矿粉，其28 d抗压强度较大，后期强度发展有利，而粉煤灰对早期强度发展有利。图2a显示，再生混凝土的抗压强度随矿粉的增加而降低，28 d的强度下降幅度最大。矿粉颗粒细度较高，需水量大，抑制水泥水化过程，而且矿粉活性较低，最终表现为使再生混凝土的抗压强度降低。

图2b显示，掺入矿粉使再生混凝土的氯离子渗透系数增大，抗氯离子渗透性能降低。在矿粉掺量小于20%时，随掺量增加，再生混凝土的抗氯离子渗透性能变好；矿粉掺量超过20%后，再生混凝土的氯离子渗透系数急剧增大，抗氯离子渗透性较差。故针对路面水泥混凝土而言，应控制矿粉掺量小于20%。

图2 矿粉掺量对再生混凝土抗压强度和抗氯离子渗透性的影响

2.3 复掺粉煤灰和矿粉对再生混凝土抗压强度和抗氯离子渗透性的影响

由图3和图4可以看出，与单掺粉煤灰或单掺矿粉相比，掺加粉煤灰和矿粉混合料的再生混凝土抗压强度增大，且抗氯离子渗透性能较好。即在相同掺量条件下，粉煤灰和矿粉复掺入再生混凝土对其性能的提高要优于单掺的效果。

图3 复掺粉煤灰和矿粉对再生混凝土抗压强度的影响

图4 复掺粉煤灰和矿粉对再生混凝土氯离子渗透系数的影响

再生混凝土中复掺粉煤灰和矿粉，粉煤灰的球形颗粒形貌和矿粉的微细颗粒之间形成互补叠加效应，更能发挥其润滑、填充、减水作用，改善新拌混凝土的工作性能，使混凝土结构更加密实，减小孔隙率，改善混凝土的孔结构，提高其抗压强度和抗氯离子渗透性；另一方面，粉煤灰和矿粉颗粒之间相互填充，改善再生混凝土的微观结构，更好地发挥粉煤灰的火山灰活性效应，在水泥水化产物的碱性激发下生成大量的水化产物凝胶，弥补矿物掺合料取代水泥后水化产物减少的影响，保证再生混凝土前期强度，维持其后期强度的持续发展。因此，复掺粉煤灰和矿粉可以大幅度地提高再生混凝土的力学性能和耐久性能。

3 结论

1) 粉煤灰可以改善再生混凝土的抗压强度和抗氯离子渗透性能。

2) 矿粉掺量小于20%时，可以提高再生混凝土的抗压强度并改善其抗氯离子渗透性；矿粉掺量超过20%后，随掺量增多，再生混凝土抗压强度降低且抗氯离子渗透性变差。

3) 在相同掺量的情况下，粉煤灰和矿粉复掺入再生混凝土时，其抗氯离子渗透性能比单掺时更好，且抗压强度也有所提高。

[1] 王武祥, 刘立, 尚礼忠, 等. 再生混凝土集料的研究[J]. 混凝土与水泥制品, 2001 (4): 9-12.

[2] 吴相豪, 焦延涛. 粉煤灰对再生混凝土氯离子渗透性的影响[J]. 混凝土, 2011 (2): 72-74.

[3] 饶志明, 吴相豪, 花丽君. 再生粗集料影响混凝土抗氯离子渗透性能试验研究[J]. 粉煤灰, 2014 (3): 18-19.

[4] Ann K Y, Moon H Y, Kim Y B, et al. Durability of recycled aggregate concrete using pozzolanic materials[J]. Waste Management, 2008, 28(6): 993-999.

[5] 姜健, 徐惠, 唐轶繁. 矿物掺合料对再生混凝土抗氯离子渗透性研究[J]. 科技通报, 2015,31(3): 88-92.

[6] 管小健.掺和料、石粉及石屑对再生混凝土抗压强度及抗氯离子渗透性能影响研究[J].新型建筑材料,2016, 43(3):16-19.

[7] 王瑞燕,吴国雄,郭鹏.路面透水水泥混凝土性能研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2009,28(4):698-701.

[8] ASTM C1202-97，Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penertration[S].

2016-09-21

陈少军( 1982-) ，男，工程师，研究方向: 公路工程。

1008-844X(2017)01-0080-04

U 414

B