雙摻粉煤灰及再生骨料對混凝土強度影響研究★

梁 謙 程建萍 陳平平 景亞州 王香香 孫彩珍 鄭宗倩

(1.河西學院土木工程學院，甘肅 張掖 734000； 2.河西走廊水資源保護利用研究所，甘肅 張掖 734000)

1 概述

近年來，我國工業、建筑業飛速發展，然而在發展的同時伴隨著一系列的亟待解決的問題，如資源緊缺，環境污染，垃圾回收處理等問題。混凝土材料是當今用量最大、用途最廣泛的建筑材料，據統計，每年全世界的耗用量接近100億t[1]。如此巨大的用量，伴隨著生產、使用過程帶來的礦石資源、能源的消耗，以及對大氣和環境造成的污染，已引起全世界業內關注。為此建筑方面的專家提出了制作“綠色混凝土”[2]，綠色混凝土發展的關鍵是要滿足建筑行業的可持續發展，減少資源和能源的消耗，降低材料成本，增加廢棄物的再生利用，減輕對環境的負荷或更有利于環境，既能為當代人提供舒適、易居的生活環境，又不損害后代人的利益[3]。因此，如何提高廢棄混凝土的再生利用，成為當前解決廢棄混凝土等建筑垃圾對生態環境影響的關鍵。

就目前而言，建筑廢棄混凝土的處理方法不外乎填埋處理和再次利用[4]，而當下廢棄混凝土的再生利用為“綠色混凝土”，成為從根本上解決廢棄混凝土污染生態環境的主要途徑。本項目通過再生骨料取代一定量天然或人工骨料，同時摻入一定量的粉煤灰，來研究在保證再生骨料的物理力學性能的條件下降低混凝土的成本，達到充分利用再生骨料，減輕廢棄混凝土對生態環境的影響。

2 實驗方案

本實驗設計混凝土強度等級為C30，用零摻量粉煤灰、再生骨料，天然骨料拌合的混凝土作為對照組，處理組實驗16組，粉煤灰的摻量分為15%,20%,25%,30%四個梯度，再生骨料的摻量為20%,30%,40%,50%四個梯度，采用正交實驗方案進行混凝土立方體試件的制作；對照與處理試驗中，混凝土拌合物在拌合的過程中加入2%的減水劑，每組制作等同的6個100 mm×100 mm×100 mm的混凝土非標準試件，同等條件下制作兩批試件，在標準養護條件下(濕度為95%，溫度20 ℃±3 ℃)，分別養護7 d和28 d，按照GB/T 50081—2002普通混凝土力學性能試驗方法規定的方法進行混凝土立方體抗壓強度實驗[4]，并換算為立方體抗壓強度標準值。

3 數據分析

3.1 7 d粉煤灰再生骨料混凝土立方體抗壓強度

混凝土立方體試件經標養7 d后，不同摻量粉煤灰在不同摻量再生骨料摻量的情況下，其變化趨勢如圖1所示(圖中左側的第一點為對照試驗值)。

從圖1可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，不同處理混凝土試件7 d的立方體抗壓強度大致呈現倒“V”型變化，即當再生骨料摻量為20%,40%，50%時，不同摻量粉煤灰混凝土的立方體抗壓強度呈接近或小于對照組的試件抗壓強度平均值，而當再生骨料摻量為30%時，除摻量為15%的處理外，其余處理得到的立方體抗壓強度平均值均高于對照實驗強度，同時反映出當再生骨料摻量為30%時，隨著粉煤灰摻量逐漸增大時，混凝土的立方體抗壓強度平均值亦隨之增大。從實驗結果得到，當再生骨料摻量為30%時，對粉煤灰再生骨料混凝土的抗壓強度影響最為明顯。

分析出現以上現象的主要原因如下：水灰比不變的條件下，混凝土7 d的強度主要取決于水泥水化產生的凝膠體的數量和凝膠體與骨料的接觸面積，當再生骨料的摻入量達到30%左右時，骨料的比表面積與凝膠體的數量達到最優比，致使骨料表面可以較均勻地分布凝膠體[5]，因此，在混凝土強度增長過程中表現出強度最優的特點；而再生骨料在此摻入量的條件下，粉煤灰起到了微骨料效應[6]，即微觀結構呈滾珠狀的粉煤灰細小顆粒，在混凝土的凝結硬化過程中填充于各骨料空隙之間，隨粉煤灰摻量的增加，混凝土中的孔隙率越小，混凝土內部變得越密實[7]，因此，總體表現出混凝土試件抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加而呈增長的趨勢。

