矿物掺合料再生骨料混凝土的力学及耐高温性质研究

尹晓娟

（山西工程科技职业大学，山西 晋中 030619）

社会的发展消耗了大量的自然资源,为了保护自然资源和满足工程建设的需求，需要对混凝土材料进行再生利用。但再生骨料混凝土有强度低、耐久性差、易碳化等缺点[1]。因此需要对再生骨料混凝土进行改性，矿物成分就是最常用的改性材料。

研究表明,一定掺量的粉煤灰可以提高混凝土的强度和耐久性，降低再生骨料混凝土的徐变[2-3]；利用纳米碳酸钙和纳米二氧化硅对再生骨料混凝土的改性研究表明，纳米二氧化硅能够很好地改善再生骨料混凝土的微观结构,提高其抗压强度、抗拉强度和冲击强度；相比之下纳米碳酸钙对强度的增强作用较弱[4-6]。此外，许多国内外的学者也对硅粉[7]、铁尾矿砂[8]、镍铁渣[9]和飞灰[10]等对再生骨料混凝土基本特性的影响进行了研究，结果证明了这些矿物成分对再生骨料混凝土的力学、耐久性以及微观结构均有较为明显的影响。

综上可知，目前矿物成分对再生骨料混凝土的研究工作大部分集中于硅粉、飞灰、铁渣和矿渣等对再生骨料混凝土的强度以及微观结构影响方面；但对矿物成分的掺入方法对再生骨料混凝土基本特性以及矿物成分改性再生骨料混凝土的耐高温特性的影响较为缺乏。因此本文利用飞灰、镍铁渣（简称铁渣）以及稻壳灰通过添加和替代的方式对再生骨料混凝土进行改性，并对改性后的再生骨料混凝土进行耐高温性能测试；以获得不同矿物成分和不同掺入方法对再生骨料混凝土基本特性的影响规律。

1 实验材料和实验方法

1.1 实验材料

实验所用的胶凝材料为42.5#普通硅酸盐水泥，水泥的密度为3.15 g/cm3，飞灰的密度为2.31 g/cm3，铁渣的密度为 2.57 g/cm3，稻壳灰的密度为2.43 g/cm3。水泥和矿物掺合料的XRF 测试结果见表1。

表1 材料的化学成分/%Table 1 Chemical composition of the material

天然细骨料为河砂；天然粗骨料为破碎的大理石，再生粗骨料是对旧混凝土进行破碎、筛分和清洗后获得的；天然粗骨料和再生粗骨料的最大粒径均为20 mm。天然细骨料、天然粗骨料和再生粗骨料的基本性质见表2。

表2 骨料的物理性质Table 2 Physical properties of aggregate

1.2 配合比设计和试样制备

本实验所采用的水灰比为0.45；为研究矿物掺合料和再生粗骨料对混凝土基本特性的影响，利用100%天然粗骨料制备了混凝土试样作为对照组；其他的试样则采用100%的再生粗骨料进行制备。同时，为了分析矿物掺合料的掺量以及掺入方式对混凝土强度以及耐高温的特性的影响规律，本研究采用直接添加法和替代水泥法两种方式进行矿物成分的掺入，添加和替代比例均设置为0%、5%、10% 和15%。具体的试样分组和配合比见表3。其中，NC 为对照组、RC 为再生骨料混凝土；S、F 和H 分别代表铁渣、飞灰和稻壳灰；S 和A 则分别代表替代和添加矿物掺合料。

表3 试样分组及混凝土配合比/(kg·m-3)Table 3 Grouping of samples and concrete mix ratio

根据表3 配合比对材料称量和搭配，然后进行混合搅拌；充分搅拌之后进行分批浇筑和养护。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T 50081—2016》，试样为150 mm×150 mm×150 mm 的标准立方体。需要注意的是，在浇筑过程中须对试样进行振捣，以保证试样均匀密实。在浇筑24 h 后，进行脱模、编号；并放入标准养护环境（20±3℃和相对湿度 90%以上）下养护28 d。

