超細微粉對再生骨料混凝土性能的影響

王浩 楊魯 譚鹽賓 李林香 葛昕 鄭永杰

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081）

我國基礎設施建設的規模越來越大，對混凝土材料的需求量空前龐大，但天然骨料資源逐漸匱乏，這導致了供需矛盾。再生骨料是指舊建筑物拆除后的廢棄混凝土，經過分揀、破碎、加工得到的一種環保材料［1］。再生骨料作為新建構筑物混凝土的骨料，不僅可以解決天然骨料資源短缺的問題，還能解決因大量建筑垃圾導致的堆放占地、環境保護等問題。據統計，目前我國建筑垃圾全年總排放量驚人，約為35 億t［2］，合理地利用建筑垃圾成為當下研究的熱點。采用再生骨料制備的混凝土力學性能會有不同程度的降低，抗凍性、抗碳化能力等耐久性能較差［3］。針對上述問題，研究人員對再生骨料進行改性，趙訓等［4］以礦渣微粉漿液、水玻璃溶液和聚乙烯醇溶液為主要原料，按不同比例配制出再生骨料改性劑，探究了不同配合比的改性劑對再生骨料飽和吸水率和壓碎指標的影響，并確定了改性劑最佳配合比。Akbarnezhad 等［5］采用高功率微波去除再生骨料表面的舊砂漿，利用黏附的砂漿和骨料電磁特性的差異，在砂漿與天然骨料的界面處產生高熱應力使得砂漿層剝落，但骨料內部也會產生負面影響，溫度場過高會對骨料強度造成損失。Ismail等［6］通過用不同濃度的酸溶液浸泡再生骨料，去除表面的舊砂漿，發現力學性能得到很好的改善。

經檢測可知，再生粗骨料的吸水率及吸水速率遠大于天然骨料，這導致了再生骨料混凝土的工作性能降低，不利于混凝土泵送和澆筑。微波法、酸溶液浸泡等優化骨料的方法工藝復雜，成本較高，無法大規模推廣使用。此外，研究人員對再生骨料混凝土泵送性能研究甚少。

本文通過在再生骨料中摻加硅灰和玻璃微珠，系統地研究這2 種超細微粉對再生骨料混凝土泵送性能、力學性能和耐久性能的影響，并通過壓汞法測試硬化混凝土的孔結構，以期對再生骨料的應用有一定的指導作用。

1 原材料及混凝土配合比

1.1 原材料

1）水泥：北京金隅集團有限責任公司生產的P·O 42.5級水泥。

2）石子：再生粗骨料，北京都市綠源環保科技有限公司生產的粒徑為5～20 mm 的骨料，基本性能見表1。

3）砂：天然河砂，表觀密度2 590 kg/m3，細度模數為2.5。

4）粉煤灰：唐山市浩冉商貿有限公司生產的Ⅰ級粉煤灰。

5）硅灰：甘肅三遠硅材料有限公司生產。

6）玻璃微珠：深圳道特科技有限公司生產。

7）外加劑：河北三楷深發科技股份有限公司生產的聚羧酸減水劑。

1.2 混凝土配合比

本試驗研究摻加硅灰和玻璃微珠對再生骨料混凝土性能的影響。混凝土設計強度等級為C40，具體配合比見表2。其中，新拌混凝土坍落度為160～180 mm，含氣量為4%～5%。

表2 混凝土配合比 kg·/m-3

2 試驗方案

2.1 新拌混凝土泵送性能測試

新拌混凝土進行泵送時，骨料向管道中心移動，形成一個“塞”，而管道內壁形成容易變形的潤滑層，從而大大降低了所需的泵送壓力，如圖1 所示。通常有2 種方式影響泵送過程，即“塞”內的作用力傳遞以及管道壁面潤滑層的剪切行為。

