添加摻合料后再生混凝土的改性試驗(yàn)研究

劉喜平， 喬宇航

(陜西理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

混凝土材料是人類文明建設(shè)中不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著世界范圍內(nèi)城市化進(jìn)程不斷加快,混凝土材料的人均消費(fèi)量越來越大,使用傳統(tǒng)的建筑材料帶來的資源過度開采和環(huán)境污染越來越顯著。再生混凝土作為一種新型綠色環(huán)保材料，它的研究發(fā)展已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。但再生混凝土與普通混凝土相比，由于再生集料自身的復(fù)雜性、變異性，導(dǎo)致兩種混凝土的基本性能相差較大，使得再生骨料混凝土的應(yīng)用受到很多限制，若要發(fā)展再生混凝土，必須對(duì)其進(jìn)行性能改進(jìn)研究。相比國外很多國家，如日本、美國、荷蘭、丹麥、德國、俄羅斯，我國在再生混凝土的研究方面起步較晚，當(dāng)前國內(nèi)針對(duì)再生混凝土改性研究的現(xiàn)狀大多集中在不同再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土的工作性能和力學(xué)性能的影響，以及再生混凝土的耐久性、彈性模量、極限拉伸值、拉壓比和鋼管再生混凝土力學(xué)性能和設(shè)計(jì)方法等[1-2]。所以本試驗(yàn)重點(diǎn)研究當(dāng)再生混凝土中添加一些摻合料，如粉煤灰、礦粉及硅粉替代部分水泥用量后對(duì)再生混凝土的工作性能和力學(xué)性能的改變狀況，對(duì)于克服再生混凝土較普通混凝土性能方面的一些不足進(jìn)行改進(jìn)，為工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件與材料

本試驗(yàn)全程在陜西理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院建材實(shí)驗(yàn)室完成。

試驗(yàn)主要內(nèi)容包括：再生粗骨料物理性能測試，觀測再生混凝土拌合物在添加不同摻合料后工作性能的變化狀況，以及由其制作的試件在經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后其抗壓強(qiáng)度的測試值及受壓過程的破壞形態(tài)變化情況。

試驗(yàn)材料主要包括再生混凝土粗骨料、水泥、天然細(xì)骨料、粉煤灰、礦粉、硅粉、減水劑、水，其中再生粗骨料為陜西理工大學(xué)建材實(shí)驗(yàn)室用于測試混凝土抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度后的混凝土梁經(jīng)人工破碎、人工除雜、人工篩分制成，粒徑范圍為4.75～31.5 mm；水泥為漢中市漢江水泥廠生產(chǎn)的中材牌普通硅酸鹽水泥P.O42.5；天然細(xì)骨料為當(dāng)?shù)氐臐h江河砂(屬于中砂)；粉煤灰、礦粉、減水劑都由當(dāng)?shù)厣唐坊炷翑嚢枵咎峁?其中礦粉屬于S75級(jí)別)；硅粉為西安霖源微硅粉有限公司提供,平均粒度0.1～0.15 μm；實(shí)驗(yàn)拌和用水來自實(shí)驗(yàn)室的自來水。

1.2 添加摻合料的再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)

鑒于目前再生混凝土還沒有統(tǒng)一的配合比設(shè)計(jì)規(guī)范，本試驗(yàn)采用天然骨料混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法，按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55—2011)[3]進(jìn)行。設(shè)計(jì)要求用100%的再生骨料配制再生混凝土，其中除了正常的混凝土拌和材料外，在每組拌合物中需要再分別添加粉煤灰、礦粉和硅粉，用選定的摻合料替代部分水泥量加入，而其中這3種摻合料的用量是根據(jù)文獻(xiàn)[4-10]中查閱得出的研究人員認(rèn)為普通混凝土中比較合理的摻入量而確定的，其中：普通減水劑的適宜摻量為0.2%～0.3%，減水率在10%左右；硅粉的合適取代率在20%～40%之間，試驗(yàn)分別選用30%和40%的硅粉取代水泥；粉煤灰取代水泥最適合的取代率為25%～45%，試驗(yàn)選用30%和40%的粉煤灰取代水泥；礦粉取代水泥最適合的取代率為30%～50%，試驗(yàn)選用35%和45%的礦粉取代水泥。根據(jù)普通混凝土配比原則，在計(jì)算各種材料的用量中用到的數(shù)據(jù)有：坍落度值范圍選定為10～30 mm；水灰比共確定0.4,0.5,0.6三組；再生混凝土表觀密度取2400 kg/m3[11]。拌和用水量考慮再生骨料的高吸水性，分兩部分組成，一部分是按照普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法計(jì)算出的用水量，稱為拌合水，這部分水完成水泥的水化反應(yīng)；另一部分水不參與水泥的水化反應(yīng)，其作用是補(bǔ)償再生粗骨料的高吸水量，稱為附加水。附加用水量為再生骨料的吸水率乘以再生骨料用量，本試驗(yàn)再生骨料吸水率選定為試驗(yàn)當(dāng)時(shí)自然狀態(tài)下測定的24 h的飽和吸水率，而非烘干狀態(tài)下的吸水率取為2%。

