基于多尺度的礦物摻合料對再生混凝土性能的影響研究

莫益楊 文敬澤 鄧珊珊

摘要：在整理閱讀國內(nèi)外礦物摻合料對再生混凝土的影響相關(guān)研究后，我們發(fā)現(xiàn)依然有一些值得深入研究的地方。比如對于大摻量礦物摻合料對再生砼耐久性影響，礦物摻合料對再生混凝土的改性，大多僅考慮了小摻量，對于大摻量（30%以上）礦物摻合料對再生混凝土耐久性的研究依然存在較多爭議。要將其應(yīng)用于實際工程，還需要開展大量的研究;再如通過研究可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究大多停留于單摻，未考慮雙摻、多摻的情況，未考慮多種礦物摻合料復(fù)合效應(yīng)對再生混凝土的影響。本次研究將通過試驗研究與機(jī)理分析結(jié)合的方式，研究再生粗骨料、礦物摻合料對再生砼抗壓強(qiáng)度、抗氯離子滲透性、抗凍性的影響，尋求粉煤灰、礦渣粉的最佳配比。

關(guān)鍵詞：摻合料;再生砼;抗壓強(qiáng)度;抗氯離子滲透性;抗凍性

一、文獻(xiàn)述評

通過國內(nèi)外關(guān)于再生砼力學(xué)性能、耐久性能的研究現(xiàn)狀，目前國內(nèi)外學(xué)者針對礦物摻合料對再生砼抗氯鹽侵蝕及抗凍性的影響已經(jīng)展開了研究，并取得了一系列研究成果，尤其是單摻礦物摻合料對再生砼力學(xué)性能的影響。但總體來說還不夠深入，部分問題存在較大爭議。本次研究將通過試驗研究與機(jī)理分析結(jié)合的方式，研究再生粗骨料、礦物摻合料對再生混凝土抗壓強(qiáng)度、抗氯離子滲透性、抗凍性的影響，尋求粉煤灰、礦渣粉的最佳配比。

二、項目研究的目的

（1）通過對有關(guān)建材的有關(guān)原理的探討，綜述了目前已有的有關(guān)礦物摻和料在再生砼中的影響機(jī)制方面的研究結(jié)果。

（2）探索提高再生砼機(jī)械性質(zhì)、提高其多界面組織和提高界面交界處的性質(zhì)，進(jìn)而提高其機(jī)械和耐久性。為促進(jìn)建筑工程中使用再生砼具有一定的借鑒意義。

（3）比較和分析了影響再生砼耐用性（主要是抗凍性能、抗?jié)B透性能）的主要因素，探討了在再生砼中加入摻合料、控制再生骨料摻合比例等方法，可有效地改善再生砼的耐用性，為進(jìn)一步開展再生砼的耐用性和工程使用奠定基礎(chǔ)。

三、礦物摻合料對再生混凝土影響的研究

（1）礦物摻合料對再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

粉煤灰、硅灰和礦渣是當(dāng)今工程中使用最多的一種新型無機(jī)外加劑。粉煤灰是一種表面比較平滑的球形硅-鋁質(zhì)玻璃體，它的粒度特性對水泥砂漿的使用和用量有所幫助，而粉煤灰的火山灰作用可以使其在水泥中的孔結(jié)構(gòu)得到改進(jìn)（Hamdy K，2016）。

硅灰粉是鋼鐵生產(chǎn)中的一種工業(yè)廢棄物，在混合料中添加一定數(shù)量的減水劑，以確保其工作狀態(tài)。實驗結(jié)果顯示，適當(dāng)加入硅灰粉可以顯著地改善水泥砂漿的力學(xué)性能（李源等，2014）。

與粉煤灰、硅灰等不同，對粉煤灰的認(rèn)識相對滯后。結(jié)果顯示，在特定的摻量下，在水泥中加入適量的礦渣，能顯著地改善后期的強(qiáng)度，而初期的強(qiáng)度不會顯著下降。

劉康寧等，2018，通過16個組份256個含50%粗集料的混合混合材料進(jìn)行了對比實驗，結(jié)果顯示：在單一摻入劑中，隨著摻入量的增大，水泥砂漿在不同年齡階段的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

（2）礦物摻合料對再生混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響

水泥砂漿的耐氯堿腐蝕特性主要是防止氯離子透過孔隙進(jìn)入到水泥中。結(jié)果顯示：用粉煤灰可明顯提高再生砼的耐鹽性。

王彩文（2009）通過試驗觀察了水泥中加入粉煤灰對水泥基的耐氯性的作用，結(jié)果表明：在水泥用量低于40%時，水泥砂漿的耐氯性下降;加入比例大于40%后，其耐鹽堿腐蝕性能下降;

（3）礦物摻合料對再生混凝土抗凍性能的影響

另外，關(guān)于水泥砂漿和水泥混合添加劑對水泥砂漿的抗凍融作用的研究，也有很大的爭論。Yamura?（2008）進(jìn)行了實驗，結(jié)果表明：加入礦物摻和和引氣后，對再生砼的抗凍性沒有明顯的提高，?Salem?（2003）等則提出了與之不同的觀點，即加入適當(dāng)?shù)牡V物摻和和引氣劑可以提高其抗凍融能力。

