礦物摻合料再生骨料混凝土的力學及耐高溫性質研究

尹曉娟

（山西工程科技職業大學，山西 晉中 030619）

社會的發展消耗了大量的自然資源,為了保護自然資源和滿足工程建設的需求，需要對混凝土材料進行再生利用。但再生骨料混凝土有強度低、耐久性差、易碳化等缺點[1]。因此需要對再生骨料混凝土進行改性，礦物成分就是最常用的改性材料。

研究表明,一定摻量的粉煤灰可以提高混凝土的強度和耐久性，降低再生骨料混凝土的徐變[2-3]；利用納米碳酸鈣和納米二氧化硅對再生骨料混凝土的改性研究表明，納米二氧化硅能夠很好地改善再生骨料混凝土的微觀結構,提高其抗壓強度、抗拉強度和沖擊強度；相比之下納米碳酸鈣對強度的增強作用較弱[4-6]。此外，許多國內外的學者也對硅粉[7]、鐵尾礦砂[8]、鎳鐵渣[9]和飛灰[10]等對再生骨料混凝土基本特性的影響進行了研究，結果證明了這些礦物成分對再生骨料混凝土的力學、耐久性以及微觀結構均有較為明顯的影響。

綜上可知，目前礦物成分對再生骨料混凝土的研究工作大部分集中于硅粉、飛灰、鐵渣和礦渣等對再生骨料混凝土的強度以及微觀結構影響方面；但對礦物成分的摻入方法對再生骨料混凝土基本特性以及礦物成分改性再生骨料混凝土的耐高溫特性的影響較為缺乏。因此本文利用飛灰、鎳鐵渣（簡稱鐵渣）以及稻殼灰通過添加和替代的方式對再生骨料混凝土進行改性，并對改性后的再生骨料混凝土進行耐高溫性能測試；以獲得不同礦物成分和不同摻入方法對再生骨料混凝土基本特性的影響規律。

1 實驗材料和實驗方法

1.1 實驗材料

實驗所用的膠凝材料為42.5#普通硅酸鹽水泥，水泥的密度為3.15 g/cm3，飛灰的密度為2.31 g/cm3，鐵渣的密度為 2.57 g/cm3，稻殼灰的密度為2.43 g/cm3。水泥和礦物摻合料的XRF 測試結果見表1。

表1 材料的化學成分/%Table 1 Chemical composition of the material

天然細骨料為河砂；天然粗骨料為破碎的大理石，再生粗骨料是對舊混凝土進行破碎、篩分和清洗后獲得的；天然粗骨料和再生粗骨料的最大粒徑均為20 mm。天然細骨料、天然粗骨料和再生粗骨料的基本性質見表2。

表2 骨料的物理性質Table 2 Physical properties of aggregate

1.2 配合比設計和試樣制備

本實驗所采用的水灰比為0.45；為研究礦物摻合料和再生粗骨料對混凝土基本特性的影響，利用100%天然粗骨料制備了混凝土試樣作為對照組；其他的試樣則采用100%的再生粗骨料進行制備。同時，為了分析礦物摻合料的摻量以及摻入方式對混凝土強度以及耐高溫的特性的影響規律，本研究采用直接添加法和替代水泥法兩種方式進行礦物成分的摻入，添加和替代比例均設置為0%、5%、10% 和15%。具體的試樣分組和配合比見表3。其中，NC 為對照組、RC 為再生骨料混凝土；S、F 和H 分別代表鐵渣、飛灰和稻殼灰；S 和A 則分別代表替代和添加礦物摻合料。

表3 試樣分組及混凝土配合比/(kg·m-3)Table 3 Grouping of samples and concrete mix ratio

根據表3 配合比對材料稱量和搭配，然后進行混合攪拌；充分攪拌之后進行分批澆筑和養護。根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準GB/T 50081—2016》，試樣為150 mm×150 mm×150 mm 的標準立方體。需要注意的是，在澆筑過程中須對試樣進行振搗，以保證試樣均勻密實。在澆筑24 h 后，進行脫模、編號；并放入標準養護環境（20±3℃和相對濕度 90%以上）下養護28 d。

