礦物摻合料復合對再生粗骨料混凝土力學性能的影響*

崔素萍，杜鑫

(北京工業(yè)大學材料科學與工程學院，北京 100124)

礦物摻合料復合對再生粗骨料混凝土力學性能的影響*

崔素萍，杜鑫

(北京工業(yè)大學材料科學與工程學院，北京 100124)

礦物摻合料是混凝土的重要組成部分，可以改善混凝土諸多性能。以普通礦粉和粉煤灰為主要摻合料復合其他礦物，研究礦物復合作用對再生粗骨料混凝土力學性能的影響。結果表明，兩種礦物復合具有一定的疊加作用，“普通礦粉+超細礦粉”的復合對再生粗骨料混凝土的力學性能提高較明顯。

礦物摻合料復合；再生粗骨料混凝土

隨著我國建筑業(yè)的快速發(fā)展，砂石的需求量也越來越大，據有關資料顯示[1,2]，我國每年需要粗細集料約10億t，這就需大量地開山采石和掘地淘沙，嚴重破壞生態(tài)環(huán)境。而大量產生的廢棄混凝土也急需處理，國內外眾多學者研究認為[3-5]，用廢棄混凝土做再生骨料是可行的。

粉煤灰、礦粉、硅灰等礦物摻合料具有良好的性能，在混凝土中使用已經很普遍[6]。由于再生骨料與天然骨料在性能上存在差異，要使得再生骨料混凝土性能更加優(yōu)異就必須加入一定量的摻合料，但是單摻一種摻合料還是摻入復合摻合料所獲得的再生骨料混凝土的綜合性能和經濟效益哪個最好，還不好確定。本文就以粉煤灰、普通礦粉為基本摻合料，然后摻入一定比例的超細礦粉和硅灰，研究復合摻合料對再生粗骨料混凝土力學性能的影響。

1 試驗原料

水泥： P·052.5硅酸鹽水泥。

普通礦粉： S95級礦粉。

粉煤灰：Ⅱ級灰。

硅灰：微硅粉，SiO2>95%。

再生粗骨料：5～25mm連續(xù)級配，符合《混凝土用再生骨料》GB/T2517-2010的要求。

天然細骨料：天然細骨料是符合《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》JGJ52—2006要求的細度模數為3.1的中粗河砂。

減水劑：高效聚羧酸減水劑。

2 試驗方案

表1 礦物摻合料化學成分XRF分析 %

表2 普通礦粉復合試驗

表3 粉煤灰復合試驗

1）以水泥+普通礦粉、水泥+粉煤灰為基礎膠凝材料；

2）超細礦粉和硅灰以相同的取代率與普通礦粉、粉煤灰復合作為膠凝材料，其化學成分見表1。

3）標準養(yǎng)護28d，測定再生粗骨料混凝土的抗壓、抗折、劈裂抗拉強度。

4）礦物摻合料復合配合比見表2和表3。

3 試驗結果及分析

表4 再生粗骨料混凝土力學性能

3.1 普通礦粉復合試驗及分析

從圖1和表4的試驗結果中可以看出，在相同的齡期時，再生粗骨料混凝土摻復合礦物摻合料的強度比摻一種（礦粉）摻合料的強度大，而且在普通礦粉+超細礦粉膠凝體系中，表現(xiàn)出更好的抗壓性能。這主要是由于普通礦粉做礦物摻合料時，其在混凝土中雖然也有微集料和火山灰效應，但是當有更細的顆粒填充時，混凝土更加密實。超細礦粉和硅灰都具有很大的比表面積，在水泥水化形成Ca(OH)2的堿性環(huán)境下，更容易激發(fā)其火山灰性，而生成水化硅酸鈣類物質，且在不同的膠凝體系中，礦物摻合料在界面過渡區(qū)的反應程度和水化結構不同，因而與超細礦粉和硅灰復合的效果也不同[7]。以不同齡期來看再生粗骨料混凝土的強度，在不同膠凝體系下，隨著齡期的增加，其強度逐步增大，但增長率不同，后期強度增長率變化較小，這主要和礦物摻合料的水化活性有關。

圖2是普通礦粉復合超細礦粉和硅灰對再生粗骨料混凝土抗折和劈拉強度的影響，可以看出它和圖1出現(xiàn)了相同的趨勢，都是在普通礦粉+超細礦粉體系中出現(xiàn)了最大值，而單摻普通礦粉和普通礦粉+硅粉體系對混凝土的力學性能影響不大，這也是由于超細礦粉的高水化活性和良好的填充性形成的。從復合的效果來看，在此取代率時，普通礦粉+超細礦粉膠凝體系具有更好的膠凝性。從數值關系上，再生粗骨料混凝土的折壓強度比也是符合普通混凝土抗壓強度和抗折強度關系的理論，這就為再生骨料混凝土的廣泛使用和再生骨料混凝土破壞理論建立了基礎。

