地聚合物再生混凝土力學與抗滲性能研究

高萍，張耘歌

（1.鐵科院（深圳）檢測工程有限公司，廣東 深圳 518107；2.中建科技集團有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518118）

0 引言

隨著中國建筑業近年來蓬勃發展，全國水泥產量逐漸上升，據中國水泥研究院統計顯示，2019年我國水泥產量為23.3億噸[1]。隨之而來越發嚴重的環境污染問題讓水泥行業的生存發展問題逐步得到公眾和政府的關注。同時，大量的拆遷、舊改促使我國每年建筑垃圾的排放總量超過20億噸，存量建筑垃圾已達到200多億噸[2-3]。在這種形勢下，眾多的學者在尋找傳統水泥的替代品和建筑垃圾的再利用相結合時發現地聚物再生混凝土（Geopolymeric Recycled Concrete，簡稱 GRC）具有優異的力學性能、耐久性能及環保性能[4]。

地聚物再生混凝土是利用地聚物完全取代水泥作為膠凝材料，并且采用再生粗骨料部分或全部代替天然粗骨料配置而成的一種新型綠色混凝土材料[5-6]。地聚物再生混凝土是利用地聚物完全取代水泥作為膠凝材料的同時將天然粗骨料完全用再生粗骨料替代配置而成的一種新型綠色混凝土材料。1930年，Purdon在試驗中得到了在水泥中加入氫氧化鈉可以加速硬化的結論，以此提出了“堿激活”理論。1960年，在Purdon“堿激活”理論基礎上前蘇聯學者通過研究認為硅酸鹽、堿金屬的氫氧化物等可以作為堿激發劑，由此提出了復雜的“堿液反應”固化機理[7-8]。Davidovits[9]等通過試驗證明在地聚物混凝土中加入再生骨料會使地聚物混凝土強度有所下降，下降比率在7%～24%左右。FUA Shaikh[10]等分別對普通地聚物混凝土和再生地聚物混凝土的耐久性進行了試驗，其結果表明再生粗骨料比率的增加會影響耐久性但比普通再生地聚物混凝土的耐久性稍好。國內開展地聚物的研究相對較晚，學者付克明[11]在制備粉煤灰基地聚物材料的過程中發現硅鋁酸凝膠在反應過程中起到了膠凝的作用。張云升等[12]利用掃描電鏡（ESEM）對偏高嶺土基地聚物進行了微觀試驗，并對不同偏高嶺土替代率下的地聚物混凝土微觀性能進行研究。唐林等[13]對6組不同再生骨料取代率的粉煤灰基地聚物混凝土和普通再生混凝土的密度、彈性模量及抗壓強度進行了試驗，并發現了其在不同的齡期下地聚物再生混凝土的強度高于普通再生混凝土，這是因為混凝土中基體界面過渡區的影響。為進一步發展與推廣地聚物再生混凝土，本文利用室內試驗制作普通再生骨料混凝土和地聚合物再生骨料混凝土進行力學性能試驗和抗滲性能試驗，研究了在不同再生骨料取代率下，粉煤灰、礦渣及堿激發劑的添加對再生混凝土力學性能及抗滲性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

（1）粉煤灰、礦渣。粉煤灰（FA）、礦渣均產自廣東省森恢資源循環開發有限公司，為F級，45微米篩篩余為7.2%，燒失量2.1%；礦渣（SL）45微米篩篩余為7.3%，燒失量為0.1%；粉煤灰、礦渣和水泥的化學成分如表1所示。

表1 XRF測得的粉煤灰、礦渣化學成分（質量分數%）

（2）堿激發劑。水玻璃（12.6% Na2O，34.3% SiO2及53.1% H2O）產自廣東佛山佳凝新材料科技有限公司。試驗中通過加入氫氧化鈉溶液調節水玻璃摩數。氫氧化鈉為純度≥98.0%的固態圓形顆粒，產自廣東科業化工試劑廠，通過加入自來水配置成12mol/L的氫氧化鈉溶液。試驗前將兩種溶液混合攪拌。

（3）粗細集料。細骨料為天然河砂，細度模數為2.4，含泥量為1.3%；天然粗骨料選用涇河卵石（4.75～31.5mm連續級配），再生粗骨料來自深圳市福田區某道路改造產生的建筑垃圾經過破碎、篩分制備而成（4.75～31.5mm連續級配），再生粗骨料性能指標見表2。水為深圳市自來水公司所供自來水。

表2 再生粗骨料的物理性能

1.2 試驗方法及相關儀器

試驗選取再生粗骨料取代率分別為0%、20%、40%、60%、80%、100%，地聚物再生混凝土配合比設計如表3所示。由于再生粗骨料的吸水率較大，在試驗過程中按不同比例再生粗骨料的變化加入了附加水進行補償，附加水質量為再生骨料質量乘以再生骨料吸水率[14]。制備長寬高為100mm×100mm×100mm、100mm×100mm×400mm的試塊分別測試其28d的抗壓強度值、抗折強度，直徑100mm高100mm試塊用來測試其抗滲性能。抗壓強度及抗折強度測試儀器選用深圳瑞格爾儀器有限公司生產的RGM－100A型微機控制萬能試驗機，抗滲性能選用滄州科達利試驗儀器有限公司生產的HP-40型混凝土抗滲儀。

