礦渣粉對不同取代率再生混凝土力學性能的影響研究

李軍發

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著我國建筑行業的迅猛發展，導致每年產生建筑廢棄物約為15～24 億t，不僅占用大量的土地資源，同時也給自然環境造成嚴重污染[1-2]。再生集料混凝土是建筑廢棄物回收利用的重要途徑，是由廢棄混凝土塊、水泥、砂、碎石等拌合而成的一種新型環保建筑材料，但由于再生集料具有表面粗糙、孔隙率高、吸水性大、強度及密度較低等特征，限制了其在某些工程領域推廣應用，這是因為對再生集料混凝土的使用性能缺乏足夠的理論研究[3-4]。

由于礦渣粉在混凝土拌合物中能起到良好的填充密實作用與微集料效應，故有利于改善水泥混凝土的強度及耐久性[5]。近年來，國內學者在礦渣粉對混凝土性能影響方面進行了大量研究，如王露等[6]通過正交設計確定大摻量礦渣水泥的最佳配合比并制備出C40 混凝土，同時研究了混凝土的力學性能及耐久性；楊斌等[7]探討了粉煤灰、礦渣在單摻或復摻條件下對混凝土力學性能的影響；王永合等[8]分別研究了不同摻量的粉煤灰、礦渣、硅灰對混凝土工作性能及力學性能的影響。上述研究均為礦渣粉對混凝土性能方面的影響，而在再生混凝土方面的研究較為欠缺。基于此，本文通過配合比設計將礦渣粉摻入3 種不同再生粗集料取代率的混凝土中并進行了力學性能試驗，研究了礦渣粉和齡期對再生混凝土的立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度及軸心抗壓強度的影響，以期為再生混凝土工程應用提供依據。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

a）水泥 某水泥廠家生產的P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，密度為3.1 g/cm3，比表面積為3 960 cm2/g，各項性能技術指標如表1 所示。

表1 P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥技術性能指標

b）粗集料 天然粗集料選用碎石，再生粗集料通過C30 舊混凝土路面破碎而成，其篩分結果具體如表2 所示。

表2 粗集料篩分結果

c）細集料 中砂，其細度模數為2.65。

d）礦渣粉 取自某廠水淬高爐礦渣粉磨，細度為657 m2/kg。

e）減水劑 高效減水劑，減水率為26%，減水劑摻量為1.2%。

1.2 配合比設計

試驗按照《普通混凝土配合比設計規程（JGJ 55—2011）》進行配合比設計，不同混凝土所采取的配合比設計結果如表3 所示。

表3 再生混凝土配合比設計

從表3 可以看出，混凝土拌合物中水泥用量為400 kg/m3，水灰比為0.34，再生粗集料替代率分別為0、30%、50%，礦渣粉等量替代20%水泥。通過對不同組合的再生混凝土坍落度展開測試，得到摻加礦渣粉組合的再生混凝土坍落度均有明顯增大，說明礦渣粉能有效改善再生混凝土的工作性能。

1.3 試驗方法

再生混凝土的力學性能測定方法均參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準（GB/T 50081—2002）》、《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準（GB/T 50080—2016）》的規定執行，其中立方體抗壓強度試驗采用邊長10 cm 的立方體試塊，劈裂抗拉強度試驗采用邊長為15 cm 的立方體試塊，抗折強度試驗采用10 cm×10 cm×40 cm 的長方體試塊，軸心抗壓強度試驗則采用15 cm×15 cm×30 cm 的長方體試塊，待各成型試塊達到24 h 后脫模，再置于標準養護室中進行養護，并分別測試其在7 d、28 d 和90 d 齡期的各項物理力學性能指標。

2 試驗結果及分析

2.1 立方體抗壓強度

通過對不同配合比的再生混凝土進行立方體抗壓強度試驗，分別得到7 d、28 d、90 d 齡期時再生混凝土的立方體抗壓強度結果如表4 及圖1 所示。

表4 再生混凝土的立方體抗壓強度 MPa

圖1 再生混凝土的立方體抗壓強度變化曲線

由圖1 可知，隨著齡期的增大，不同配合比的再生混凝土的立方體抗壓強度均逐漸增大，其中在7 d 齡期時摻入礦渣粉再生混凝土的立方體抗壓強度較對照組有所降低，而在28 d、90 d 齡期時立方體抗壓強度較對照組有較為明顯的提高，原因是礦渣粉的摻入能夠改善膠凝材料的顆粒級配，使得拌合物的密實度增大，從而提升了再生混凝土的立方體抗壓強度；礦渣粉在養護前期的反應程度較低，因此7 d 齡期時的立方體抗壓強度出現小幅降低，但后期礦渣粉與膠凝材料水化產生的氫氧化鈣發生二次水化反應生成硅酸鈣，使得再生混凝土的立方體抗壓強度提高。隨著再生粗集料摻量的增大，再生混凝土的立方體抗壓強度均逐漸減小，其中再生粗集料摻量為0%、30%、50%時，摻入礦渣粉的再生混凝土90 d 齡期立方體抗壓強度較對照組分別提高了8.2%、7.3%、6.7%，說明礦渣粉對混凝土拌合物的立方體抗壓強度提升效果隨著再生粗集料摻量的增加逐漸減弱。