1.3 實驗方法

為了研究礦物摻合料對混凝土在常溫下以及高溫后基本特性的影響，在養護28 d 之后將部分試樣放入馬弗爐中進行100、200 和400℃的高溫處理；爐子的平均升溫速率為5℃/min，達到目標溫度后持續保持溫度2 h。然后，緩慢冷卻到室溫后對其進行密度、超聲波速和抗壓強度測試；通過與常溫環境下的實驗結果相比獲得礦物成分對混凝土耐高溫特性的影響規律。

抗壓強度測試采用RMT -201 巖石與混凝土力學實驗機，實驗步驟參照《GB/T 50081—2016 普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行；實驗的加載速度設置為0.5 MPa/s，每種試樣均進行三次測試，取三次測試的平均值為最終結果。

2 實驗結果

2.1 混凝土的密度

參照《GBT 50081—2019 混凝土物理力學性能試驗方法標準》對混凝土進行密度測試，不同試樣在不同溫度下的密度結果見圖1。從圖1 可以看出，所有試樣的密度均低于對照組，且溫度越高，試樣的密度值越低。

圖1 摻量對混凝土密度的影響Fig.1 Effect of mixing amount on concrete density

同時，隨著溫度和礦物摻量的變化，不同試樣密度的變化規律也有所不同。對比結果可知，在常溫和100℃環境下，試樣的密度隨著礦物成分的摻量增大而稍有下降；且密度均大于2200 kg/m3。但是，當溫度達到200℃和400℃時，試樣的密度隨著礦物成分摻量的增加出了明顯的下降。在200℃時，RC-F-S、RC-F-A 以及RC-H-S試樣的密度隨著礦物含量的增加先減后增，在10%時達到密度的較小值。在400℃時，RC-FS、RC-F-A 以及RC-H-A 試樣的密度也隨著礦物含量的增加先減后增，在5%時就達到較小值；其他的試樣則持續降低；且部分試樣的密度已經低于2000 kg/m3。此外，對比替代和添加試樣的密度可知，采用添加法制備的試樣的密度稍大于替代法制備的試樣密度。

試樣密度隨著溫度的變化規律見圖2，采用再生骨料制備的混凝土的密度明顯低于對照組試樣，RC-0% 的密度較NC 平均降低了8.7%。此外，所有試樣的密度均隨著溫度的升高逐漸降低，當溫度達到400℃時，摻入鐵渣、飛灰和稻殼灰試樣的密度分別平均降低了12.95%、11.77%和12.33%，均大于對照組試樣的密度降低率（7.74%）和RC-0%的密度降低率（11.4%）。相比之下，從23℃到100℃的密度降低較小，摻入鐵渣、飛灰和稻殼灰試樣的密度分別平均降低了0.61%、0.56% 和0.45%；而從100℃到200℃的密度降低最為明顯，此時上述三種試樣的密度分別降低了8.52%、8.53%和9.43%。這可能是因為當溫度從 100℃增加到200℃時，毛細水和結合水發生了揮發。

圖2 溫度對混凝土密度的影響Fig.2 Effect of temperature on the density of concrete

對比三種不同礦物成分的混凝土密度變化規律還可以看出，在溫度較低（≤100℃）時，三種試樣的密度變化差別較小；但當溫度達到200℃時，含稻殼灰試樣的密度降低率大于鐵渣和飛灰改性試樣的密度降低率；鐵渣和飛灰改性試樣的密度變化率基本相同。當溫度達到400℃時，含鐵渣試樣的密度降低率較大，稻殼灰改性試樣的密度降低率次之；飛灰改性試樣的密度降低率較小。

2.2 混凝土的抗壓強度

混凝土抗壓強度隨著礦物成分含量的變化規律見圖3。

在不同溫度下，試樣的密度均隨著礦物成分含量的增加先增加后減少。在常溫下，采用替代法制備的試樣的強度在摻量為5%時達到較大值，而采用添加法制備的試樣的強度在10%時才達到較大值，且RC-SA>RC-H-A>RC-F-A，見圖3a。在100℃下也有相同的結果，但是此時RC-S-A 試樣的抗壓強度大于對照組試樣的強度，見圖3b。這說明100℃有利于混凝土強度的增大，且采用替代法時的較佳摻量為5%，此時三種礦物成分改性試樣的抗壓強度較大值分別為45.2 MPa、43.2 MPa 和44.8 MPa；采用添加法時的較佳摻量為10%，此時試樣的抗壓強度較大值分別為52.4 MPa、46.1 MPa 和47.9 MPa，這表明添加法更有利于提高再生骨料混凝土的強度。當溫度較高(≥200℃)時，高溫處理后試樣的抗壓強度出了明顯的下降且低于對照組試樣的抗壓強度，見圖3c 和3d。