根據(jù)研究需要，最終確定了21組配比方案，其中100%再生粗骨料和水泥配制的混凝土，根據(jù)水灰比的不同共設(shè)計(jì)3組，而粉煤灰、礦粉、硅粉以不同的取代率分別取代水泥與再生粗骨料配制的混凝土，在水灰比同上的基礎(chǔ)上，各取6組數(shù)據(jù)。各組混凝土試塊的配比和編號(hào)情況具體見表1所示。

1.3 再生混凝土試塊的制作、養(yǎng)護(hù)及試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)共做150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊21組，每組3塊，共計(jì)63個(gè)，具體編號(hào)和材料配比情況見表1。各組混凝土試塊均采用人工攪拌，標(biāo)準(zhǔn)鋼模成型，人工振搗密實(shí)，24 h拆模，在溫度(20±2) ℃，相對(duì)濕度>95%的標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d。試驗(yàn)中采用坍落度筒法測試新拌再生混凝土的流動(dòng)性，用觀察法判斷其保水性和黏聚性；試塊裝模完成及拆模結(jié)束時(shí)稱量了各試塊的質(zhì)量；按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T50081—2002)[12]進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備為液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)，最大壓力值為1000 kN。強(qiáng)度測試按照11.25～18 kN/s的加荷速度加載,直至試樣破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 添加不同摻合料后再生混凝土的工作性能變化規(guī)律

通過以上試驗(yàn)可以看出，再生混凝土、摻有粉煤灰(適量)的再生混凝土、摻有礦粉的再生混凝土和摻有硅粉(含有減水劑)的再生混凝土的工作性能變化是有一定差異的,其基本規(guī)律如下。

2.1.1 添加粉煤灰后再生混凝土的工作性能變化規(guī)律

當(dāng)不添加任何外加劑時(shí)，再生混凝土?xí)S著水灰比的增大，其黏聚性和保水性明顯下降，同時(shí)塌落度值(即流動(dòng)性)也隨著水灰比的增大而減小。而向再生混凝土中添加適量的粉煤灰后，再生混凝土的流動(dòng)性和保水性明顯提高，但對(duì)新拌再生混凝土的黏聚性影響不大?？傮w而言，適量的粉煤灰添加到再生混凝土中可明顯改善新拌再生混凝土的工作性能。

表1 添加摻合料的再生混凝土試塊的配合條件、工作性能、28 d抗壓強(qiáng)度

注：無1—無3代表不同水灰比時(shí)無摻合料的再生混凝土;粉1—粉6代表不同水灰比下，單獨(dú)添加粉煤灰，且粉煤灰取代水泥量不同時(shí)的再生混凝土；礦1—礦6代表不同水灰比下，單獨(dú)添加礦粉，且礦粉取代水泥量不同時(shí)的再生混凝土；硅1—硅6代表不同水灰比下，單獨(dú)添加硅粉和減水劑，且硅粉取代水泥量不同時(shí)的再生混凝土。

2.1.2 添加礦粉后再生混凝土的工作性能變化規(guī)律

摻有礦粉的再生混凝土的流動(dòng)性隨著水灰比的增大而減小，這與再生混凝土和添加粉煤灰的再生混凝土的流動(dòng)性變化性規(guī)律一致。但在較高的水灰比下，摻有礦粉的再生混凝土的黏聚性和保水性明顯改善。同時(shí)，在相同的水灰比下，礦粉取代率較高的再生混凝土的流動(dòng)性較強(qiáng)。總之，礦粉可以提高再生混凝土的流動(dòng)性，同時(shí)，在較高的水灰比下，摻有礦粉的再生混凝土的黏聚性和保水性均有所提高。