2.2 劈裂抗拉強度

混凝土結構的抗開裂性能主要通過劈裂抗拉強度來表征。通過對標準養護7 d、28 d、90 d 齡期后的各再生混凝土試塊進行劈裂抗拉強度測試，分別得到再生混凝土的劈裂抗拉強度試驗結果如表5 及圖2 所示。

表5 再生混凝土的劈裂抗拉強度 MPa

圖2 再生混凝土的劈裂抗拉強度變化曲線

根據圖2 可知，隨著齡期的增大，不同再生混凝土的劈裂抗拉強度均逐漸增大，其中7～28 d 齡期的劈裂抗拉強度增幅比較明顯，而28～90 d 齡期的劈裂抗拉強度增幅則表現較為平緩。隨著再生粗集料摻量的增加，再生混凝土的劈裂抗拉強度均逐漸減小，但摻入礦渣粉后再生混凝土的劈裂抗拉強度較對照組均有不同程度的提高，其中再生粗集料摻量為0%、30%、50%時，摻入礦渣粉的再生混凝土90 d 齡期劈裂抗壓強度較對照組分別提高了3%、2.8%、1.4%，原因是礦渣粉的摻入可提升水泥的黏結性，限制了混凝土結構的裂縫形成及擴展，同時礦渣粉填充于水泥基體的毛細孔內，有利于改善界面過渡區的性能，故再生混凝土的劈裂抗拉強度得到提高。

2.3 抗折強度

抗折強度是混凝土結構中重要的力學性能指標之一。通過對不同再生混凝土試塊進行抗折強度測試，分別得到再生混凝土在7 d、28 d、90 d 齡期時的抗折強度結果如表6 及圖3 所示。

表6 再生混凝土的抗折強度 MPa

圖3 再生混凝土的抗折強度變化曲線

由圖3 可知，隨著齡期的增大，不同配合比的再生混凝土抗折強度均呈逐漸增大趨勢，其中在7～28 d 齡期時，各再生混凝土的抗折強度增幅比較明顯，而在28～90 d 齡期時，抗折強度增幅趨于平緩。隨著再生粗集料摻量的增加，不同再生混凝土的抗折強度均逐漸減小，摻入礦渣粉的再生混凝土的抗折強度較對照組均有不同程度的提高，對比不同再生粗集料摻量混凝土在90 d 齡期的抗折強度發現，摻入礦渣粉的再生混凝土的抗折強度較對照組分別提高了2.5%、2.8%、3.3%，說明礦渣粉有利于改善再生混凝土的抗折強度。

2.4 軸心抗壓強度

通過對不同配合比的再生混凝土進行軸心抗壓強度測試，分別得到不同齡期時再生混凝土的軸心抗壓強度的試驗結果如表7 及圖4 所示。

表7 再生混凝土的軸心抗壓強度 MPa

圖4 再生混凝土的軸心抗壓強度變化曲線

根據表7 及圖4 可知，隨著齡期的增大，不同配合比再生混凝土的軸心抗壓強度均逐漸增大，其中再生混凝土在7～28 d 齡期時的軸心抗壓強度增幅較小，而28～90 d 齡期的軸心抗壓強度增幅則表現為相對較明顯。隨著再生粗集料摻量的增大，不同再生混凝土的軸心抗壓強度也均呈逐漸減小變化，且摻入礦渣粉再生混凝土的軸心抗壓強度較未摻組均有所提高，其中再生粗集料摻量為0%、30%、50%時，摻入礦渣粉的再生混凝土90 d 齡期軸心抗壓強度較對照組分別提高了4.6%、5.1%、6%，說明礦渣粉有利于改善再生混凝土的軸心抗壓強度。

3 結語

a）隨著齡期的增大，未摻或摻入礦渣粉的再生混凝土立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度及軸心抗壓強度均有提升；隨著再生粗集料摻量增大，再生混凝土的立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度及軸心抗壓強度均逐漸減小。

b）由于礦渣粉前期的反應程度較低，使得摻入礦渣粉再生混凝土在7 d 齡期的立方體抗壓強度較未摻組有所降低，但后期礦渣粉與膠凝材料水化產生的氫氧化鈣發生二次水化反應生成硅酸鈣，可有效增強再生混凝土的立方體抗壓強度。

c）摻入礦渣粉再生混凝土在不同齡期時的劈裂抗拉強度、抗折強度及軸心抗壓強度均較未摻組有所提高，綜合可知礦渣粉有利于改善再生混凝土的各項力學性能指標。