1.3 实验方法

为了研究矿物掺合料对混凝土在常温下以及高温后基本特性的影响，在养护28 d 之后将部分试样放入马弗炉中进行100、200 和400℃的高温处理；炉子的平均升温速率为5℃/min，达到目标温度后持续保持温度2 h。然后，缓慢冷却到室温后对其进行密度、超声波速和抗压强度测试；通过与常温环境下的实验结果相比获得矿物成分对混凝土耐高温特性的影响规律。

抗压强度测试采用RMT -201 岩石与混凝土力学实验机，实验步骤参照《GB/T 50081—2016 普通混凝土力学性能试验方法标准》进行；实验的加载速度设置为0.5 MPa/s，每种试样均进行三次测试，取三次测试的平均值为最终结果。

2 实验结果

2.1 混凝土的密度

参照《GBT 50081—2019 混凝土物理力学性能试验方法标准》对混凝土进行密度测试，不同试样在不同温度下的密度结果见图1。从图1 可以看出，所有试样的密度均低于对照组，且温度越高，试样的密度值越低。

图1 掺量对混凝土密度的影响Fig.1 Effect of mixing amount on concrete density

同时，随着温度和矿物掺量的变化，不同试样密度的变化规律也有所不同。对比结果可知，在常温和100℃环境下，试样的密度随着矿物成分的掺量增大而稍有下降；且密度均大于2200 kg/m3。但是，当温度达到200℃和400℃时，试样的密度随着矿物成分掺量的增加出了明显的下降。在200℃时，RC-F-S、RC-F-A 以及RC-H-S试样的密度随着矿物含量的增加先减后增，在10%时达到密度的较小值。在400℃时，RC-FS、RC-F-A 以及RC-H-A 试样的密度也随着矿物含量的增加先减后增，在5%时就达到较小值；其他的试样则持续降低；且部分试样的密度已经低于2000 kg/m3。此外，对比替代和添加试样的密度可知，采用添加法制备的试样的密度稍大于替代法制备的试样密度。

试样密度随着温度的变化规律见图2，采用再生骨料制备的混凝土的密度明显低于对照组试样，RC-0% 的密度较NC 平均降低了8.7%。此外，所有试样的密度均随着温度的升高逐渐降低，当温度达到400℃时，掺入铁渣、飞灰和稻壳灰试样的密度分别平均降低了12.95%、11.77%和12.33%，均大于对照组试样的密度降低率（7.74%）和RC-0%的密度降低率（11.4%）。相比之下，从23℃到100℃的密度降低较小，掺入铁渣、飞灰和稻壳灰试样的密度分别平均降低了0.61%、0.56% 和0.45%；而从100℃到200℃的密度降低最为明显，此时上述三种试样的密度分别降低了8.52%、8.53%和9.43%。这可能是因为当温度从 100℃增加到200℃时，毛细水和结合水发生了挥发。

图2 温度对混凝土密度的影响Fig.2 Effect of temperature on the density of concrete

对比三种不同矿物成分的混凝土密度变化规律还可以看出，在温度较低（≤100℃）时，三种试样的密度变化差别较小；但当温度达到200℃时，含稻壳灰试样的密度降低率大于铁渣和飞灰改性试样的密度降低率；铁渣和飞灰改性试样的密度变化率基本相同。当温度达到400℃时，含铁渣试样的密度降低率较大，稻壳灰改性试样的密度降低率次之；飞灰改性试样的密度降低率较小。

2.2 混凝土的抗压强度

混凝土抗压强度随着矿物成分含量的变化规律见图3。

在不同温度下，试样的密度均随着矿物成分含量的增加先增加后减少。在常温下，采用替代法制备的试样的强度在掺量为5%时达到较大值，而采用添加法制备的试样的强度在10%时才达到较大值，且RC-SA>RC-H-A>RC-F-A，见图3a。在100℃下也有相同的结果，但是此时RC-S-A 试样的抗压强度大于对照组试样的强度，见图3b。这说明100℃有利于混凝土强度的增大，且采用替代法时的较佳掺量为5%，此时三种矿物成分改性试样的抗压强度较大值分别为45.2 MPa、43.2 MPa 和44.8 MPa；采用添加法时的较佳掺量为10%，此时试样的抗压强度较大值分别为52.4 MPa、46.1 MPa 和47.9 MPa，这表明添加法更有利于提高再生骨料混凝土的强度。当温度较高(≥200℃)时，高温处理后试样的抗压强度出了明显的下降且低于对照组试样的抗压强度，见图3c 和3d。