3.2 粉煤灰復合試驗及分析

在上圖3中可以看出，在3d齡期，再生粗骨料混凝土抗壓強度在不同膠凝體系下無明顯差別；在28d齡期的時候粉煤灰+超細礦粉出現(xiàn)了較高的增長率，且強度比其他兩者高；在56d齡期的時候，再生粗骨料混凝土的抗壓強度趨向于一致，復合并沒有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。粉煤灰具有良好的形態(tài)效應、微集料效應和火山灰活性，可與水泥水化產物Ca（OH）2反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，而降低混凝土的堿度，大大改善再生粗骨料混凝土內的孔結構和界面過渡區(qū)結構，提高混凝土的密實性，但與普通礦粉相比膠凝性較差、活性較低，而在復合時，粉煤灰占較大的比例，因而復合礦物摻合料對再生粗骨料混凝土抗壓強度的影響不大。

從圖4粉煤灰復合摻合料對再生粗骨料混凝土抗折強度及劈拉強度的影響來看，復合并沒有出現(xiàn)良好的效果，而且在粉煤灰復合超細礦粉和硅灰時，竟然出現(xiàn)了抗折強度和劈拉強度的下降，這就說明在混凝土中礦物摻合料復合的效果是有明顯區(qū)別的。

3.3 對比分析

一般認為，界面過渡區(qū)的厚度范圍大約距離骨料表面30μm以上，在這個區(qū)域內膠凝材料粒子堆積密度較低，Ca(OH)2定向排列，從而在界面區(qū)出現(xiàn)“邊壁效應”，因此界面過渡區(qū)的孔隙率較大，形成混凝土的缺陷區(qū)。

有研究表明[8]，再生骨料混凝土內部由多種界面結構組成，各界面過渡區(qū)的厚度差異較大，界面過渡區(qū)內外的元素分布規(guī)律存在著較大的差異。水中和等[9]利用SEM、EPXM 和EDXA對老混凝土中骨料顆粒和水泥漿體界面過渡區(qū)進行了研究，發(fā)現(xiàn)老混凝土由于成熟度高，密實度高。ITZ內部和外部的水化產物組成存在一定的差別，表現(xiàn)在Ca、K和Fe 等元素富集于ITZ，而Si 元素在此區(qū)域的含量相對較低。

由于再生骨料混凝土中存在大量的不同類型的界面過渡區(qū)，因而其對再生骨料混凝土性能的影響較大。在再生粗骨料混凝土中加入礦物摻合料可以明顯改善過渡區(qū)的結構，提高混凝土的性能，而由于不同礦物摻合料活性、顆粒形態(tài)有別，單摻一種摻合料可能達不到理想的性能，復合技術就顯得很有必要。

從復合試驗研究的結果來看，在此復合條件下，與普通礦粉復合的效果相比，粉煤灰復合并沒有出現(xiàn)優(yōu)勢，這就說明在礦物摻合料復合時，有良好的選擇性，要獲得最佳經濟效益和材料性能就要選取合適的礦物摻合料進行復合。

4 結論

1）礦物摻合料的加入可以提高再生粗骨料混凝土的力學性能。

2）兩種礦物復合與單一礦物的摻入相比，可明顯提高再生粗骨料混凝土的力學性能。

3）以普通礦粉和粉煤灰為主要摻合料復合時，對再生粗骨料混凝土的力學性能影響不同，以“普通礦粉+超細礦粉”效果最好。

[1]鄧壽昌,張學兵等. 廢棄混凝土再生利用的現(xiàn)狀分析與研究展望[J].混凝土,2006(11):20-24.

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[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]張雄,吳科如.礦物外加劑作用機理及其關鍵技術[J]. 同濟大學學報(自然科學版)，2004(4).

[7]陳德玉,袁偉等.再生骨料取代率及礦物摻合料對混凝土力學性能的影響[J].粉煤灰綜合利用，2009，（2）：14-17.

[8]魏鴻,凌天清.再生水泥混凝土界面過渡區(qū)的結構特性分析[J].重慶交通大學學報, 2008，（10）：709-712.

[9]水中和，萬惠文.老混凝土中骨料—水泥界面過渡區(qū)（ITZ）（I）—元素與化合物在ITZ 的富集現(xiàn)象[J].武漢理工大學學報，2002(4):21-25.

*國家資助項目863課題編號:2009AA032301

崔素萍，女，1964年出生，工學博士，教授，博士生導師，現(xiàn)任北京工業(yè)大學材料學院副院長，無機非金屬材料學科帶頭人。主要從事高性能水泥、生態(tài)建材方面的研究。主持國家科技支撐計劃課題、“973”計劃課題、北京市科委重大課題等科研工作，擔任國家建材科教育專業(yè)委員會主任、中國硅酸鹽學會水泥分會副理事長、中國水泥協(xié)會新型干法分會秘書長，《水泥》、《新世紀水泥導報》等雜志編委。2008年入選新世紀百千萬人才工程北京市級人選。

[單位地址]北京市朝陽區(qū)平樂園100號北京工業(yè)大學材料學院315辦公室（100124）