圖1 混凝土泵送過程的“塞”流示意

混凝土泵送性能使用德國Schleibinger 公司生產的滑管式流變儀評價，并通過混凝土潤滑界面層的流變參數和預測泵送壓力曲線表征。滑管式流變測試儀的結構如圖2 所示。其原理為：在滑管中裝入混凝土拌和物插搗密實，上下移動滑管5～10 次使混凝土與管壁之間形成潤滑層；然后提起滑管，在滑管上套加重環，讓滑管自由落下，同時在下部活塞頂端測試壓力（P）和滑管落下速率（換算為流量Q）。通過調整不同配重，使滑管以不同速率落下，即可得到2組以上P和Q的值。

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圖2 滑管式流變測試儀

測試時忽略混凝土自重，同時假設P和Q有線性關系P=A+BQ，則有［7］

式中：a為潤滑界面層的屈服應力；b為界面層的有效黏度；A，B分別為直線P=A+BQ的截距和斜率；d和l分別為滑管的直徑和長度，d=0.126 m，l=0.5 m。

在Schleibinger 公司編寫的Sliper Tester 應用程序中輸入泵送管道直徑、泵送高程、混凝土密度及泵送距離，通過經驗模型即可對混凝土泵送壓力進行預測。本試驗測試得到泵送性能預測參數：混凝土密度為2 455 kg/m3，泵送管道直徑為0.126 m，泵送高程為0，泵送距離分別為50，100，200 m。

2.2 硬化混凝土性能測試

混凝土抗壓強度參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，電通量和抗凍性能參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的測試方法。

2.3 硬化混凝土孔結構測試

本試驗選用Micromeritics 公司的Auto Pore IV 9520 型壓汞儀測試混凝土孔結構特征。選取養護齡期為3 d 和56 d 混凝土中的砂漿試塊，并浸泡在無水乙醇中以終止水化，隨后放入真空干燥箱在60 ℃下烘干（不少于4 d），冷卻后置于密封袋中防止空氣碳化，測試水泥砂漿試塊的孔結構。

3 硅灰和玻璃微珠對再生骨料混凝土的影響

3.1 泵送性能

新拌混凝土RAT-100，RA-SF，RA-WZ的工作性能和泵送性能測試結果見表3，再生骨科混凝土泵送壓力預測曲線見圖3。

由表3可知，硅灰和玻璃微珠的摻加能顯著降低新拌混凝土潤滑界面層的有效黏度，其中混凝土RA-SF有效黏度為1 554.6 Pa·s/mm，較混凝土RAT-100 降低了31.2%；混凝土RA-WZ有效黏度為1 385.0 Pa·s/mm，較混凝土RAT-100降低了38.8%。可見，摻加硅灰和玻璃微珠均能提高再生骨料混凝土的泵送性能，且玻璃微珠的降黏效果優于硅灰。

表3 新拌混凝土工作性能和泵送性能測試結果

圖3 再生骨料混凝土泵送壓力預測曲線

由圖3可知，當混凝土流量和泵送距離相同時，混凝土RA-SF，RA-WZ 的泵送壓力明顯比混凝土RAT-100 低，其中混凝土RA-WZ 的泵送壓力最小。原因可能是：玻璃微珠的微結構呈光澤球形顆粒，可以起到“軸承”或“滾珠”作用，減小粒子間摩擦力，進而降低了混凝土拌和物的黏度［8-9］。此外，由于硅灰和玻璃微珠的平均粒徑均小于水泥和粉煤灰顆粒，用硅灰或玻璃微珠替代部分粉煤灰時，使得漿體堆積密度增加，在相同用水量下，它們的引入能部分替換原空隙中的拌和水，使之轉化為自由水，增加了包裹骨料漿體膜厚度，有效減少新拌混凝土漿體的塑性黏度［10］。雖然硅灰的微結構也含有大量光滑球體，但它的粒徑很小，使得其比表面積遠大于玻璃微珠，造成混凝土需水量有所增加，當混凝土拌和水用量不變時使得混凝土潤滑界面層黏度較大。