图3 掺量对混凝土强度的影响Fig.3 Effect of mixing amount on concrete strength

试样的强度随着温度的变化规律见图4。相比于RC-0%试样，掺入矿物掺合料之后试样的抗压强度均有所增长，且试样的抗压强度随着温度的升高呈先增加后减少的现象，在100℃时较大，在400℃时较小。一般而言，在经受400℃高温后，NC、RC-0%、飞灰、铁渣和稻壳灰改性再生骨料混凝土的抗压强度分别平均降低47.5%、56.2%、49.3%、59.2%和59.6%，这表明飞灰对再生骨料混凝土的耐高温性能较为有利，铁渣次之，稻壳灰较差。相比之下，以添加法掺入矿物掺合料时，试样的强度较替代法制备的试样的强度高；尤其是在100℃时；但当温度达到400℃时，两种方法制备的试样的残余强度差别较小。

图4 温度对混凝土强度的影响Fig.4 Effect of temperature on the strength of concrete

2.3 超声波速 (UPV)

超声脉冲在再生骨料混凝土中的传播速度测量结果见图5。

与温度对抗压强度和密度的影响类似，随着温度的升高，试样的超声波速不断下降。不同的是，飞灰改性混凝土的超声波速处于NC 和RC-0%之间，见图5a；铁渣改性混凝土的超声波速大部分在RC-0%试样之下，见图5b；而稻壳灰改性混凝土的超声波速大部分处于NC 和RC-0%之间，见图5c；这表明试样内超声波的传播速度为：含飞灰试样>含稻壳灰试样>含铁渣试样。实验数据也可以证明这一点，飞灰改性试样在100℃、200℃和400℃时的超声波速平均值分别为：3966.3、3531.8 和2486 m/s。在相同的温度条件下，稻壳灰和铁渣改性试样的超声波速平均值分别为3899、3199.8 和2235.3 m/s；3772.8、2791.3和2177.4 m/s。从图5 还可以发现，采用添加法制备的试样的超声脉冲传播速度稍高于同样条件下采用替代法制备的试样的超声波速，这与密度和强度结果相一致。

图5 温度对混凝土超声波速的影响Fig.5 Effect of ultrasonic wave velocity on the strength of concrete

2.4 混凝土的弹性模量

试样在不同温度和不同掺量下的弹性模量测定结果见图6；为了显示出矿物成分对再生骨料混凝土弹性模量的影响，在此利用RC-0%试样的弹性模型对其他试样进行归一化处理得出相对于RC-0%的相对弹性模量。由于不同温度下的结果基本相同，在此只展示了23℃和400℃下的测量结果。

从图6 可以看出，在不同温度下，试样的相对弹性模量随着矿物掺量的增加先增后减，在5%时达到较大值。同时，两种矿物成分掺入方法的试样的实验结果表明在常温和高温下，添加法比替代法能更有效地提高再生骨料混凝土的弹性模量。对比三种矿物成分改性的试样可知在常温和添加条件下，飞灰、铁渣和稻壳灰改性试样的较大相对弹性模量分别为134.9%、114%和123%，见图6a，这表明飞灰对试样弹性模量的增强效果较大，稻壳灰次之，铁渣则较小；在400℃下也呈相同的规律，见图6b。

图6 掺量对混凝土相对弹性模量的影响Fig.6 Effect of mixing amount on relative elastic modulus of concrete

