摻再生微粉和粉煤灰對混凝土力學性能影響的試驗研究

樊耀虎 李 瀅 何 真 蔡新華

（1 山東春禾新材料研究院有限公司；2 青海大學土木工程學院；3 武漢大學水利水電學院）

0 引言

隨著我國城鎮化建設進程的不斷加快，建筑行業正處于蓬勃發展的階段，每年拆除的混凝土數量也非常巨大，建筑垃圾的產量也在逐年增長，中國每年的固廢已經超過了35 億噸，單建筑固廢就已經達到15 億噸，數量十分龐大。其中拆除過程中產生的粉塵量也比較多，會對環境造成嚴重的污染，所以為了保護壞境、節省資源，建筑垃圾再生利用技術受到了國內外學者的廣泛關注。韓國一家公司在廢棄混凝土中分離出水泥，并使這種水泥能再生利用。日本有些公司采用建筑垃圾將其粉碎、加熱、摩擦等一系列處理措施。將廢棄垃圾中混凝土的砂漿和石子通過特殊機械的協同作用將其分離，分離出來的粉末生產水泥。其他國家對再生微粉的研究還相對較少，也沒有較大的進展。大多數都是將廢棄的混凝土粉粹后配制成強度較低的混凝土，或者作為一種再生的粗骨料加以利用。

我國對建筑垃圾的處理主要是利用廢棄的混凝土經人工簡單的初破，然后通過顎式破碎機將其破碎、篩分，用破碎后的粗骨料代替天然骨料、用細骨料代替砂，但是對破碎后產生的微粉利用比較少。毛新奇[1]發現再生微粉最佳摻量在10%～15%之間，混凝土能發揮出較好的性能，能顯著地改善混凝土界面結構的致密性，有利于混凝土強度增加。馬郁[2]利用再生微粉去取代水泥，研究發現只要再生微粉摻量合理，再生微粉混凝土的各項性能基本都能達到基準水泥的水平。李建勇[3]利用磚混建筑微粉作為礦物摻合料對不同強度等級的混凝土進行了研究，發現再生微粉可摻入到高強度混凝土中。張修勤[4]等人研究發現：再生微粉混凝土的強度與需水量成正比、與摻量成反比。石瑩[5]等人對再生微粉的活性進行了研究，發現再生微粉能發揮其微集料效應并且具有一定活性效應。李琴[6]等人利用不同的激發劑激發再生微粉的活性，研究發現CaCl2激發活性＞Ca-SO4·2H2O＞Na2SO4、NaOH、Ca（OH）2＞無激發劑。本文基于對再生微粉綜合利用的目的，對比了再生微粉與粉煤灰摻入混凝土中對二者力學性能和微觀結構的區別，為再生微粉在混凝土中的應用提供技術支撐。

1 原材料及實驗方案

1.1 原材料

⑴水泥：采用青海省新型建材工貿有限責任公司生產的42.5 級普通硅酸鹽水泥；

⑵再生微粉：選擇實驗室廢棄混凝土進行破碎、篩分、磨細處理而得，服役年限1 年，其化學組成如表1 所示；

⑶粉煤灰：采用河南省鞏義市恒諾濾料有限公司生產的I 級粉煤灰，其化學組成成分見表2；

表1 再生微粉的化學組成 （%）

表2 粉煤灰的化學組成 （%）

表3 再生微粉混凝土配合比

⑷粗骨料選用粒徑在4.75mm～20mm 的天然碎石，來源于北川河，經試驗測得粗骨料的表觀密度為2672kg/m3，堆積密度1510kg/m3，含泥量0.33%,吸水率0.38%；

⑸細骨料：采用北川河的天然河砂；經試驗測得細骨料的表觀密度為2667kg/m3，堆積密度1500kg/m3，含泥量1.1%,吸水率0.45%；

⑹水：試驗室自來水。

1.2 化學性質

本試驗所用儀器為ZSX Primus II 型X 射線熒光光譜儀，對再生微粉及粉煤灰的化學成分進行X 射線熒光分析，其化學組成結果如表1 和表2 所示。

1.3 試驗方法

本試驗分別采用GB/T 50080－2016 中《混凝土拌合物性能試驗方法標準》[7]和GB/T50081－2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[8]中普通混凝土力學性能試驗方法標準進行坍落度和混凝土抗壓強度試驗。

1.4 試驗配合比

分別考慮了再生微粉和粉煤灰以摻量0%、10%、20%、30%、40%取代水泥對混凝土力學性能影響試驗研究，以C40 混凝土為基準，其試驗配合比如表3 所示。

2 試驗結果及分析

2.1 工作性試驗結果與分析

由表4 可知，隨著再生微粉摻量的增加再生微粉混凝土的坍落度在逐漸下降，說明再生微粉摻量的增加對混凝土的流動度有一定影響，會對混凝土的工作性能產生不利的影響，而粉煤灰混凝土隨著粉煤灰摻量的增加混凝土的流動性在逐漸變大，會對混凝土的工作性能有促進作用。為了分析其原因，利用儀器JSM-6610LV 對再生微粉和粉煤灰粉體進行了掃描電鏡，結果見圖1。

