再生微粉混凝土的力學性能與耐久性能

吳銘禧 楊云英 陳子豪 吳宇彬

（1 廣州大學土木工程學院；2 廣東石油化工學院建筑工程學院）

再生微粉(Recycled Micro-Powder,RMP)是破碎廢棄砌塊、砂漿、混凝土時產生粒徑小于75μm 的顆粒，再生微粉分為再生粘土磚粉和再生混凝土粉，本文主要討論混凝土再生微粉。再生微粉按一定取代率取代水泥制備的混凝土稱為再生微粉混凝土（Recycled Micro-Powder Concrete,RMPC）。推廣使用RMPC 能夠節約資源和降低碳排放，因而具有生態和經濟意義[1,2]。針對RMPC，國外研究者開展以下方面研究：Saeed Ahmari 發現RMP 使RMPC 中砂漿基體的孔隙率顯著增加。國內研究者開展了以下方面的研究：肖建莊等[3]發現RMP 取代率越高砂漿孔隙率越大對砂漿力學性能和流動性能的損失越大。李琴等[4]發現了經活性激發后微觀孔隙結構得到改善，顯著降低了砂漿基體的孔隙率。因此，高效利用再生微粉制備混凝土成為近年來研究的熱點。

本文綜述了近年來廢棄混凝土RMP 在砂漿和混凝土應用的研究進展，首先總結了RMP 的物理化學性質，然后分析再生微粉對混凝土力學性能與耐久性能的影響，并依此總結出目前用RMP 制備混凝土所存在的不足，分析改性RMP 對混凝土力學性能與耐久性能的改善效果，為提高RMPC性能的進一步研究和應用提供參考。

1 再生微粉的性質

1.1 再生微粉的物理性質

廢棄混凝土再生微粉來源復雜制作工藝粗糙，其物理性能差異較大。如圖1 是RMP 的掃描電子顯微鏡圖像，圖中所示RMP 顆粒形狀多呈針片狀、多棱角不規則狀和多孔洞凹陷狀，且顆粒大小不均。如圖2 是粉煤灰、水泥和RMP 顆粒粒徑分布圖，圖2 中所示RMP 粒徑跨度較水泥和粉煤灰大，平均粒徑也較水泥和粉煤灰大，這使RMP 物理性質波動較大[5]。如表1 四個不同粉體樣品物理參數，樣品依次為：RMP樣品1、RMP樣品2、水泥樣品、粉煤灰樣品。表1所示，RMP堆積密度和表觀密度介于水泥和粉煤灰之間，而比表面積卻高于水泥與粉煤灰，相同一份樣品經研磨后RMP比表面積增加80%，由此可知RMP 孔隙率高。綜合可知，RMP 顆粒級配差顆粒孔隙率高，研磨處理可以細化RMP降低其孔隙率。

圖1 RMP的掃描電子顯微鏡圖像[6,7]

圖2 粉體粒徑分布曲線[7,8]

表1 物理屬性

1.2 再生微粉的化學成分與礦物組分

廢棄混凝土RMP 包含水泥水化后產物、未水化水泥和砂石粉末三部分。表2 列舉了水泥樣品、粉煤灰樣品及多個RMP 樣品化學成分及各成分含量，RMP 的主要化學成分及含量為SiO2含量23%～50%、Fe2O3含量2%～6%、Al2O3含量7%～11%、CaO 含量13%～40%。RMP 成分與水泥和粉煤灰基本相同，但活性氧化物含量低于水泥和粉煤灰。圖3(a)、(b)分別為未處理RMP 和振動球磨處理RMP 的XRD 圖，可以發現未經處理RMP 衍射峰主要是二氧化硅(石英)和方解石(CaCO3)，球磨處理后方解石峰加強，石英峰減弱，硅酸二鈣（C2S）峰增強，由此可見RMP在機械力作用下釋放了包裹未水化活性成分C2S 和Ca(OH)2。石英峰減弱是因為研磨可以破壞與扭曲再生微分中SiO2四面體與Al2O3八面體產生晶格，使其無定形化降低SiO2和Al2O3化學鍵能降低其表面結合能也降低[7,10]，從而產生高活性、低表面結合能的相物，提高后期火山灰反應效率[10-12]，火山灰效應生成水化硅酸鈣凝膠如下式⑴、⑵[13,14]。綜上可知，從化學組分和礦物組成分析RMP 活性較弱，但是經研磨處理生微粉為膠凝材料在理論層面是可行的，可用作輔助凝膠材料，是一種很有潛力的水泥替代品。

