粉煤灰对再生混凝土力学性能影响的试验研究

苏彩丽 邢晓飞

（1.开封大学，河南 开封 475004；

2.开封市建筑固体废弃物再生利用技术重点试验室，河南 开封 475004）

随着城市建设发展，拆除旧建筑物出现大量建筑垃圾，建筑垃圾资源化利用问题受到广泛关注。粉煤灰是一种固体工业废弃物，常作为一种矿物掺和料加入混凝土拌合料中。粉煤灰具有良好活性，表面呈圆球状，细度相对水泥较小，能够填充到水泥颗粒之间，提高水泥颗粒密实度，具有一定的级配作用。加入粉煤灰能改变混凝土强度、和易性等性能。本文通过试验方法，筛选破碎的建筑垃圾作为骨料，掺入粉煤灰，研究再生骨料混凝土强度等性能，为建筑垃圾资源化利用提供参考。

1 试验方案

1.1 原材料

1.1.1 水泥

水泥采用开封市孟电P·O42.5R普通硅酸盐水泥，相关技术性质见表1。

表1 水泥技术性质

1.1.2 粉煤灰

开封市火电厂生产的Ⅱ级粉煤灰密度为2.34g/cm3，比表面积为 5 124cm3/g。

1.1.3 再生骨料

破碎、筛选开封市建筑垃圾，最终选用粒径级配5～10mm粒径作为再生骨料。相关技术参数见表2。

表2 再生骨料技术性质

1.2 强化处理再生骨料

再生骨料具有棱角多、外围包裹一层水泥砂浆、有较多内部裂纹、强度较低等特点。本研究中，强化骨料主要运用水泥浆涂覆法。该方法首先制备水灰比为2∶1的水泥净浆，将水泥浆涂覆在破碎、筛选好的再生骨料表面，充分搅拌后，每颗再生骨料表面都会有一层水泥浆薄层。此时，将再生骨料放入试验盘中，自然风干，24h后再进行混凝土拌和与试验。其原理是水泥浆填充再生骨料表面的微裂缝，使再生骨料更加坚固，提高其自身强度，降低新拌混凝土吸水量，最终得以提高新拌混凝土强度。

试验结果表明，骨料强化处理后搅拌的再生混凝土强度明显高于未强化骨料拌和的混凝土。

1.3 试验设计

由于再生骨料吸水率较高，进行初始混凝土设计时，需适当提高用水量，并采用一定方式强化处理再生骨料，以保证混凝土强度。本研究设计若干组对比试验，设计水灰比分别为0.2、0.25、0.3，粉煤灰掺量分别为0%、5%、10%、15%、20%。具体配合比设计见表3。

表3 透水混凝土配合比设计

2 试验结果与分析

2.1 试验过程

强化处理再生骨料后，搅拌机内先加入再生粗骨料、天然砂和一半用水量搅拌30s，再加入水泥、粉煤灰及剩余设计用水搅拌 120s，搅拌混凝土后制作150mm×150mm×150mm标准试件，每组制作3个立方体试件，进行28d标准养护，采用万能试验机测出其抗压强度。

再生混凝土标准立方体抗压强度试验依照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）的相关要求进行。

2.2 再生混凝土试件的破坏形态

再生混凝土试块在荷载作用下，裂缝从内向外扩展。试块两端首次出现平行于受压方向的裂纹，继续增加荷载，微裂纹扩展为通长裂缝，试件破坏。再生混凝土试件破坏与普通混凝土试件破坏不同之处在于普通混凝土试块破坏主要发生在骨料与水泥砂浆界面，而再生混凝土破坏发生在再生骨料与水泥砂浆界面，或由再生粗骨料断裂引起。原因在于破碎过程中，再生骨料内部会产生不规则裂纹，即使经过强化其抗压性也低于天然石子。

2.3 不同水胶比对再生骨料混凝土的影响

混凝土试件在标准养护室养护28d后，运用压力试验机测其抗压强度。不同水胶比混凝土强度见图1。

图1 混凝土强度与水胶比关系

通过上图发现，混凝土强度随水胶比增大而逐渐减小，其变化基本符合线性变化。由直线相互关系可知，当粉煤灰掺量为10%左右时，再生骨料混凝土强度大于普通再生混凝土强度。当粉煤灰掺量较小时，加入粉煤灰，可明显提高再生骨料混凝土强度。

水胶比对再生混凝土与普通混凝土强度影响类似，都随水胶比增大，混凝土28d 标准立方体抗压强度减小，可以说混凝土强度主要由水胶比决定。其作用机理是胶凝材料与混凝土骨料混合搅拌后，包裹在骨料外表面，胶凝材料与水产生一系列物理化学反应，分散骨料初凝后，粘结成一个整体，经过养护，可塑性浆体凝成有强度的块体。增加胶凝材料可有效提高再生混凝土粘聚性和整体性，保证混凝土和易性前提下，水胶比越小，混凝土抗压强度越高。

2.4 粉煤灰对再生骨料混凝土的影响

粉煤灰是常见的混凝土矿物掺合料，将其加入混凝土很大程度改变了混凝土各项性能。不同粉煤灰掺量与混凝土强度关系如图2。

图2 不同粉煤灰掺量对再生骨料混凝土强度影响

通过上图可知，小掺量粉煤灰（0%～15%）会显著提高混凝土强度，掺量达到10%～15%时，混凝土强度最大。当粉煤灰掺量超过20%时，混凝土强度将会减小。出现此现象原因是粉煤灰中包含大量活性二氧化硅（玻璃体SiO2）和活性三氧化二铝 （玻璃体Al2O3），这些活性成分在Ca（OH）2碱性条件下能产生水化作用，生成水化硅酸钙、钙矾石，提高水泥石密实度，从而提高混凝土强度。随着增加粉煤灰掺量，主要胶凝材料水泥含量减小，导致骨料与骨料连接面强度薄弱。同时，粉煤灰中没有完全燃烧的碳会吸附大量水分，降低水泥的水化反应和粉煤灰反应所需要的碱性环境，影响混凝土强度。

3 结论

水胶比是影响再生骨料混凝土强度的主要因素，与普通混凝土变化规律基本一致。当粉煤灰掺量、水胶比相同情况下，再生混凝土强度大于无矿物掺合料混凝土。掺有粉煤灰的再生骨料混凝土，其强度随粉煤灰掺量增加而先增大后减小。粉煤灰掺量在10%～15%时，混凝土强度达到最高值。