2.1.3 添加硅粉(含有減水劑)后再生混凝土的工作性能變化規(guī)律

試驗(yàn)顯示：摻有硅粉(含有減水劑)的再生混凝土，當(dāng)硅粉取代率相同時(shí)，流動(dòng)性隨著水灰比的變化幾乎不變，無變化規(guī)律可尋；但當(dāng)水灰比相同時(shí)，摻有硅粉(含有減水劑)的再生混凝土的流動(dòng)性卻會(huì)隨著硅粉的取代率減小而大幅增大，這說明硅粉的摻入量過大不但不能提高再生混凝土的流動(dòng)性，反而會(huì)降低其流動(dòng)性。這與摻有粉煤灰(適量)的再生混凝土和摻有礦粉的再生混凝土的趨勢相反。另外，摻有硅粉(含有減水劑)的再生混凝土的黏聚性和保水性相對(duì)于再生混凝土的黏聚性和保水性有所提高。

2.2 添加不同摻合料后再生混凝土的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律和破壞形態(tài)比較

2.2.1 抗壓性能比較

影響混凝土強(qiáng)度的因素很多，主要包括三個(gè)方面，從原材料方面主要表現(xiàn)為水泥強(qiáng)度，水灰比，集料的種類、質(zhì)量和數(shù)量，外加劑和摻合料；從生產(chǎn)工藝方面主要包括施工條件(如攪拌和振搗)和養(yǎng)護(hù)條件以及齡期；第三個(gè)方面為試驗(yàn)因素，包括試件形狀尺寸、表面狀態(tài)、含水程度和加載速度等。鑒于本試驗(yàn)中試驗(yàn)因素和生產(chǎn)工藝完全相同，原材料中水泥強(qiáng)度，集料的種類、質(zhì)量相同，所以最終再生混凝土強(qiáng)度的區(qū)別主要體現(xiàn)在水灰比和摻合料種類的不同上，因此將表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總之后，得到表2中添加不同摻合料后，不同水灰比下不同種類再生混凝土的抗壓強(qiáng)度比較值。

表2 不同水灰比下各類再生混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比表

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著水灰比的增加，摻入粉煤灰(適量)和礦粉的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度同無摻合料的再生混凝土抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律相同，都呈現(xiàn)出減小的趨勢，這也與普通混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律一致。而摻有硅粉(含有減水劑)的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度卻隨著水灰比的增大而增加；粉煤灰的添加不能提高再生混凝土的抗壓強(qiáng)度，而且在水灰比相同的條件下，基本上呈現(xiàn)出添加的數(shù)量越多，強(qiáng)度下降越大的趨勢。

添加適量的礦粉得到的再生混凝土的強(qiáng)度變化規(guī)律如下：當(dāng)水灰比較小時(shí)(如0.4)，添加礦粉后，混凝土的強(qiáng)度值會(huì)下降；而當(dāng)水灰比較大時(shí)(如0.5和0.6)，添加礦粉后再生混凝土的強(qiáng)度值明顯升高，且替代量越多，強(qiáng)度增大越多。這充分說明礦粉其實(shí)可以提高再生混凝土的強(qiáng)度，但在用量上一定要把握適度，當(dāng)水灰比為0.5，而替代率為0.45左右時(shí)效果最好，其他配比下再生混凝土強(qiáng)度改善不明顯。

添加適量的硅粉(含有減水劑)得到的再生混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律如下：當(dāng)水灰比較小時(shí)(如0.4)，添加硅粉后，混凝土的強(qiáng)度值會(huì)下降，且替代量越大，強(qiáng)度值越低；而當(dāng)水灰比較大時(shí)(如0.5和0.6)，添加硅粉后再生混凝土的強(qiáng)度值明顯升高，且替代量越少，強(qiáng)度增大越多。如當(dāng)取代率為40%的硅粉再生混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了大約70%，取代率為30%的硅粉再生混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了大約一倍。綜上所述，當(dāng)水灰比較大時(shí)，添加有減水劑的硅粉可以大幅度提高再生混凝土的強(qiáng)度。這充分說明硅粉在水泥水化過程中參加了反應(yīng)，可能是硅粉中的SiO2與水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成了新的更為致密的水化硅酸鈣凝膠，填充了水泥顆粒之間的空隙，改善了再生混凝土的界面結(jié)構(gòu)，以及提高了水泥砂漿和再生粗骨料之間的黏結(jié)力，從而提高了再生混凝土的抗壓強(qiáng)度。但要想提高混凝土的強(qiáng)度，硅粉的添加量也不可太多。

總體而言，添加礦粉和硅粉后的再生混凝土在水灰比較小時(shí)，無法提高其強(qiáng)度，但水灰比較大時(shí)，強(qiáng)度明顯能夠提高，且在水灰比相同時(shí)添加硅粉比添加礦粉提高混凝土強(qiáng)度的幅度更明顯。