圖3 RMP射線衍射譜圖[18]

表2 再生微粉化學成分

2 再生微粉對再生微粉混凝土工作性能的影響

坍落度和擴展度是表示混凝土自然堆積狀態下的流動性指標，表3是不同配比的RMPC坍落度值與擴展度值，減水劑用量是膠凝材料的1.5%。如表3 所示，同取代率下不同水灰比對RMPC 坍落度和擴展度影響很小，而相同水灰比隨著RMP 取代率上升，坍落度和擴展度都有所下降，取代率20%～30%的擴展度損失最大。綜上可知，0～20%取代率下，RMP對RMPC流動性影響小，取代率超過20%流動性能有所下降。

表3 RMPC流動性測量指標

3 再生微粉對再生微粉混凝土力學性能影響

3.1 抗壓強度

抗壓強度是混凝土最重要的力學性能指標，圖4 給出了不同水灰比情況下[8,19,20]，RMP 取代率與RMPC 的28天抗壓強度之關系。圖4 表明，當水膠比保持恒定時，隨著取代率的增加，RMPC 強度損失量也在增加，取代率從0 增加到15%RMPC 抗壓強度降低7%，取代率從15%增加到30%RMPC 抗壓強度降幅至13.5%，取代率從30%增加到45%RMPC 抗壓強度降幅至29.2%。這是由于RMP 取代率增加，砂漿界面孔隙率和粘結強度下降導致，如圖5 是普通混凝土和15%RMPC 的SEM 圖對比圖，從圖中可見，加入RMP 的混凝土凹凸孔隙明顯，還有裂縫出現，這些裂縫會隨著取代率增加而擴展，孔隙和裂縫是受力薄弱點，是造成強度損失的主要原因。

圖4 RMP取代率與混凝土抗壓強度的關系[8,19,20]

圖5 普通混凝土和15%RMPC的SEM圖對比圖[3]

水膠比不同，RMPC 對抗壓強度影響不盡一致[21]，以圖4 中水膠比0.5、0.4 為例對比，0.5 水膠比在取代率15%強度有7%的增長，30%、45%強度損失率分別為13.5%、29.2%，而0.4水膠比在取代率15%、30%、45%強度損失率2%、4%、17%，高水膠比下RMP 取代率對抗壓強度削弱較大，這是因為高水膠比水泥量少，砂漿基體孔隙和裂縫更加明顯，同時粘接性會變差。圖6 是0.4、0.5水灰比的RMPC28 天抗壓強度試驗后破壞形態，兩個試件RMP 取代率均為20%，如圖所示0.4 配合比的破壞形態有粗骨料破壞的情況出現，而0.5 配合比的破壞形態有砂漿和骨料分離的情況出現，表明同一取代率，RMPC低水灰比砂漿基體與粗骨料結合情況較高水灰比好。

3.2 改性再生微粉強度對比

研磨是最常用的顆粒細化整形方法，整形后的RMP能發揮填充效應和晶核效應。圖7 是不同研磨程度的RMP 所制備混凝土的相對抗壓強度與取代率的關系，不同研磨程度的RMP 以D50（一個樣品的累計粒度分布百分數達到50%時所對應的粒徑）表示。如圖7所示，隨著研磨程度增加，RMPD50 數值越小，而D50 數值越小，RMP造成強度損失更小。因為細化后顆粒在漿體中分布更密集，顆粒間距離變小[22]，水泥水化時顆粒間形成的連接更短更緊致，補償孔隙同時細小顆粒可以作為晶核誘導結晶加速水泥水化速率使抗壓強度提高。此外，研磨可以釋放包裹的活性物質提高微粉活性。

圖7 RMP取代率與相對抗壓強度的關系[17,20,23-25]

