超細(xì)微粉對(duì)再生骨料混凝土性能的影響

王浩 楊魯 譚鹽賓 李林香 葛昕 鄭永杰

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)混凝土材料的需求量空前龐大，但天然骨料資源逐漸匱乏，這導(dǎo)致了供需矛盾。再生骨料是指舊建筑物拆除后的廢棄混凝土，經(jīng)過(guò)分揀、破碎、加工得到的一種環(huán)保材料［1］。再生骨料作為新建構(gòu)筑物混凝土的骨料，不僅可以解決天然骨料資源短缺的問(wèn)題，還能解決因大量建筑垃圾導(dǎo)致的堆放占地、環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)建筑垃圾全年總排放量驚人，約為35 億t［2］，合理地利用建筑垃圾成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。采用再生骨料制備的混凝土力學(xué)性能會(huì)有不同程度的降低，抗凍性、抗碳化能力等耐久性能較差［3］。針對(duì)上述問(wèn)題，研究人員對(duì)再生骨料進(jìn)行改性，趙訓(xùn)等［4］以礦渣微粉漿液、水玻璃溶液和聚乙烯醇溶液為主要原料，按不同比例配制出再生骨料改性劑，探究了不同配合比的改性劑對(duì)再生骨料飽和吸水率和壓碎指標(biāo)的影響，并確定了改性劑最佳配合比。Akbarnezhad 等［5］采用高功率微波去除再生骨料表面的舊砂漿，利用黏附的砂漿和骨料電磁特性的差異，在砂漿與天然骨料的界面處產(chǎn)生高熱應(yīng)力使得砂漿層剝落，但骨料內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，溫度場(chǎng)過(guò)高會(huì)對(duì)骨料強(qiáng)度造成損失。Ismail等［6］通過(guò)用不同濃度的酸溶液浸泡再生骨料，去除表面的舊砂漿，發(fā)現(xiàn)力學(xué)性能得到很好的改善。

經(jīng)檢測(cè)可知，再生粗骨料的吸水率及吸水速率遠(yuǎn)大于天然骨料，這導(dǎo)致了再生骨料混凝土的工作性能降低，不利于混凝土泵送和澆筑。微波法、酸溶液浸泡等優(yōu)化骨料的方法工藝復(fù)雜，成本較高，無(wú)法大規(guī)模推廣使用。此外，研究人員對(duì)再生骨料混凝土泵送性能研究甚少。

本文通過(guò)在再生骨料中摻加硅灰和玻璃微珠，系統(tǒng)地研究這2 種超細(xì)微粉對(duì)再生骨料混凝土泵送性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響，并通過(guò)壓汞法測(cè)試硬化混凝土的孔結(jié)構(gòu)，以期對(duì)再生骨料的應(yīng)用有一定的指導(dǎo)作用。

1 原材料及混凝土配合比

1.1 原材料

1）水泥：北京金隅集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O 42.5級(jí)水泥。

2）石子：再生粗骨料，北京都市綠源環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的粒徑為5～20 mm 的骨料，基本性能見(jiàn)表1。

3）砂：天然河砂，表觀(guān)密度2 590 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.5。

4）粉煤灰：唐山市浩冉商貿(mào)有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰。

5）硅灰：甘肅三遠(yuǎn)硅材料有限公司生產(chǎn)。

6）玻璃微珠：深圳道特科技有限公司生產(chǎn)。

7）外加劑：河北三楷深發(fā)科技股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑。

1.2 混凝土配合比

本試驗(yàn)研究摻加硅灰和玻璃微珠對(duì)再生骨料混凝土性能的影響?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，具體配合比見(jiàn)表2。其中，新拌混凝土坍落度為160～180 mm，含氣量為4%～5%。

表2 混凝土配合比 kg·/m-3

2 試驗(yàn)方案

2.1 新拌混凝土泵送性能測(cè)試

新拌混凝土進(jìn)行泵送時(shí)，骨料向管道中心移動(dòng)，形成一個(gè)“塞”，而管道內(nèi)壁形成容易變形的潤(rùn)滑層，從而大大降低了所需的泵送壓力，如圖1 所示。通常有2 種方式影響泵送過(guò)程，即“塞”內(nèi)的作用力傳遞以及管道壁面潤(rùn)滑層的剪切行為。