3.2 28 d粉煤灰再生骨料混凝土立方體抗壓強度

混凝土立方體試件經標養28 d后，不同摻量粉煤灰在不同摻量再生骨料摻量的情況下，其變化趨勢如圖2所示(圖中左側的第一點為對照試驗值)。

從圖2可以看出，立方體試件標準養護28 d后，不同摻量粉煤灰再生骨料混凝土的強度隨粉煤灰、再生骨料摻量的增加而總體呈增長趨勢。但不同摻量粉煤灰和再生骨料條件下，不同處理的強度變化情況又各有所不同，表現如下：

1)粉煤灰摻量為15%的處理實驗，當再生骨料摻量不大于30%時，混凝土的強度大于對照，且隨著再生骨料摻量的增加而增加；當再生骨料摻量大于30%時，試件強度均隨再生骨料摻量的增加而呈下降趨勢；

2)當粉煤灰摻量范圍在20%～30%、再生骨料摻量在40%～50%時，其處理實驗抗壓強度均大于對照試驗，且試驗最大值達到設計強度的1.16倍之高。分析原因有以下幾個方面：

第一，混凝土拌合物的水灰比是影響混凝土強度的主要因素，在其他條件不變的情況下，水灰比越小，混凝土的強度越高[8]。而再生骨料孔隙率大于天然骨料，再生骨料吸水率大于天然骨料，使得混凝土拌合物中一部分拌合水在混凝土攪拌及凝結硬化中進入再生骨料內部，致使處理試驗中混凝土拌合物的水灰比，相比對照試驗無再生骨料存在的條件下，無形中降低了處理試驗中水灰比值，進而表現出處理實驗混凝土28 d的立方體抗壓強度高于對照組。

第二，再生骨料表面較天然骨料粗糙，水泥粉煤灰漿體在攪拌和振搗過程中能與骨料表面充分結合，且分布在骨料表面更為均勻，則在混凝土的凝結硬化過程中產生的凝膠體分布更為均勻，此時水泥顆粒被生成的凝膠體形成的一層包裹膜完全包住，并不斷向外增厚，逐漸在膜內沉積。同時膜的外側長針狀鈣礬石晶體，鈣礬石晶體與水泥及粉煤灰水化生成的凝膠體錯綜結合，使水泥石網狀結構不斷致密的結合在再生骨料表面，表現出混凝土的強度不斷增長[9]。

第三，粉煤灰“活性效應”的不斷顯著表現。在水泥水化中后期，粉煤灰中所含的SiO2和Al2O3與水泥產物Ca(OH)2和水泥中所摻的石膏的激發下，生成大量的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等凝膠體[10]，進一步提高了與骨料的結合，表現出其28 d的抗壓強度顯著接近及超過對照試驗。

4 結語

通過試驗數據及實驗分析得出以下結論：

1)通過7 d混凝土抗壓強度試驗得出，粉煤灰及再生骨料對混凝土早期強度影響比較明顯：當粉煤灰摻量小于15%，對混凝土早期強度的影響不明顯；當粉煤灰摻量大于15%、再生骨料摻量為30%左右時，有利于提高混凝土的早期抗壓強度；當粉煤灰摻量超過30%、再生骨料摻量超過30%時，混凝土的早期強度隨粉煤灰及再生骨料摻量的增加，有明顯的降低。

2)通過對混凝土28 d的抗壓強度試驗得出，混凝土28 d的抗壓強度并未因粉煤灰及再生骨料的摻入而劣化。當粉煤灰摻量、再生骨料摻量均小于30%時，對混凝土強度的影響并不明顯，達到對照組(普通混凝土)抗壓強度同等水平，由此得出，混凝土中摻入小于30%的粉煤灰和再生骨料，不影響混凝土拌合物和易性及硬化后混凝土的力學抗壓性能，這為今后混凝土中摻入粉煤灰及再生骨料，達到廢料充分利用、降低混凝土成本等目的，提供了充分的科學依據。

3)同時，通過對混凝土28 d的抗壓強度試驗得出，當粉煤灰的摻量在15%～30%、再生骨料摻量分布在30%～50%范圍時，雙摻粉煤灰再生骨料混凝土抗壓強度明顯高于普通混凝土，超過混凝土設計強度的1.16倍，為此得出，粉煤灰和再生骨料數量的合理摻入，不僅可以有效改善混凝土拌合物的性能，而且還可以明顯提高凝結硬化后混凝土的抗壓強度。這為今后增加粉煤灰及再生骨料在混凝土中的應用量及粉煤灰再生骨料混凝土性能的科學研究，提供了可靠的實驗數據。