不同ESP-GP摻量對混凝土力學性能的影響規律試驗研究

基金項目：廣西交通運輸行業重點科技項目（桂交便函〔2021〕148號）；廣西交通職業技術學院科學研究重大指定項目（JZY2021KZD01）；廣西交通職業技術學院橫向課題（X-GL-SHZGS（S）-GUX-TB-05-JS-011）

作者簡介：韋秋平（1976—），講師，研究方向：交通土建工程新材料及應用化學

摘要：文章以C60混凝土作為試驗對象，以不同摻量蛋殼顆粒（ESP）和廢棄玻璃粉末（GP）替代水泥制備改性混凝土試件，測試改性混凝土抗壓強度、劈裂強度和抗折強度等關鍵力學指標，研究ESP-GP摻量對混凝土力學性能的影響規律，以確定力學性能滿足服役要求條件下的最佳改性材料摻量，為高性能混凝土研發提供試驗依據。

關鍵詞：廢蛋殼；廢玻璃；力學性能；混凝土

中圖分類號：U414

0 引言

文件強調，發展綠色低碳交通是交通運輸行業加強生態文明建設、服務國家碳中和目標、深入打好污染防治攻堅戰的重要舉措^［1］。隨著我國經濟進入高速發展期，混凝土制品作為交通運輸建設中重要的建筑材料，產量也將劇烈攀升。水泥作為混凝土制品中必不可少的原材料，雖在成本、取材等方面具有優勢，但其生產過程中因污染、能耗等方面的缺點，與國家綠色交通體系的構建相悖。近年來，研發一款既能滿足建設工程中混凝土服役需求、又能提高環保效益的新型混凝土材料，成為學者們響應建設行業節能減排號召的熱點：黃龍^［2］針對珊瑚骨料混凝土強度缺陷，選用三種不同類型納米材料，通過真空攪拌的方式對珊瑚混凝土進行改性處理，制備出呈現低孔隙率、高強、高抗滲等優點的改性珊瑚骨料混凝土；霍曉宇^［3］針對再生骨料混凝土力學性能低下等弊端，利用硅酸鈉與硅烷兩種改性劑，對再生骨料進行單一改性與混合改性處理，從而制備改性再生骨料混凝土，通過測試其相關性能，揭示改性機理，順應綠色交通的發展理念；宋加祥^［4］將玄武巖纖維摻入混凝土中，通過測試單軸受壓強度，研究力學性能變化規律、判斷混凝土斷裂模式，為混凝土結構的維修養護提供科學依據。

雖然學者們已經利用各類材料開展了一定的改性混凝土研究，但由于我國幅員遼闊，改性材料取材區域各有不同。廣西壯族自治區作為我國交通強國試點省區之一，在“十四五”期間計劃開展多項重大工程建設，開發一種利用常見廢舊材料作為改性材料，且能在達到交通建設用混凝土技術要求的基礎上，實現對水泥這一重要能耗材料的替代，成為廣西亟須解決的問題。為此，本文在深入剖析專家學者研究成果的基礎上，以C60混凝土作為試驗對象，擬利用處理后的蛋殼和廢玻璃為改性材料，以不同摻量替代水泥從而制備不同摻量下的混凝土試件，通過測試改性混凝土抗壓強度、劈裂強度和抗折強度等關鍵力學指標，探尋蛋殼-廢玻璃摻量對混凝土力學性能的影響規律，試圖確定力學性能滿足服役要求條件下的最佳改性材料摻量，為今后廣西綠色交通行業建設中高性能混凝土的研發提供試驗依據。

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1混凝土拌和原材料

水泥選用廣西某水泥廠普通硅酸鹽水泥，標號為P·O 42.5。其主要成分和物理參數如表1～2所示。骨料選用廣西某廠生產的粗、細骨料。粗骨料為石灰巖碎石，粒徑控制在4.75～20 mm，表觀密度和堆積密度分別為2 845 kg/cm³、1 735 kg/cm³，吸水率為0.55%；細骨料為河砂，粒徑控制在0.15～4.75 mm，表觀密度和堆積密度分別為2 645 kg/cm³、1 495 kg/cm³，細度為2.70。減水劑選用聚羧酸類淺黃色液態減水劑，pH值為5.0～7.0，減水率為25%。選用生活飲用水作為拌和水，技術性能滿足《生活用水衛生標準》（GB5749-2006）要求。

1.1.2 ESP顆粒和GP粉末原材料

蛋殼屬于生活垃圾中比較常見的一種材料，其成分主要以鈣質結晶物為主，與石灰石主要成分相似，經過處理后的蛋殼顆粒（ESP）可作為替代水泥制備混凝土的主要原材料之一。本試驗所選用的蛋殼為廣西某食品廠制作蛋類食品后的蛋殼廚余垃圾，回收清潔后，通過清洗、烘干、煅燒、篩分等過程，最終得到ESP顆粒。ESP顆粒制備過程如圖1所示。