圖3 摻量對混凝土強度的影響Fig.3 Effect of mixing amount on concrete strength

試樣的強度隨著溫度的變化規律見圖4。相比于RC-0%試樣，摻入礦物摻合料之后試樣的抗壓強度均有所增長，且試樣的抗壓強度隨著溫度的升高呈先增加后減少的現象，在100℃時較大，在400℃時較小。一般而言，在經受400℃高溫后，NC、RC-0%、飛灰、鐵渣和稻殼灰改性再生骨料混凝土的抗壓強度分別平均降低47.5%、56.2%、49.3%、59.2%和59.6%，這表明飛灰對再生骨料混凝土的耐高溫性能較為有利，鐵渣次之，稻殼灰較差。相比之下，以添加法摻入礦物摻合料時，試樣的強度較替代法制備的試樣的強度高；尤其是在100℃時；但當溫度達到400℃時，兩種方法制備的試樣的殘余強度差別較小。

圖4 溫度對混凝土強度的影響Fig.4 Effect of temperature on the strength of concrete

2.3 超聲波速 (UPV)

超聲脈沖在再生骨料混凝土中的傳播速度測量結果見圖5。

與溫度對抗壓強度和密度的影響類似，隨著溫度的升高，試樣的超聲波速不斷下降。不同的是，飛灰改性混凝土的超聲波速處于NC 和RC-0%之間，見圖5a；鐵渣改性混凝土的超聲波速大部分在RC-0%試樣之下，見圖5b；而稻殼灰改性混凝土的超聲波速大部分處于NC 和RC-0%之間，見圖5c；這表明試樣內超聲波的傳播速度為：含飛灰試樣>含稻殼灰試樣>含鐵渣試樣。實驗數據也可以證明這一點，飛灰改性試樣在100℃、200℃和400℃時的超聲波速平均值分別為：3966.3、3531.8 和2486 m/s。在相同的溫度條件下，稻殼灰和鐵渣改性試樣的超聲波速平均值分別為3899、3199.8 和2235.3 m/s；3772.8、2791.3和2177.4 m/s。從圖5 還可以發現，采用添加法制備的試樣的超聲脈沖傳播速度稍高于同樣條件下采用替代法制備的試樣的超聲波速，這與密度和強度結果相一致。

圖5 溫度對混凝土超聲波速的影響Fig.5 Effect of ultrasonic wave velocity on the strength of concrete

2.4 混凝土的彈性模量

試樣在不同溫度和不同摻量下的彈性模量測定結果見圖6；為了顯示出礦物成分對再生骨料混凝土彈性模量的影響，在此利用RC-0%試樣的彈性模型對其他試樣進行歸一化處理得出相對于RC-0%的相對彈性模量。由于不同溫度下的結果基本相同，在此只展示了23℃和400℃下的測量結果。

從圖6 可以看出，在不同溫度下，試樣的相對彈性模量隨著礦物摻量的增加先增后減，在5%時達到較大值。同時，兩種礦物成分摻入方法的試樣的實驗結果表明在常溫和高溫下，添加法比替代法能更有效地提高再生骨料混凝土的彈性模量。對比三種礦物成分改性的試樣可知在常溫和添加條件下，飛灰、鐵渣和稻殼灰改性試樣的較大相對彈性模量分別為134.9%、114%和123%，見圖6a，這表明飛灰對試樣彈性模量的增強效果較大，稻殼灰次之，鐵渣則較小；在400℃下也呈相同的規律，見圖6b。

圖6 摻量對混凝土相對彈性模量的影響Fig.6 Effect of mixing amount on relative elastic modulus of concrete