2.5 相关性分析

混凝土各个物理与力学参数之间具有一定的相关性，为此本文对密度-强度、密度-弹性模量、超声波速-强度和超声波速-弹性模量间的相关关系进行了分析。

不同温度和掺入方法下混凝土密度和强度之间的关系见图7。对比四种条件下的结果可以发现，在23℃和替代法时，密度和抗压强度间的相关性较好，三种试样的R均大于0.86，见图7a。而在其他条件下，密度和抗压强度间的相关性较差。在400℃时，替代法制备的试样的密度与抗压强度之间也具有更好的相关性，见图7c。在采用添加法时，二者之间几乎不存明显的相关性。此外，图7b、7c 和7d 中还出现了拟合线直线斜率为负的现象，根据对飞灰对试样密度和强度的结果进行分析，添加不同比例的飞灰时，试样的密度十分接近，且飞灰含量越高强度越低，这就导致了密度与强度间的负相关关系。

图7 混凝土密度与强度间的关系Fig.7 Relationship between the density and strength of concrete

常温下混凝土密度和弹性模量之间的关系见图8。由于不同温度下的结果类似，只展示23℃下的结果。采用替代法时，RC-S-R 试样的密度与弹性模量间的线性相关性较好，R值为0.912；RC-H-R 次之，而RC-F-R 试样的密度与弹性模量间的线性相关性较差，见图8a；采用添加法时，除了飞灰改性试样外，其他两种试样的密度与弹性模量之间的相关性较弱。

图8 混凝土的密度与弹性模量间的关系Fig.8 Relationship between density and elasticity modulus of concrete

常温下混凝土超声波速和强度之间的关系见图9。密度与强度和密度与弹性模量相关的结果，在采用替代法时超声波速与弹性模量间的相关性更好；而在采用添加法时，超声波速与抗压强度间的相关关系具有较大的离散性，其中R较大为0.7675，较小为0.4167。这表明在采用超声波速进行矿物成分改性再生骨料混凝土强度预测时，需要考虑矿物成分的种类以及矿物成分的添加方法；对替代法制备的试样比较适用，而对添加法制备的试样就需谨慎。

图9 超声波速与强度间的关系Fig.9 Rrelationship between ultrasonic wave velocity and intensity

常温下混凝土超声波速与弹性模量之间的关系见图10。整体而言，两种矿物成分添加方法制备的试样的超声波速与弹性模量间具有一定的相关性，但不同试样的超声波速与弹性模量间的相关性具有明显的离散性。同时，不同与抗压强度与密度、抗压强度与超声波速以及密度与弹性模量的相关性变化规律，添加法制备的混凝土的超声波速与弹性模量间的相关性稍好于替代法制备的试样的相关性。

图10 超声波速与弹性模量间的关系Fig.10 Relationship between ultrasonic wave velocity and elastic modulus

3 结论

（1）再生骨料和高温的作用都致使混凝土密度下降；相比与添加法，采用替代法进行试样制备更有利于降低试样的密度。

（2）试样的抗压强度均随着掺合料含量的增加先增后减，基于此得出采用替代法和添加法时外掺料的较优掺量分别为5%和10%；但均小于对照组试样的抗压强度。随着温度的升高抗压强度也是先增后减，且在100℃时，RC-S10%-A 试样的抗压强度达到52 MPa，大于对照组试样的抗压强度(50.2 MPa)。对再生骨料混凝土耐高温性能的贡献飞灰较大，铁渣次之，稻壳灰较差。此外，添加法比替代法更有利于提高试样的强度。

（3）随着温度的升高，试样内的超声波速不断下降。试样内超声波的传播速度下降顺序为：含飞灰试样>含稻壳灰试样>含铁渣试样；且添加法试样的超声波速度高于替代法试样的超声波速；但均小于对照组试样的超声波速。

（4）相对弹性模量随着掺合料掺量的增加先增后减，在掺量为5%时较大；且添加法比替代法能更有效地提高再生骨料混凝土的弹性模量。

（5）采用替代法时，密度与抗压强度、密度与弹性模量以及超声波速与抗压强度间的相关性较好；而采用添加法时，上述参数之间的相关性较差。