在廢品回收站及各大玻璃制品工廠中通常存在大量廢棄玻璃，可以將這些廢棄玻璃進行回收，然后通過預先破碎，在洗凈之后將其完全自然風干，之后再將玻璃碎片破碎至長度在3～5 mm左右的玻璃碎渣，再把玻璃碎渣放入破壁機內進行粉碎，待玻璃碎渣粉碎至30～300目的玻璃顆粒后，將其放入球磨機進行研磨，研磨完成后再通過分級篩選，選出可使用的玻璃粉末即可獲得改性混凝土所需要的廢棄玻璃粉末（GP）。GP粉末制備過程如圖2所示。

1.2 試驗方法

1.2.1試驗方案

制備ESP-GP混凝土試件前，先按照質量1∶1混合ESP顆粒與GP粉末以激發二者活性。隨后制備ESP-GP混凝土試件時，將混合粉末分別按照0、10%、20%、30%、40%、50%摻量替代膠凝材料用量，借鑒學者研究經驗^［5］按照混凝土設計強度C60、水膠比0.3、砂率31%、養護溫度20±2℃制作試驗試件，試件制備時所有干料聯合攪拌，其他流程參考《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2016）。試驗方案如表3所示。

1.2.2試驗方法

抗壓強度試驗：試塊采用的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的正方體進行抗壓強度試驗，需要根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》乘以強度換算系數0.95進行計算。該試件采用不同摻入量的ESP和GP加上水泥拌和成型。試驗使用2 000 kN MTS 萬能試驗機，將加載速率設置為0.5 kN/s進行試驗，以此來表征ESP-GP混凝土的抗壓性能。

抗劈裂試驗：主要目的是為了測試混凝土開裂的強度值以及衡量基材與骨料之間的粘合強度。該次試驗將采用不同ESP-GP摻量的100 mm×100 mm×100 mm混凝土試塊進行測試，待試件在第二天拆模后，將其放進養護室進行標準養護，在其到達齡期狀態時，再進行下一步劈裂強度試驗。試驗使用2 000 kN MTS 萬能試驗機進行測試試驗，加速速率要設置在0.1 kN/s。

混凝土的抗折強度：作為基本力學指標，其抗折強度表現了混凝土在受彎曲時能夠承受的最大彎曲應力。根據各項規范進行試驗，采用不同試件ESP-GP摻量的100 mm×100 mm×400 mm混凝土立方體，試驗儀器所采用2 000 kN MTS 萬能試驗機，其加速速率設置為0.5 KN/s。

2 結果與分析

2.1 ESP-GP摻入量對抗壓強度的影響

由于混凝土材料在諸如橋墩、樁基等交通建筑物中常發揮其抗壓作用，故ESP-GP混凝土試件抗壓強度的指標好壞，是決定該方法制備混凝土能否順利應用于交通建筑物的關鍵所在。測試抗壓強度結果如圖3所示：隨著ESP-GP摻量從0、10%、20%、30%、40%、50%逐漸增大，ESP-GP混凝土3 d、7 d抗壓強度指標總體呈現降低的趨勢，而28 d抗壓強度則呈現先升高后降低的趨勢，因此摻入ESP-GP混合料替代水泥用量，對混凝土早齡期抗壓強度的提升有阻礙作用，而對后期強度的提升有促進作用；與0摻量的混凝土試件相比，在摻量逐漸增大的過程中，3 d抗壓強度分別降低了1.30%、0.15%、0.58%、2.65%、10.57%，7 d抗壓強度分別降低了0.38%、3.34%、4.12%、4.44%、2.47%；28 d抗壓強度則升高了5.32%、6.73%、0.34%、5.61%、18.17%，最高值出現在ESP-GP摻量為40%附近，其抗壓強度最大值為94.1 MPa。可見，ESP-GP摻量在40%時，28 d抗壓強度的提升最為明顯。

2.2 ESP-GP摻入量對劈裂強度的影響

在交通運輸工程中，建筑物服役期間長期承受各類外部荷載，混凝土會不同程度發生開裂等病害。膠凝材料直接影響骨料間粘結力大小，而測試混凝土試件劈裂強度，可以表征其骨料粘結力的變化情況，有效指導鋼筋混凝土構件在鋼筋握裹力、構件抗剪力等方面的設計。測試ESP-GP混凝土試件劈裂強度并繪制曲線如圖4所示：與抗壓強度變化情況類似，隨著ESP-GP摻量從0、10%、20%、30%、40%、50%逐漸變大，3 d、7 d劈裂強度總體呈現逐漸降低的趨勢，而28 d劈裂強度則呈現先升高后降低的變化規律，這說明摻入ESP-GP混合料，對28 d劈裂強度提升的幫助較大；3 d、7 d劈裂強度曲線變化情況較為相似，其指標數值分別由6.80 MPa和7.00 MPa最終降低至4.90 MPa和5.6 MPa，隨著ESP-GP摻量的增加，總體數值分別降低了27.94%和20.00%，降低幅度最快出現在摻量最大處，這說明ESP-GP的摻入對早齡期劈裂強度有不利影響；觀察28 d劈裂強度變化曲線，隨著ESP-GP摻量的增加，劈裂強度指標數值分別為7.28 MPa、7.81 MPa、8.01 MPa、8.40 MPa、7.72 MPa，峰值出現在ESP-GP摻量為40%處，其劈裂強度指標數值相較摻量0時提升了18.31%。可以看出，ESP-GP摻入僅對后期骨料粘結力有提升作用。