化學激發是常用激發方式之一，常用的化學激發劑有NaOH、Ca(OH)2、偏硅酸納，圖8 是三種激發劑處理后的改性RMPC，每個配比的水膠比均為0.5，RMP的取代率均為20%。如圖8 所示在單一激發劑的處理下，激發組與對比組相比，強度有所損失，均未實現強度增長，三種激發劑對強度削弱效果NaOH 最小，NaOH 結合研磨處理組強度有所增長。因為，堿激發劑首先從玻璃體表面開始溶解RMP 中CaO-SiO2-Al2O3玻璃體物質表面網絡聚合體，生成具有較高強度和水硬性的硅酸鈣(C-S-H)、水化鋁酸鈣(C-A-H)和其他晶體[26-28]。粒徑大激發劑激發效果差，而研磨處理后顆粒小，能提高激發效率。

圖8 改性RMPC強度

4 再生微粉對混凝土耐久性能的影響

4.1 抗碳化性能

碳化不會對混凝土引起直接性能劣化，但是鋼筋混凝土體系中，混凝土的抗碳化性能是維持環境堿度保障鋼筋不受侵蝕的重要能力。圖9 是兩個不同配比在不同RMP取代率下RMPC加速碳化日期與碳化深度的關系。如圖9所示，兩組配比RMPC均隨碳化日期增加碳化深度呈近似線性增長。再者，RC1 取代率10%、20%、30%的近似增長率分別為0.16、0.15、0.29、0.34，RC2 取代率10%、20%、30%的近似增長率分別為0.03、0.05、0.14、0.17，除RC1 10%取代率碳化增長率有所下降外，兩組混凝土碳化深度增長率均隨取代率增加而增加。因為低取代率下RMP 填充效應能補償孔隙密實結構進而提高抗碳化性能[29,30]，相反高取代率下RMP 使混凝土中砂漿界面孔隙率變大甚至出現聯通孔隙，這導致CO2透過孔隙更快向內部擴散，RMPC的抗碳化性能下降。

圖9 RMPC碳化深度[20,31]

4.2 抗氯離子侵蝕

氯離子滲透侵蝕類似碳化侵蝕機理，同樣是對鋼筋混凝土體系中鋼筋侵蝕破壞。RMP 在合適的取代率（0～30%）下RMPC 在抗氯離子滲透能力方面是有所改善的[32]。圖10是各取代率下的氯離子濃度與氯離子滲透深度關系，RMPC 孔隙率理應高于普通混凝土，氯離子滲透深度亦理應高于普通混凝土，而如圖10 所示在相同氯離子濃度下RMPC 氯離子滲透深度比普通混凝土小，且隨著RMP 取代率提高混凝土抗氯離子滲透性能也提高，取代率達30%氯離子抗滲性能最佳，超過30%氯離子抗滲性開始下降。因為氯離子進入混凝土中分為與混凝土結合形成如式⑶所示晶體的結合氯離子與游離在混凝土孔隙通道的自由氯離子，而圖10 中氯離子滲透深度所檢測的是自由氯離子，由此可推斷RMPC 結合氯離子能力高于普通混凝土，且RMPC 結合氯離子后能有效降低孔隙率降低自由氯離子滲透。

圖10 RMPC氯離子滲透深度及含量的關系[11]

5 結束語

綜上所述，可知：⑴RMP 物理化學性質復雜，主要體現在級配不均勻與活性物含量低，但是在研磨處理下仍可作為輔助膠凝材料使用。⑵隨著RMP 取代率增加造成孔隙率增大，而孔隙是受力薄弱區，因此取代率越大RMPC 抗壓強度越低。⑶單一的激發劑處理對RMP 并沒有起到強度增強效果，激發劑和研磨組合處理能提高激發效果。⑷RMPC 碳化深度隨碳化日期呈現近似線性增加，且隨著RMP 取代率增加，碳化深度增長率亦增加。RMPC 氯離子結合能力較普通混凝土好，氯離子滲透能力隨RMP 取代率增加而降低。為了提高RMP 高效利用，有些方面仍需進一步研究：⑴現有活化方式成本高，效果低，而RMP 改性方式機理是提高活化效果的重要理論前提，目前活化機理理論相關研究較少。⑵建立RMP 取代率與RMPC的抗折、本構等力學性能之關系。