用BSF復合礦物摻合料配制C35路面混凝土的收縮性能研究

李 輝，陳裕佳，張 浩，張東省，謝 松，張志明

(1.西安建筑科技大學材料與礦資學院，西安 710055；2.陜西省交通建設集團公司，西安 710075)

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用BSF復合礦物摻合料配制C35路面混凝土的收縮性能研究

李 輝1，陳裕佳1，張 浩1，張東省2，謝 松1，張志明1

(1.西安建筑科技大學材料與礦資學院，西安 710055；2.陜西省交通建設集團公司，西安 710075)

研究了以磚粉、粉煤灰和礦渣粉為主要原料開發的BSF復合粉體作為礦物摻合料對混凝土干燥收縮的影響，以及三種原料分別對混凝土干燥收縮的作用機理。試驗結果表明粘土磚粉和粉煤灰能小幅的補償收縮，并且隨著其摻量的增加，混凝土收縮減少的幅度也增大；而礦渣粉的摻入會加劇混凝土收縮，BSF復合粉體對混凝土體積穩定性的影響與三種原料的相互作用有關，混凝土中10 nm以下的微孔對干縮的影響最大。

粘土磚粉； 混凝土； 干燥收縮； 機理

1 引 言

隨著城鎮化進程的加快，我國建筑垃圾的產生量已占到城市垃圾總量的30%～40%[1]。而現在拆除的建筑物多為上世紀七八十年代建造的磚混結構建筑。在拆除這些建筑物所產生的建筑垃圾中廢棄粘土磚約占建筑垃圾的30%～50%[2]。如何實現這些廢棄粘土磚的資源化利用是實現建筑垃圾分類增值利用的一個重要方面[3]。

在陜西省交通廳的資助下，西安建筑科技大學粉體工程研究所與陜西省交通建設集團公司合作開展《建筑垃圾再生路用復合粉體材料的開發研究》工作，將廢粘土磚超細粉磨得到廢磚粉，用這種廢磚粉與礦渣微粉及粉煤灰為主要原料外加少量改性劑，制配出BSF復合礦物摻合料(粘土磚粉的摻量≥20%)，并成功用于道路水泥穩定基層的施工和小型混凝土預制件的制備。為了進一步將這種復合礦物摻合料拓展用于路面工程，作者嘗試用這種材料替代30%的水泥，成功制備出C35路面混凝土。

據不完全統計，我國現有水泥混凝土路面由于開裂引起的破壞占到路面總里程的 20%～30%，如果不重視改善混凝土抗裂性能，混凝土道路經過30～50年后便會進入維修期[4]。開裂是混凝土破壞的主要形式之一，前人已有的研究表明超過80%的混凝土非荷載裂縫是由收縮引起的[5]，混凝土的早期收縮開裂會加速道路混凝土的破壞，其主要表現在(1)干燥收縮引起的裂縫降低了混凝土的強度；(2)干燥收縮引起的裂縫會使鋼筋部分暴露于空氣中，使其加快腐蝕，進而使裂縫進一步擴展；(3)降低混凝土的抗滲性與抗凍性。因此，采取有效措施抑制混凝土的早期收縮將有助于降低混凝土早期開裂的幾率，提高道路混凝土的耐久性[6]。

為了探討將這種BSF復合礦物摻合料用于路面混凝土工程的可行性，本文重點研究用這種復合礦物摻合料部分替代膠凝材料所配制C35路面混凝土的早期收縮性能及BSF復合礦物摻合料的摻入對混凝土體積穩定性的影響與作用機理。

2 試 驗

2.1 試驗原料

2.1.1 水 泥

試驗所用水泥為用陜西聲威銅川水泥廠生產的水泥熟料和西安當地的天然石膏以95∶5的比例混合粉磨配制而成的普通硅酸鹽水泥。所用水泥熟料和石膏的化學組成如表 1 所示，所配制硅酸鹽水泥的基本性能如表2所示。

表1 水泥熟料和石膏的化學組成Tab.1 The chemical composition of cement clinker and gypsum /wt%

表2 水泥的基本性能Tab.2 The basic properties of the cement

2.1.2 礦物摻合料

試驗用礦物摻合料有四種，(1)廢粘土磚粉，用從西安市某拆遷工地建筑垃圾中分離出的廢粘土磚磨細制成，平均粒徑3～5 μm，主要礦物組成為石英(SiO2)、剛玉(Al2O3)、赤鐵礦(Fe2O3)以及少量的游離CaO；(2)礦渣微粉由西安德龍粉體工程材料有限公司提供；(3)粉煤灰，為陜西某電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，試驗中采用原灰直接使用；(4)BSF復合礦物摻合料，是用上述廢粘土磚粉、礦渣微粉和粉煤灰按一定比例混合并加少量改性劑配制而成的復合粉體(粘土磚粉的摻量≥20%)。各種礦物摻合料的化學成分見表3，基本物理性質見表4。