2.2.2 試塊抗壓時(shí)破壞形態(tài)比較

普通混凝土受力破壞一般出現(xiàn)在粗骨料和水泥石的分界面上，主要原因是水泥砂漿和粗骨料的彈性模量值相差較大,由于荷載的作用、水泥水化反應(yīng)和溫濕度的變化導(dǎo)致二者變形不一致,從而產(chǎn)生了界面裂縫,成為混凝土最容易破壞的地方，同時(shí)也是混凝土強(qiáng)度的最薄弱環(huán)節(jié)，這就是常見的黏結(jié)面破壞形式。另外，當(dāng)水泥石的強(qiáng)度太低時(shí)，也有可能出現(xiàn)水泥石本身破壞，這也是常見的破壞形式。

而對(duì)于再生混凝土而言,由于再生粗骨料表面被水泥砂漿包裹著,使得再生粗骨料與新的水泥砂漿之間彈性模量相差減小,黏結(jié)力和界面結(jié)合能力有所提高。同時(shí),再生粗骨料的吸水性較強(qiáng),許多微小裂縫吸入新的水泥顆粒,使其水化反應(yīng)更加完全,形成更加致密的界面結(jié)構(gòu)，使得黏結(jié)力和界面結(jié)合有所加強(qiáng),從而在一定程度上補(bǔ)償由于再生粗骨料強(qiáng)度較低而導(dǎo)致的再生混凝土強(qiáng)度不足的缺陷。另外，由于再生粗骨料表面附著大量的已經(jīng)凝結(jié)的水泥砂漿，從而使得再生粗骨料的表面粗糙度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天然骨料的表面粗糙度。又由于在人工破碎過程中，部分石子因受力而導(dǎo)致開裂，使得再生粗骨料的表面粗糙度相對(duì)于天然粗骨料的表面粗糙度又有所提高，這也增加了棱角效應(yīng)。眾多現(xiàn)象分析可知，再生粗骨料的性能對(duì)于提高再生混凝土的強(qiáng)度是有利的。

抗壓試驗(yàn)過程顯示：再生混凝土的破壞形態(tài)與普通混凝土的破壞形態(tài)相比并不存在任何差異，也屬于黏結(jié)面破壞形式，試塊破壞后均為殘存的棱錐體。而摻有粉煤灰(適量)、礦粉、硅粉(含有減水劑)的再生混凝土的破壞形態(tài)與再生混凝土的破壞形態(tài)也完全相同，仍屬于黏結(jié)面破壞形式。圖1為再生混凝土抗壓試驗(yàn)過程中拍攝的破壞形態(tài)。由此可見，再生混凝土粗骨料的本身強(qiáng)度還是比較大的，而想提高再生混凝土抗壓強(qiáng)度，必須保證再生混凝土中粗骨料和水泥漿的良好結(jié)合。

(a) 無外摻料 (b) 摻有粉煤灰 (c) 摻有礦粉 (d) 摻有硅粉圖1 各種再生混凝土的抗壓破壞形態(tài)

3 結(jié) 論

通過對(duì)添加摻合料后的再生混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1)在再生混凝土中添加粉煤灰，其主要目的是改善再生混凝土的工作性能，具體為提高新拌再生混凝土的流動(dòng)性和保水性。

(2)與無摻合料的再生混凝土工作性能相比，礦粉的添加可以提高再生混凝土的流動(dòng)性，且流動(dòng)性會(huì)隨著水灰比的增大而減??；在相同的水灰比下，礦粉取代率較高的再生混凝土的流動(dòng)性較強(qiáng)。

與無摻合料的再生混凝土抗壓強(qiáng)度相比，當(dāng)水灰比較小時(shí)(如0.4)，添加礦粉后混凝土的強(qiáng)度值會(huì)下降；而當(dāng)水灰比較大時(shí)(如0.5和0.6)，添加礦粉后再生混凝土的強(qiáng)度值明顯升高，且替代量越多，強(qiáng)度增大越多。

(3)與無摻合料的再生混凝土工作性能相比，硅粉的添加可以提高再生混凝土的黏聚性和保水性；當(dāng)水灰比相同時(shí)，摻有硅粉(含有減水劑)的再生混凝土的流動(dòng)性會(huì)隨著硅粉的取代率減小而增大。

與無摻合料的再生混凝土抗壓強(qiáng)度相比，當(dāng)水灰比較小時(shí)(如0.4)，添加硅粉后再生混凝土的強(qiáng)度值會(huì)下降；而當(dāng)水灰比較大時(shí)(如0.5和0.6)，添加硅粉后再生混凝土的強(qiáng)度值明顯升高。

(4)再生混凝土，摻有粉煤灰(適量)、礦粉、硅粉(含有減水劑)的再生混凝土，普通混凝土的抗壓破壞形態(tài)基本相同，均屬于黏結(jié)面破壞形式。

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