礦物摻合料復(fù)合對(duì)再生粗骨料混凝土力學(xué)性能的影響*

崔素萍，杜鑫

(北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124)

礦物摻合料復(fù)合對(duì)再生粗骨料混凝土力學(xué)性能的影響*

崔素萍，杜鑫

(北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(fù)合其他礦物，研究礦物復(fù)合作用對(duì)再生粗骨料混凝土力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，兩種礦物復(fù)合具有一定的疊加作用，“普通礦粉+超細(xì)礦粉”的復(fù)合對(duì)再生粗骨料混凝土的力學(xué)性能提高較明顯。

礦物摻合料復(fù)合；再生粗骨料混凝土

隨著我國(guó)建筑業(yè)的快速發(fā)展，砂石的需求量也越來(lái)越大，據(jù)有關(guān)資料顯示[1,2]，我國(guó)每年需要粗細(xì)集料約10億t，這就需大量地開山采石和掘地淘沙，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境。而大量產(chǎn)生的廢棄混凝土也急需處理，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究認(rèn)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(jīng)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(fù)合摻合料所獲得的再生骨料混凝土的綜合性能和經(jīng)濟(jì)效益哪個(gè)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(xì)礦粉和硅灰，研究復(fù)合摻合料對(duì)再生粗骨料混凝土力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)原料

水泥： P·052.5硅酸鹽水泥。

普通礦粉： S95級(jí)礦粉。

粉煤灰：Ⅱ級(jí)灰。

硅灰：微硅粉，SiO2>95%。

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

天然細(xì)骨料：天然細(xì)骨料是符合《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》JGJ52—2006要求的細(xì)度模數(shù)為3.1的中粗河砂。

減水劑：高效聚羧酸減水劑。

2 試驗(yàn)方案

表1 礦物摻合料化學(xué)成分XRF分析 %

表2 普通礦粉復(fù)合試驗(yàn)

表3 粉煤灰復(fù)合試驗(yàn)

1）以水泥+普通礦粉、水泥+粉煤灰為基礎(chǔ)膠凝材料；

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

3）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，測(cè)定再生粗骨料混凝土的抗壓、抗折、劈裂抗拉強(qiáng)度。

4）礦物摻合料復(fù)合配合比見表2和表3。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表4 再生粗骨料混凝土力學(xué)性能

3.1 普通礦粉復(fù)合試驗(yàn)及分析

從圖1和表4的試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，在相同的齡期時(shí)，再生粗骨料混凝土摻復(fù)合礦物摻合料的強(qiáng)度比摻一種（礦粉）摻合料的強(qiáng)度大，而且在普通礦粉+超細(xì)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(shí)，其在混凝土中雖然也有微集料和火山灰效應(yīng)，但是當(dāng)有更細(xì)的顆粒填充時(shí)，混凝土更加密實(shí)。超細(xì)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(zhì)，且在不同的膠凝體系中，礦物摻合料在界面過(guò)渡區(qū)的反應(yīng)程度和水化結(jié)構(gòu)不同，因而與超細(xì)礦粉和硅灰復(fù)合的效果也不同[7]。以不同齡期來(lái)看再生粗骨料混凝土的強(qiáng)度，在不同膠凝體系下，隨著齡期的增加，其強(qiáng)度逐步增大，但增長(zhǎng)率不同，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率變化較小，這主要和礦物摻合料的水化活性有關(guān)。

圖2是普通礦粉復(fù)合超細(xì)礦粉和硅灰對(duì)再生粗骨料混凝土抗折和劈拉強(qiáng)度的影響，可以看出它和圖1出現(xiàn)了相同的趨勢(shì)，都是在普通礦粉+超細(xì)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(duì)混凝土的力學(xué)性能影響不大，這也是由于超細(xì)礦粉的高水化活性和良好的填充性形成的。從復(fù)合的效果來(lái)看，在此取代率時(shí)，普通礦粉+超細(xì)礦粉膠凝體系具有更好的膠凝性。從數(shù)值關(guān)系上，再生粗骨料混凝土的折壓強(qiáng)度比也是符合普通混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度關(guān)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(chǔ)。

3.2 粉煤灰復(fù)合試驗(yàn)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(qiáng)度在不同膠凝體系下無(wú)明顯差別；在28d齡期的時(shí)候粉煤灰+超細(xì)礦粉出現(xiàn)了較高的增長(zhǎng)率，且強(qiáng)度比其他兩者高；在56d齡期的時(shí)候，再生粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度趨向于一致，復(fù)合并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。粉煤灰具有良好的形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和火山灰活性，可與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2反應(yīng)，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(nèi)的孔結(jié)構(gòu)和界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)，提高混凝土的密實(shí)性，但與普通礦粉相比膠凝性較差、活性較低，而在復(fù)合時(shí)，粉煤灰占較大的比例，因而復(fù)合礦物摻合料對(duì)再生粗骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不大。

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

3.3 對(duì)比分析

一般認(rèn)為，界面過(guò)渡區(qū)的厚度范圍大約距離骨料表面30μm以上，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)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(yīng)”，因此界面過(guò)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(nèi)部由多種界面結(jié)構(gòu)組成，各界面過(guò)渡區(qū)的厚度差異較大，界面過(guò)渡區(qū)內(nèi)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(duì)老混凝土中骨料顆粒和水泥漿體界面過(guò)渡區(qū)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)老混凝土由于成熟度高，密實(shí)度高。ITZ內(nèi)部和外部的水化產(chǎn)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(duì)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(guò)渡區(qū)，因而其對(duì)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(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)，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(dá)不到理想的性能，復(fù)合技術(shù)就顯得很有必要。

從復(fù)合試驗(yàn)研究的結(jié)果來(lái)看，在此復(fù)合條件下，與普通礦粉復(fù)合的效果相比，粉煤灰復(fù)合并沒(méi)有出現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，這就說(shuō)明在礦物摻合料復(fù)合時(shí)，有良好的選擇性，要獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益和材料性能就要選取合適的礦物摻合料進(jìn)行復(fù)合。

4 結(jié)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(xué)性能。

2）兩種礦物復(fù)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(xué)性能。

3）以普通礦粉和粉煤灰為主要摻合料復(fù)合時(shí)，對(duì)再生粗骨料混凝土的力學(xué)性能影響不同，以“普通礦粉+超細(xì)礦粉”效果最好。

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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.

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[6]張雄,吳科如.礦物外加劑作用機(jī)理及其關(guān)鍵技術(shù)[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004(4).

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[9]水中和，萬(wàn)惠文.老混凝土中骨料—水泥界面過(guò)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(xué)學(xué)報(bào)，2002(4):21-25.

*國(guó)家資助項(xiàng)目863課題編號(hào):2009AA032301

崔素萍，女，1964年出生，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院副院長(zhǎng)，無(wú)機(jī)非金屬材料學(xué)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(guó)家科技支撐計(jì)劃課題、“973”計(jì)劃課題、北京市科委重大課題等科研工作，擔(dān)任國(guó)家建材科教育專業(yè)委員會(huì)主任、中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)水泥分會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)水泥協(xié)會(huì)新型干法分會(huì)秘書長(zhǎng)，《水泥》、《新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào)》等雜志編委。2008年入選新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程北京市級(jí)人選。

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