表3 混凝土配合比

2 結果與分析

2.1 再生混凝土力學性能分析

2.1.1 抗壓強度分析

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》中的《水泥混凝土立方體抗壓強度試驗方法》進行試驗操作，立方體抗壓試驗如圖1所示，結果見表4及圖2、圖3所示。

表4 再生混凝土抗壓強度測試結果

圖1 再生混凝土抗壓強度圖

由圖2及圖3可知普通天然骨料混凝土在養護28天后的立方體抗壓強度為52.03MPa，地聚合物天然骨料混凝土為41.03MPa，從此次試驗的數據看，地聚合物天然骨料混凝土立方體抗壓強度下降了21.14%。與RAC0的抗壓強度相比，在標準養護室養護28天后的RAC20、RAC40、RAC60、RAC80、RAC100立方體抗壓強度降低了10.97%、6.73%、20.97%、34.42%、39.78%。由此可見，再生骨料替代率與再生混凝土的關系是：立方體抗壓強度損失率隨替代率增大而增大。地聚合物再生混凝土立方體抗壓強度也同樣下降，GRC20、GRC40、GRC60、GRC80、GRC100立方體抗壓強度比GRC0分別下降了11.72%、18.77%、29.03%、38.26%、41.21%。地聚合物再生混凝土的抗壓強度損失率的大小關系為：GRC100＞GRC75＞GRC50＞GRC25＞GRC0。經過分析得到，在地聚合物混凝土中加入再生粗骨料后，其立方體抗壓強度同樣因再生粗骨料替代率的增大而增大。

圖3 不同粗骨料替代率下再生混凝土抗壓強度

2.1.2 抗折強度分析

如圖4所示，將養護好的混凝土試塊取出放在電液伺服萬能試驗機上，施壓速度為每秒鐘0.18kN，直到試件斷裂。試驗結果見表2、圖5、圖6所示。

圖4 再生混凝土抗折強度圖

表5 再生混凝土抗折強度測試結果

圖5 不同粗骨料替代率下再生混凝土28天平均抗折強度

圖6 不同粗骨料替代率下再生混凝土抗折強度

再生混凝土抗折強度及抗折強度損失率見圖5及圖6可見，經過28天的養護后RAC20、RAC40的抗折強度分別比RAC0提高了0.5%、2.4%，RAC60、RAC80、RAC100分別比RAC0抗折強度降低了7.7%、11.34%、14.8%，說明了再生粗骨料的加入可以在一定幅度上起到提高混凝土抗折強度的作用。地聚合物混凝土GRC0、GRCC20、GRC40、GRC60、GRC80、GRC100的抗折強度分別比RAC0、RAC20、RAC40、RAC60、RAC80、RAC100降低了12.93%、17.26%、16.21%、15.97%，說明了其他原材料配比相同情況下，地聚合物再生混凝土抗折強度普遍比普通再生混凝土強度低。

2.2 再生混凝土抗滲性能分析

一定時間和水壓力條件下的混凝土滲水高度可以反應混凝土的抗滲能力，試驗結果見圖7及表6及圖8所示。

圖8 不同粗骨料替代率下再生混凝土抗滲性能

表6 再生混凝土抗滲試驗結果

圖7 再生混凝土抗滲試驗圖

經過分析得到十二種不同配比的再生混凝土的抗滲性能數值，分析可得到：同RAC0試件滲透高度相比，RAC20、RAC40、RAC60、RAC80、RAC100分別增加了10.81%、16.22%、24.32%、37.84%、40.54%，GRC20、GRC40、GRC60、GRC80、GRC100分別比GRC0滲透高度增加了17.07%、24.40%、29.27%、39.02%、43.90%，不難理解再生混凝土抗滲性比天然骨料的差，在再生骨料的制造過程中，會產生一些肉眼看不見的微裂紋，將帶有裂隙的骨料重新拌合成再生混凝土后抗滲性能就會變弱了。在再生骨料替代率為分別為0%、20%、40%、60%、80%、100%時，地聚合物再生混凝土滲水高度分別增加了10.81%、17.07%、18.60%、11.76%、13.46%。說明了地聚物再生混凝土抗滲性能比普通再生混凝土差一些，并且再生骨料比例對此影響不大。

3 結語

本文通過試驗研究，探討了不同替代率下再生骨料混凝土及地聚合物再生混凝土力學性能及抗滲性能的影響規律，得出如下主要結論：

（1）再生粗骨料的加入降低了混凝土的抗壓強度，普通再生混凝土的抗壓強度大小排序為：RAC0＞RAC40＞RAC20＞RAC60＞RAC80＞RAC100；再生粗骨料替代率為40%時的再生混凝土抗壓強度最接近普通混凝土。地聚合物再生混凝土抗壓強度普遍低于普通再生混凝土，當再生骨料替代率大于60%時，抗壓強度顯著下降。

（2）與抗壓強度相反的是，當再生骨料替代率小于40%時，普通再生粗骨料混凝土的抗折強度會略微增加，當替代率大于60%時顯著降低。地聚合物再生混凝土隨再生骨料的變化呈正相關，再生骨料替代率大于80%時，抗折強度損失率出現拐點。

（3）普通再生混凝土的抗滲性能要明顯優于地聚合物再生混凝土抗滲性能，都隨再生骨料替代率的增加抗滲性能降低。