圖1 混凝土泵送過(guò)程的“塞”流示意

混凝土泵送性能使用德國(guó)Schleibinger 公司生產(chǎn)的滑管式流變儀評(píng)價(jià)，并通過(guò)混凝土潤(rùn)滑界面層的流變參數(shù)和預(yù)測(cè)泵送壓力曲線(xiàn)表征?；苁搅髯儨y(cè)試儀的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其原理為：在滑管中裝入混凝土拌和物插搗密實(shí)，上下移動(dòng)滑管5～10 次使混凝土與管壁之間形成潤(rùn)滑層；然后提起滑管，在滑管上套加重環(huán)，讓滑管自由落下，同時(shí)在下部活塞頂端測(cè)試壓力（P）和滑管落下速率（換算為流量Q）。通過(guò)調(diào)整不同配重，使滑管以不同速率落下，即可得到2組以上P和Q的值。

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圖2 滑管式流變測(cè)試儀

測(cè)試時(shí)忽略混凝土自重，同時(shí)假設(shè)P和Q有線(xiàn)性關(guān)系P=A+BQ，則有［7］

式中：a為潤(rùn)滑界面層的屈服應(yīng)力；b為界面層的有效黏度；A，B分別為直線(xiàn)P=A+BQ的截距和斜率；d和l分別為滑管的直徑和長(zhǎng)度，d=0.126 m，l=0.5 m。

在Schleibinger 公司編寫(xiě)的Sliper Tester 應(yīng)用程序中輸入泵送管道直徑、泵送高程、混凝土密度及泵送距離，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图纯蓪?duì)混凝土泵送壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)。本試驗(yàn)測(cè)試得到泵送性能預(yù)測(cè)參數(shù)：混凝土密度為2 455 kg/m3，泵送管道直徑為0.126 m，泵送高程為0，泵送距離分別為50，100，200 m。

2.2 硬化混凝土性能測(cè)試

混凝土抗壓強(qiáng)度參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，電通量和抗凍性能參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的測(cè)試方法。

2.3 硬化混凝土孔結(jié)構(gòu)測(cè)試

本試驗(yàn)選用Micromeritics 公司的Auto Pore IV 9520 型壓汞儀測(cè)試混凝土孔結(jié)構(gòu)特征。選取養(yǎng)護(hù)齡期為3 d 和56 d 混凝土中的砂漿試塊，并浸泡在無(wú)水乙醇中以終止水化，隨后放入真空干燥箱在60 ℃下烘干（不少于4 d），冷卻后置于密封袋中防止空氣碳化，測(cè)試水泥砂漿試塊的孔結(jié)構(gòu)。

3 硅灰和玻璃微珠對(duì)再生骨料混凝土的影響

3.1 泵送性能

新拌混凝土RAT-100，RA-SF，RA-WZ的工作性能和泵送性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，再生骨科混凝土泵送壓力預(yù)測(cè)曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

由表3可知，硅灰和玻璃微珠的摻加能顯著降低新拌混凝土潤(rùn)滑界面層的有效黏度，其中混凝土RA-SF有效黏度為1 554.6 Pa·s/mm，較混凝土RAT-100 降低了31.2%；混凝土RA-WZ有效黏度為1 385.0 Pa·s/mm，較混凝土RAT-100降低了38.8%?？梢?jiàn)，摻加硅灰和玻璃微珠均能提高再生骨料混凝土的泵送性能，且玻璃微珠的降黏效果優(yōu)于硅灰。

表3 新拌混凝土工作性能和泵送性能測(cè)試結(jié)果

圖3 再生骨料混凝土泵送壓力預(yù)測(cè)曲線(xiàn)

由圖3可知，當(dāng)混凝土流量和泵送距離相同時(shí)，混凝土RA-SF，RA-WZ 的泵送壓力明顯比混凝土RAT-100 低，其中混凝土RA-WZ 的泵送壓力最小。原因可能是：玻璃微珠的微結(jié)構(gòu)呈光澤球形顆粒，可以起到“軸承”或“滾珠”作用，減小粒子間摩擦力，進(jìn)而降低了混凝土拌和物的黏度［8-9］。此外，由于硅灰和玻璃微珠的平均粒徑均小于水泥和粉煤灰顆粒，用硅灰或玻璃微珠替代部分粉煤灰時(shí)，使得漿體堆積密度增加，在相同用水量下，它們的引入能部分替換原空隙中的拌和水，使之轉(zhuǎn)化為自由水，增加了包裹骨料漿體膜厚度，有效減少新拌混凝土漿體的塑性黏度［10］。雖然硅灰的微結(jié)構(gòu)也含有大量光滑球體，但它的粒徑很小，使得其比表面積遠(yuǎn)大于玻璃微珠，造成混凝土需水量有所增加，當(dāng)混凝土拌和水用量不變時(shí)使得混凝土潤(rùn)滑界面層黏度較大。