為了進(jìn)一步提高再生砼的抗凍性能，我國已開展了大量的實驗。通過對水泥砂漿的大量實驗和計算結(jié)果的分析，說明了采用引氣劑可以提高再生砼的抗凍性能（譚銀灰等，2015）。摻入引氣后，其抗凍性能可與同等摻量的普通砼相比（張雷順等，2015）。

（4）文獻(xiàn)述評

近年來，隨著對混凝土力學(xué)性能和耐久性能的不斷深入，國內(nèi)外有關(guān)專家們也在不斷地進(jìn)行著有關(guān)礦物摻和劑在混凝土中的抗腐蝕性能和抗凍性能的研究，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的工作。但是，從整體上看，并沒有足夠的深度，有些問題也有很大的爭論。

本文通過對國內(nèi)外有關(guān)對再生砼進(jìn)行改性的研究，得出了目前尚有許多有待進(jìn)一步探索的問題。例如，關(guān)于高摻量的礦物摻合劑對再生砼的耐用性的影響，目前已有的有關(guān)礦物摻加物的研究大都只涉及少量的礦物摻合劑，而高摻（30%）的摻加材料用于再生砼的耐用性問題仍是眾說紛紜。在工程實踐中要進(jìn)行大量的實驗和實踐;又從目前的情況來看，目前有關(guān)的研究大都局限于單一摻雜水平，沒有將二次摻雜問題納入其中;在多次摻入時，沒有充分地反映出不同的混合作用對再生砼的作用。本文采用實驗和機(jī)制分析相結(jié)合的方法，對再生粗集料進(jìn)行了深入的探討;礦渣與粉煤灰混合料對壓強(qiáng)度、抗氯離子滲透性能及抗凍性的研究。

四、本研究達(dá)到的科學(xué)技術(shù)水平和預(yù)期社會經(jīng)濟(jì)效益

本文采用實驗和機(jī)械分析相結(jié)合的方法，對再生粗集料進(jìn)行了有限元數(shù)值仿真;利用礦物添加劑對再生砼的抗壓性能進(jìn)行了研究。研究了粉煤灰與礦渣粉之間的最佳配合比例。這項試驗的特定好處是：

（1）將礦物外加劑與再生集料組合起來，可以將二者的優(yōu)點結(jié)合起來，達(dá)到相輔相成的效果，從而達(dá)到提高其工作性能、機(jī)械性能和耐久性的目的，從而提高其壽命的目的。

（2）它可以有效地減少混凝土的使用，降低原材料的能耗和費(fèi)用，并在某種意義上緩解了粉煤灰、礦渣日益緊缺的問題。

（3）進(jìn)一步探討了再生砼的機(jī)械特性和耐用性，以期為實際工程的發(fā)展和實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

五、本研究達(dá)到的科學(xué)技術(shù)水平和預(yù)期社會經(jīng)濟(jì)效益

由于傳統(tǒng)的水泥行業(yè)在原料的獲得和利用方面都是高耗能、高污染行業(yè)，而伴隨著“一帶一路”、“精準(zhǔn)扶貧”等國家的發(fā)展，大量的基建項目開始投產(chǎn)，混凝土是最主要的建材之一，其消耗量日益增加。找到一種比較節(jié)約能源和環(huán)境友好的方式，其重要性是顯而易見的。

因此，既要從原料上科學(xué)化，又要使石粉的使用更加合理;粉煤灰、礦渣等礦物摻和料代替了一部分的混凝土，從而達(dá)到了節(jié)約水泥、節(jié)約能源、節(jié)約能源、提高生產(chǎn)效率的目的;另外，在水泥制品的應(yīng)用中，采用混合礦物摻和料的再生水泥替代了一部分甚至所有的自然集料，既能從根源上解決廢舊水泥的問題，又能有效地降低混凝土對自然砂的開發(fā)利用，又能從根源上消除自然集料短缺和大規(guī)模開采造成的生態(tài)損害，從而保障了人類的生活和可持續(xù)發(fā)展。綜合以上兩個因素，利用礦物摻和材料進(jìn)行再生，既節(jié)省了能源，又降低了能耗，又有利于環(huán)保，在實際應(yīng)用中有著十分重大的實際應(yīng)用價值。

混凝土的耐用性是指在一定時期內(nèi)，能夠經(jīng)受外界介質(zhì)的影響，并在一定時間內(nèi)仍能保持其優(yōu)良的工作和外表的完整性，以維護(hù)其安全性;特別是在高強(qiáng)度的水泥和特定的工況下，耐用性越來越受到人們的重視。因而，擴(kuò)展的抗壓縮能力;通過對混凝土抗?jié)B性和抗凍性的研究，可以降低混凝土收縮膨脹引起的裂縫，從而改善混凝土的耐用性。本文的工作將為水泥混合材料在水泥中的綜合利用和技術(shù)支撐，為水泥工業(yè)的綠色改造工作打下了堅實的理論基礎(chǔ)。

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作者簡介：

莫益楊（2001-），男，漢族，四川廣安人，江蘇大學(xué)本科在讀，土木工程學(xué)方向。

基金項目：

本文系江蘇大學(xué)2020年度大學(xué)生科研立項項目，項目編號：20AA0285。