3.2 抗壓強度

不同配合比再生骨料混凝土抗壓強度見圖4。可知：硅灰和玻璃微珠的摻加均不同程度地提高混凝土抗壓強度。齡期90 d 時，混凝土RA-SF 抗壓強度為58.4 MPa，較混凝土RAT-100 提高了11.6%；混凝土RA-WZ抗壓強度為55.6 MPa，較混凝土RAT-100提高了7.8%。摻加硅灰的再生粗骨料混凝土抗壓強度大于摻加玻璃微珠的混凝土。摻加硅灰和玻璃微珠彌補了使用再生骨料降低混凝土抗壓強度的不足。

圖4 不同配合比再生骨料混凝土抗壓強度

3.3 電通量和抗凍性能

不同配合比再生骨料混凝土電通量見圖5。可知：硅灰和玻璃微珠的摻加顯著降低了混凝土的電通量。28 d 齡期時，混凝土RA-SF 電通量為771.5 C，較混凝土RAT-100降低了54.3%；混凝土RA-WZ電通量為1 012.3 C，較混凝土RAT-100降低了40.1%。

圖5 不同配合比再生骨料混凝土電通量

不同配合比再生骨料混凝土抗凍性能見圖6。可知：混凝土RA-SF，RA-WZ經過300次凍融循環后的相對動彈性模量明顯高于混凝土RAT-100。

圖6 不同配合比再生骨料混凝土抗凍性能

摻加了硅灰和玻璃微珠的再生骨料混凝土耐久性均得到提高，且摻加硅灰的混凝土密實度（通過電通量表征）和抗凍性能均高于摻加玻璃微珠的混凝土。為了探究硅灰和玻璃微珠能夠提高混凝土耐久性的原因，須進一步研究硅灰和玻璃微珠對硬化水泥漿體孔結構的影響。

3.4 再生骨料混凝土孔結構

采用壓汞法分別測試齡期為3 d 和56 d 再生骨料混凝土的孔結構，測試結果見表4和圖7。

表4 不同齡期再生骨料混凝土孔結構測試結果

圖7 超細微粉對硬化混凝土孔徑分布的影響

由表4可知：隨著齡期增加，混凝土孔隙率和平均孔徑呈現降低的趨勢；硅灰和玻璃微珠的摻加均能降低硬化混凝土的孔隙率和平均孔徑；混凝土RA-SF 孔隙率和平均孔徑均小于混凝土RA-WZ。

由圖7 可知：硅灰和玻璃微珠的摻加均可改善混凝土孔結構，使得小于100 nm 的微孔比例提高；硅灰細化混凝土孔結構的能力優于玻璃微珠，使得混凝土RA-SF 小于100 nm 的微孔比例更高，且孔隙率和平均孔徑更小。

出現上述現象的原因是：

1）硅灰中無定型SiO2與水泥水化產物CH 結合，生成穩定的低堿C-S-H 凝膠，這種C-S-H 凝膠較無硅灰時更緊湊，硅灰的摻加使得硬化水泥漿體的大孔被小孔所取代，從而使得硬化混凝土的孔隙率下降，結構的密實度提高。

2）硅灰顆粒及其水化產物起著填充作用，改善了硬化水泥石界面過渡區的結構；硅灰顆粒及其水化產物還能填充于再生骨料內部的毛細孔及大孔中，將粗大的毛細通道全部阻塞或部分阻塞，從而形成更為致密的骨料-膠凝材料體系，使得硬化混凝土更為密實［11］。

4 結論

1）在再生骨料混凝土中摻加適量硅灰和玻璃微珠，均能提高混凝土泵送性能、力學性能和耐久性能，其中摻加玻璃微珠的混凝土拌和物泵送性能優于摻加硅灰的，而硅灰對硬化混凝土力學性能和耐久性能的提升效果優于玻璃微珠。

2）硅灰和玻璃微珠的摻加均能改善混凝土孔結構，降低混凝土孔隙率和平均孔徑，使得硬化混凝土密實度增加。

3）摻加硅灰的混凝土孔結構優于摻加玻璃微珠的混凝土，使得摻加硅灰的混凝土密實度更高。