表3 各礦物摻合料的化學成分Tab.3 The chemical composition of each mineral admixtures /wt%

表4 各礦物摻合料的物理性質Tab.4 The physical properties of each mineral admixtures

2.1.3 集 料

試驗用粗集料由富平石料場提供，其級配分布如表5。細集料(砂)由富平市砂石廠提供，其各指標均滿足《公路水泥混凝土路面施工規范》JTG F30-2003中的要求，詳細見表6。

表5 粗集料顆粒級配分布Tab.5 The particle size distribution of coarse aggregate

表6 砂的技術指標Tab.6 The technical index of the sand

2.1.4 外加劑

本試驗所采用的減水劑為聚羧酸減水劑，由陜西交建機械化養護公司提供，密度為1.09±0.02 g/mL，pH值為6～8，減水率為25%。

2.2 試驗方法

2.2.1 試驗標準

混凝土干燥收縮的測試參照《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》(GB/T50082-2009) 規定的方法進行[7]。但溫度控制在 20± 10 ℃，相對濕度為室內自然濕度。試驗的溫濕度環境類似于工程的實際情況。

2.2.2 試驗方案

基于工程實踐，確定C35混凝土的基準配合比，如表7所示。在此基礎上，保持砂、石、減水劑和水灰比等配比不變，分別將廢磚粉、礦渣微粉、粉煤灰和BSF復合礦物摻合料按10%、20%、30%和40%的質量比例替代水泥，制成100 mm×100 mm×515 mm的混凝土試塊，測量其不同時間的收縮率(1 d、3 d、7 d、28 d、45 d、60 d、90 d和120 d)，以研究BSF復合礦物摻合料的摻入對混凝土早期體積穩定性的影響，并對比分析配制BSF復合礦物摻合料所用的廢磚粉、礦渣微粉和粉煤灰等材料對混凝土早期體積穩定性的影響。

表7 混凝土基準配合比Tab.7 The basic proportions of concrete mix /(kg/m3)

3 結果與討論

3.1 試驗結果

四組試驗方案的最終試驗結果如下圖1所示。

結果顯示，摻了廢磚粉(圖1(a))的混凝土在各齡期各摻量下都減小了收縮值。在同齡期混凝土收縮率的減少幅度隨廢磚粉摻量的增加而增大；在28 d齡期摻40%磚粉的混凝土收縮率比不慘礦物摻合料的基準組混凝土(以下簡稱基準組)減少了27%。隨著齡期的繼續增長，收縮變得緩慢。摻粉煤灰(圖1(b))對于混凝土收縮率的影響類似于廢磚粉，只是從圖中可以看出，加入粉煤灰后混凝土試樣收縮率的減小幅度比加入廢磚粉的略小。

相反，礦渣微粉(圖1(c))的摻入會加劇混凝土的收縮率，在同齡期下，隨著礦渣微粉摻量的不斷增加，混凝土的收縮率也跟著不斷增大，并且隨著摻量的增加，其收縮率增大的幅度也不斷地增大，尤其是在摻量為40%時，在各個齡期下其收縮率基本上都是基準組的兩倍。

當BSF復合粉體(圖1(d))的摻入量為10%時，混凝土的收縮率比基準組試樣要減小，并且7 d以后減小的幅度增大(如圖1(e))，表明此時因為廢磚粉和粉煤灰的存在而減小混凝土收縮率的幅度，要大于因礦渣粉的摻入而引起的混凝土收縮率增大的幅度。但是，當BSF復合粉體摻入量大于20%時，混凝土的收縮率在同齡期中又隨著摻量的增加而增大(如圖1(f))，說明此時廢磚粉和粉煤灰減小混凝土收縮率的幅度，已經不足以補償因礦渣微粉而引起的收縮率的增大了。

圖1 加入不同比例各礦物摻合料混凝土試樣的收縮率Fig.1 Shrinkage of concrete sample added with each admixture in various proportion (a)shrinkage of added brick powder; (b)shrinkage of added fly ash;(c)shrinkage of added GBFS;(d)shrinkage of added BSF; (e)shrinkage of added 10% each admixture;(f)shrinkage of added 30% each admixture

3.2 作用機理分析

混凝土的干燥收縮實際上是發生在其水化相上的收縮，而未水化的膠凝材料和粗細骨料則起約束收縮行為的作用。毛細管應力、表面自由能、分離壓力和層間水脫離被認為是主導水泥石干縮的機理作用，通常認為，每種機理都在特定的相對濕度段起作用，但毛細管張力影響最大也是被闡述最多的機理[8～11]。因而水泥石中孔隙失水引起的毛細管張力是干縮的主因。

在60 d齡期時用壓汞儀分析摻入不同比例BSF復合礦物摻合料的各混凝土試樣的微觀孔結構，結果如表8所示。

表8 摻入各比例BSF的部分孔徑累計分布Tab.8 A part of the cumulative distribution of the hole diameter of Mixed with the proportion of BSF /vt%