2.5 相關性分析

混凝土各個物理與力學參數之間具有一定的相關性，為此本文對密度-強度、密度-彈性模量、超聲波速-強度和超聲波速-彈性模量間的相關關系進行了分析。

不同溫度和摻入方法下混凝土密度和強度之間的關系見圖7。對比四種條件下的結果可以發現，在23℃和替代法時，密度和抗壓強度間的相關性較好，三種試樣的R均大于0.86，見圖7a。而在其他條件下，密度和抗壓強度間的相關性較差。在400℃時，替代法制備的試樣的密度與抗壓強度之間也具有更好的相關性，見圖7c。在采用添加法時，二者之間幾乎不存明顯的相關性。此外，圖7b、7c 和7d 中還出現了擬合線直線斜率為負的現象，根據對飛灰對試樣密度和強度的結果進行分析，添加不同比例的飛灰時，試樣的密度十分接近，且飛灰含量越高強度越低，這就導致了密度與強度間的負相關關系。

圖7 混凝土密度與強度間的關系Fig.7 Relationship between the density and strength of concrete

常溫下混凝土密度和彈性模量之間的關系見圖8。由于不同溫度下的結果類似，只展示23℃下的結果。采用替代法時，RC-S-R 試樣的密度與彈性模量間的線性相關性較好，R值為0.912；RC-H-R 次之，而RC-F-R 試樣的密度與彈性模量間的線性相關性較差，見圖8a；采用添加法時，除了飛灰改性試樣外，其他兩種試樣的密度與彈性模量之間的相關性較弱。

圖8 混凝土的密度與彈性模量間的關系Fig.8 Relationship between density and elasticity modulus of concrete

常溫下混凝土超聲波速和強度之間的關系見圖9。密度與強度和密度與彈性模量相關的結果，在采用替代法時超聲波速與彈性模量間的相關性更好；而在采用添加法時，超聲波速與抗壓強度間的相關關系具有較大的離散性，其中R較大為0.7675，較小為0.4167。這表明在采用超聲波速進行礦物成分改性再生骨料混凝土強度預測時，需要考慮礦物成分的種類以及礦物成分的添加方法；對替代法制備的試樣比較適用，而對添加法制備的試樣就需謹慎。

圖9 超聲波速與強度間的關系Fig.9 Rrelationship between ultrasonic wave velocity and intensity

常溫下混凝土超聲波速與彈性模量之間的關系見圖10。整體而言，兩種礦物成分添加方法制備的試樣的超聲波速與彈性模量間具有一定的相關性，但不同試樣的超聲波速與彈性模量間的相關性具有明顯的離散性。同時，不同與抗壓強度與密度、抗壓強度與超聲波速以及密度與彈性模量的相關性變化規律，添加法制備的混凝土的超聲波速與彈性模量間的相關性稍好于替代法制備的試樣的相關性。

圖10 超聲波速與彈性模量間的關系Fig.10 Relationship between ultrasonic wave velocity and elastic modulus

3 結論

（1）再生骨料和高溫的作用都致使混凝土密度下降；相比與添加法，采用替代法進行試樣制備更有利于降低試樣的密度。

（2）試樣的抗壓強度均隨著摻合料含量的增加先增后減，基于此得出采用替代法和添加法時外摻料的較優摻量分別為5%和10%；但均小于對照組試樣的抗壓強度。隨著溫度的升高抗壓強度也是先增后減，且在100℃時，RC-S10%-A 試樣的抗壓強度達到52 MPa，大于對照組試樣的抗壓強度(50.2 MPa)。對再生骨料混凝土耐高溫性能的貢獻飛灰較大，鐵渣次之，稻殼灰較差。此外，添加法比替代法更有利于提高試樣的強度。

（3）隨著溫度的升高，試樣內的超聲波速不斷下降。試樣內超聲波的傳播速度下降順序為：含飛灰試樣>含稻殼灰試樣>含鐵渣試樣；且添加法試樣的超聲波速度高于替代法試樣的超聲波速；但均小于對照組試樣的超聲波速。

（4）相對彈性模量隨著摻合料摻量的增加先增后減，在摻量為5%時較大；且添加法比替代法能更有效地提高再生骨料混凝土的彈性模量。

（5）采用替代法時，密度與抗壓強度、密度與彈性模量以及超聲波速與抗壓強度間的相關性較好；而采用添加法時，上述參數之間的相關性較差。