3.2 抗壓強(qiáng)度

不同配合比再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖4。可知：硅灰和玻璃微珠的摻加均不同程度地提高混凝土抗壓強(qiáng)度。齡期90 d 時(shí)，混凝土RA-SF 抗壓強(qiáng)度為58.4 MPa，較混凝土RAT-100 提高了11.6%；混凝土RA-WZ抗壓強(qiáng)度為55.6 MPa，較混凝土RAT-100提高了7.8%。摻加硅灰的再生粗骨料混凝土抗壓強(qiáng)度大于摻加玻璃微珠的混凝土。摻加硅灰和玻璃微珠彌補(bǔ)了使用再生骨料降低混凝土抗壓強(qiáng)度的不足。

圖4 不同配合比再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度

3.3 電通量和抗凍性能

不同配合比再生骨料混凝土電通量見(jiàn)圖5?？芍汗杌液筒Ａ⒅榈膿郊语@著降低了混凝土的電通量。28 d 齡期時(shí)，混凝土RA-SF 電通量為771.5 C，較混凝土RAT-100降低了54.3%；混凝土RA-WZ電通量為1 012.3 C，較混凝土RAT-100降低了40.1%。

圖5 不同配合比再生骨料混凝土電通量

不同配合比再生骨料混凝土抗凍性能見(jiàn)圖6。可知：混凝土RA-SF，RA-WZ經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量明顯高于混凝土RAT-100。

圖6 不同配合比再生骨料混凝土抗凍性能

摻加了硅灰和玻璃微珠的再生骨料混凝土耐久性均得到提高，且摻加硅灰的混凝土密實(shí)度（通過(guò)電通量表征）和抗凍性能均高于摻加玻璃微珠的混凝土。為了探究硅灰和玻璃微珠能夠提高混凝土耐久性的原因，須進(jìn)一步研究硅灰和玻璃微珠對(duì)硬化水泥漿體孔結(jié)構(gòu)的影響。

3.4 再生骨料混凝土孔結(jié)構(gòu)

采用壓汞法分別測(cè)試齡期為3 d 和56 d 再生骨料混凝土的孔結(jié)構(gòu)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4和圖7。

表4 不同齡期再生骨料混凝土孔結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果

圖7 超細(xì)微粉對(duì)硬化混凝土孔徑分布的影響

由表4可知：隨著齡期增加，混凝土孔隙率和平均孔徑呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)；硅灰和玻璃微珠的摻加均能降低硬化混凝土的孔隙率和平均孔徑；混凝土RA-SF 孔隙率和平均孔徑均小于混凝土RA-WZ。

由圖7 可知：硅灰和玻璃微珠的摻加均可改善混凝土孔結(jié)構(gòu)，使得小于100 nm 的微孔比例提高；硅灰細(xì)化混凝土孔結(jié)構(gòu)的能力優(yōu)于玻璃微珠，使得混凝土RA-SF 小于100 nm 的微孔比例更高，且孔隙率和平均孔徑更小。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：

1）硅灰中無(wú)定型SiO2與水泥水化產(chǎn)物CH 結(jié)合，生成穩(wěn)定的低堿C-S-H 凝膠，這種C-S-H 凝膠較無(wú)硅灰時(shí)更緊湊，硅灰的摻加使得硬化水泥漿體的大孔被小孔所取代，從而使得硬化混凝土的孔隙率下降，結(jié)構(gòu)的密實(shí)度提高。

2）硅灰顆粒及其水化產(chǎn)物起著填充作用，改善了硬化水泥石界面過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)；硅灰顆粒及其水化產(chǎn)物還能填充于再生骨料內(nèi)部的毛細(xì)孔及大孔中，將粗大的毛細(xì)通道全部阻塞或部分阻塞，從而形成更為致密的骨料-膠凝材料體系，使得硬化混凝土更為密實(shí)［11］。

4 結(jié)論

1）在再生骨料混凝土中摻加適量硅灰和玻璃微珠，均能提高混凝土泵送性能、力學(xué)性能和耐久性能，其中摻加玻璃微珠的混凝土拌和物泵送性能優(yōu)于摻加硅灰的，而硅灰對(duì)硬化混凝土力學(xué)性能和耐久性能的提升效果優(yōu)于玻璃微珠。

2）硅灰和玻璃微珠的摻加均能改善混凝土孔結(jié)構(gòu)，降低混凝土孔隙率和平均孔徑，使得硬化混凝土密實(shí)度增加。

3）摻加硅灰的混凝土孔結(jié)構(gòu)優(yōu)于摻加玻璃微珠的混凝土，使得摻加硅灰的混凝土密實(shí)度更高。