由表8可知，各試樣中小于10 nm的微孔的體積百分數隨BSF摻量變化情況與試樣的宏觀收縮率的變化規律高度吻合，即收縮率大的試樣，其<10 nm的微孔所占百分數相應地較大。這主要是因為根據Laplace-Kelvin公式(式1)，毛細管所受的應力γ與其孔徑R'成反比，即毛細管孔徑越小，所受到的壓力就越大，所以小毛細管孔對干縮性影響甚大。表8的結果表明，混凝土試樣中10 nm以下的微孔對干縮的影響最大。

(1)

為進一步探討廢磚粉，礦渣微粉(GBFS)和粉煤灰對混凝土體積穩定性影響的作用，特通過掃描電鏡觀察，對比分析這三種材料粉體顆粒微觀形貌的差異，結果如圖2所示。由圖2a可知，廢磚粉顆粒表面粘附有更細小顆粒、呈疏松絮狀。由于磚粉的活性比較低，在早期只有極小部分參與水化，大部分磚粉顆粒存在于水化相中。磚粉替代水泥實際上是既減少了水化相，同時又增加了微集料，這些磚粉顆粒在水化相中既充當連通孔的媒介，又有儲水的功能，可以補充毛細管內的失水，從而減低因毛細管應力引起的收縮。

圖2 各礦物摻合料的SEM圖Fig.2 SEM images of each mineral admixtures(a)brick powder;(b)fly ash;(c)GBFS;(d)BSF

粉煤灰(圖2b)顆粒表面光滑，以圓球形顆粒居多。因粉煤灰活性也較低，所以其摻入的作用與廢磚粉類似，只不過其圓球形的顆粒形貌更有利于水分的均勻分散，大小顆粒之間也更易形成最緊密的充填效果，這些都有助于抑制水化相的收縮。

礦渣微粉(圖2c)表面致密、棱角分明，這種形貌的顆粒慘加在膠凝材料中后極易形成多孔結構，而且由于礦渣微粉的活性較高，在早期參與水化反應的顆粒較廢磚粉和粉煤灰要多。又因為礦渣微粉比水泥顆粒粒徑小很多，所以礦渣微粉的加入形成了更多更小更封閉的毛細孔。根據開爾文公式，毛細孔孔徑越小，孔壁所受的毛細管應力就越大，從而造成了混凝土試樣較大幅度的宏觀收縮。所以礦渣微粉的摻入會加劇混凝土試樣早期的收縮。

將廢磚粉、粉煤灰和礦渣微粉這三種材料混合配制成BSF復合礦物摻合料(圖2d)后，磚粉顆粒疏松絮狀的形貌和粉煤灰光滑圓球狀的顆粒形貌與礦渣致密、帶棱角的形貌形成互補，使水分在膠凝材料中分布的更均勻，此外大部分粉煤灰和磚粉顆粒比礦渣顆粒的粒度要細，正好可以充填在礦渣顆粒堆積所形成的空隙中，形成更緊密的堆積，且磚粉和粉煤灰的水化活性較礦渣微粉要差，這幾種作用都有助于抑制因礦渣微粉加入而產生的混凝土早期收縮。

4 結 論

(1)廢磚粉和粉煤灰可以有效地減小混凝土的干燥收縮，廢磚粉的減小幅度略高于粉煤灰；礦渣微粉的摻入將大幅的加劇混凝土的收縮，并且隨著摻量的增加，其收縮率增大的幅度也不斷地增大;

(2)BSF復合礦物摻合料的摻量≤10%時能夠減小混凝土的收縮；而當摻量大于20%時，會增大混凝土干燥收縮，并且隨著摻量的增加，收縮幅度也隨之增大;

(3)混凝土的干燥收縮與其孔結構密切相關，10 nm以下的微孔對混凝土干縮的影響最大。隨著混凝土內部小于10 nm微孔的增加，將導致混凝土收縮加劇。

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Shrinkage Performance of C35 Pavement Concrete Used BSF Admixture

LIHui1，CHENYu-jia1，ZHANGHao1，ZHANGDong-sheng2,XIESong1，ZHANGZhi-ming1

(1.College of Materials and Mineral Resources,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China;2.Shaanxi Provincial Communication Construction Group,Xi'an 710075,China)

The shrinkage performance of C35 pavement concrete with BSF admixture, the influence of BSF admixture on the shrinkage of concrete as well as the effect mechanism of brick powder, fly ash and granulated blast furnace slag (GBFS) powder on the shrinkage of concrete were investigated. The results showed that: clay brick powder and fly ash could compensate the shrinkage of concrete slightly, and with the increase of dosage of these two kind of materials, the drop amplitude of concrete shrinkage rate increased. On the contrary, GBFS powder could aggravate the shrinkage of concrete. The shrinkage performance of C35 pavement concrete was attributed to the interaction of brick powder, fly ash and GBFS, composite admixture. For the concrete shrinkage, the microhole smaller than 10 nm played dominate role.

brick powder；concrete；dry shrinkage；mechanism

交通運輸部建設科技項目(2013318J16490)

李 輝(1971-)，女，博士，教授，博導.主要從事固體廢棄物資源化利用的研究.

TD98

A

1001-1625(2016)09-3001-06