2.3 ESP-GP摻量對抗折強度的影響

材料單位面積承受彎矩時的極限折斷應力稱為抗折強度，主要用來表達材料抵抗彎曲不斷裂的能力，是混凝土材料中一個重要的力學指標，測試材料的抗折強度，可以得知材料截面抗折力度的極限數值以及外摻ESP-GP的最佳配比，以便其在實際工程中的運用。在測試ESP-GP混凝土試件的抗折強度后得出數據如圖5所示：在20±2 ℃養護28 d后，混凝土試件抗折強度指標數值隨著ESP-GP摻量的增加呈現先上升后下降的趨勢。在ESP-GP摻量為0、10%、20%、30%、40%時，抗折強度從11.21 MPa上漲到13.27 MPa，但在ESP-GP摻量增加到50%時，試件強度反而下降到了12.9 MPa；在ESP-GP摻量達到40%時，ESP-GP混凝土的抗折強度達到最佳峰值，其抗折強度為13.27 MPa，隨后ESP-GP摻量再進一步增加，則造成ESP-GP混凝土試件抗折強度的急劇下降。因此，該混凝土應用于交通工程框架、基礎梁等構件中時，ESP-GP摻量應維持在40%附近。

2.4 改性機理分析

ESP-GP摻合料主要成分為鈣質及硅質結晶物，顆粒經過充分粉化后，由于其具有一定的火山灰效應，可以對混凝土水化作用產生補充和促進，但C-S-H 凝膠連接較慢，該火山灰效應會滯后。混凝土試件測試中，由于受到外部荷載，病害起初主要發生在水泥分布少的區域，由于ESP-GP摻合料替代了部分水泥材料，水泥的用量減少降低了早期水化反應和骨料粘結的程度，致使試件早期抗壓強度、劈裂強度降低，且摻量越大降低越多；但隨著齡期的增加，ESP-GP摻合料火山灰效應逐漸顯現，加之水泥水化反應逐漸充分，水化產物充分填充混凝土試件孔隙、骨料粘結力增大，使混凝土試件的后期抗壓強度、劈裂強度和抗折強度快速提升，摻量達到一定臨界范圍時，混凝土試件孔隙已基本被填充完全，所以隨著摻量繼續增加，上述指標反而會由于水泥用量的降低而減小。

3 結語

本文以C60混凝土為研究對象，基于交通運輸行業建筑物服役期間所受基礎荷載情況，利用ESP-GP混合料以不同摻量替代水泥，制備混凝土試件。通過測試ESP-GP混凝土試件的抗壓強度、劈裂強度和抗折強度，得到各基本力學指標的變化與ESP-GP摻量之間的影響規律并分析其深層機理，為今后廣西利用廢料研發交通用混凝土材料提供基礎。研究結果表明：

（1）ESP-GP的摻入對混凝土后期抗壓強度的提升有促進作用，隨著ESP-GP摻量的增大28 d抗壓強度升高，摻量在40%時抗壓強度為94.1 MPa，提升最為明顯。

（2）ESP-GP的摻入對混凝土后期劈裂強度有提升作用，隨著ESP-GP摻量逐漸變大，28 d劈裂強度呈現先升高后降低的變化規律，峰值出現在ESP-GP摻量為40%處，其劈裂強度指標數值相較摻量0時提升了18.31%。

（3）ESP-GP的摻入對混凝土抗折強度有改善作用，試件抗折強度指標數值隨著ESP-GP摻量的增加呈現先上升后下降的趨勢；在ESP-GP摻量達到40%時，ESP-GP混凝土的抗折強度達到最佳峰值，其抗折強度為13.27 MPa。

（4）ESP-GP摻合料可以對混凝土水化作用產生補充和促進，但火山灰效應會滯后，所以在選用ESP-GP替代水泥制備混凝土時，摻量以40%為宜。

參考文獻

［1］交通運輸部辦公廳.關于印發《綠色交通標準體系（2022年）》的通知（EB/OL）.https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-08/23/content_5706441.htm，2022-08-23.

［2］黃 龍. 改性珊瑚骨料混凝土基本力學性能及抗滲性試驗研究［D］.桂林：桂林理工大學，2022.

［3］霍曉宇.改性劑對再生骨料混凝土力學性能影響研究［D］.西安：西安理工大學，2021.

［4］宋加祥.橡膠-玄武巖纖維復合改性混凝土單軸受壓損傷特性研究［D］.長春：吉林大學，2021.

［5］代明江.蛋殼顆粒-廢玻璃粉改性混凝土力學特性及水化機理試驗研究［D］.西安：西京學院，2022.

收稿日期：2023-04-07