表4 混凝土的坍落度

圖1 再生微粉和粉煤灰的SEM 圖

從圖1（a）的中再生微粉SEM 圖觀察到再生微粉呈絮狀、表面粗糙、空隙較大、質地疏松，因此在混凝土攪拌過程中需水量較大，坍落度隨摻量的增加在逐漸降低，流動度逐漸減小，不利于混凝土工作。從圖1（b）中粉煤灰SEM 圖知：粉煤灰呈球型、表面光滑，能降低混凝土內摩阻力，增加其流動性，在混凝土攪拌中起到一定的潤滑作用。對混凝土的工作性產生有利影響。

2.2 力學性能測定試驗結果與分析

從圖2 可知：再生微粉摻量為20%時，再生微粉混凝土7d、14d、28d 的抗壓強度最高。原因是因為再生微粉中含有一部分沒有水化的水泥顆粒，增加了再生微粉的活性，并且再生微粉具有一定的堿性，微粉中細小的顆粒在堿性激發下可以生成C-S-H 膠凝體。填充了再生微粉混凝土當中的孔隙，改善了混凝土內部孔結構特征，對混凝土起到了一定的密實增強作用。當再生微粉摻量大于20%后，雖然強度高于對照組混凝土，但再生微粉混凝土的強度與摻量成反比關系。當再生微粉摻量在30%～40%時，再生微粉混凝土強度增加的幅度不明顯。主要原因可能是一方面因為再生微粉自身的缺陷（空隙較大、質地疏松、強度較低）。另一方面是由于骨料與骨料之間，骨料與微粉之間沒有充分被水泥漿體包裹，存在較多的界面過渡區，因此導致再生微粉混凝土的強度隨摻量增加而降低。

圖2 再生微粉混凝土不同摻量下的抗壓強度

由圖3 可知：粉煤灰摻量為10%時，粉煤灰混凝土7d、14d、28d 的強度達到最高。說明粉煤灰的最佳摻量為10%，粉煤灰混凝土抗壓強度較高的主要原因是由于粉煤灰的火山灰反應產物的填充及其微集料效應起到了補強的作用，并且粉煤灰的活性較高，降低了水膠比，增加了微結構的密實型。而當粉煤灰摻量大于10%時，粉煤灰混凝土的強度隨摻量增而逐漸減小，原因可能是粉煤灰過多的摻入打破了混凝土內部的合理級配，降低了混凝土內部結構均勻性，從而導致粉煤灰混凝土強度隨摻量增加而呈下降趨勢。

圖3 粉煤灰混凝土不同摻量下的抗壓強度

由圖4 可知，當再生微粉摻量為20%，粉煤灰摻量為10%時，再生微粉混凝土和粉煤灰混凝土7d、14d、28d的抗壓強度均高于對照組混凝土。28d 時，再生微粉混凝土強度與對照組混凝土相比增加了9.02MPa，提高了23%。粉煤灰混凝土與對照組混凝土28d 時的抗壓強度相比增幅16.6%。當再生微粉和粉煤灰摻量為30%時，再生微粉混凝土的7d、14d、28d 抗壓強度略高于粉煤灰混凝土和對照組混凝土，原因是由于再生微粉與水泥之間產生的粉體緊密堆積效應，填充了混凝土之間的孔隙，使混凝土趨于密實，強度增加。當再生微粉和粉煤灰的摻量為40%時，再生微粉混凝土的7d、14d 的強度高于粉煤灰混凝土，但到28d 后再生微粉混凝土的強度基本與粉煤灰強度和對照組混凝土強度持平，說明粉煤灰混凝土的中后期強度發展較快而再生微粉混凝土強度的發展較為緩慢，分別對比再生微粉混凝土和粉煤灰混凝土的7d、14d、28d 抗壓強度可知：在同摻量為20%、30%、40%時，再生微粉混凝土的7d、14d 抗壓強度高于粉煤灰混凝土，但在28d 時粉煤灰混凝土的強度增長較快，再生微粉混凝土的強度增長較為平緩。

圖4 混凝土7d、14d、28d 的抗壓強度

3 結論

⑴通過試驗可知，粉煤灰最佳摻量是10%，再生微粉的最佳摻量是20%，粉煤灰摻量不高于20%、再生微粉不高于30%時，混凝土強度均高于對照組混凝土。

⑵再生微粉混凝土的坍落度低于粉煤灰混凝土的坍落度，說明再生微粉的需水量高于粉煤灰的需水量，會對混凝土的工作性能產生不利影響。

⑶再生微粉摻量在合理的范圍內取代水泥能發揮出比粉煤灰更好的力學性能，再生微粉作為礦物摻合料具有較高的應用價值。