礦渣粉對(duì)不同取代率再生混凝土力學(xué)性能的影響研究

李軍發(fā)

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著我國(guó)建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，導(dǎo)致每年產(chǎn)生建筑廢棄物約為15～24 億t，不僅占用大量的土地資源，同時(shí)也給自然環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1-2]。再生集料混凝土是建筑廢棄物回收利用的重要途徑，是由廢棄混凝土塊、水泥、砂、碎石等拌合而成的一種新型環(huán)保建筑材料，但由于再生集料具有表面粗糙、孔隙率高、吸水性大、強(qiáng)度及密度較低等特征，限制了其在某些工程領(lǐng)域推廣應(yīng)用，這是因?yàn)閷?duì)再生集料混凝土的使用性能缺乏足夠的理論研究[3-4]。

由于礦渣粉在混凝土拌合物中能起到良好的填充密實(shí)作用與微集料效應(yīng)，故有利于改善水泥混凝土的強(qiáng)度及耐久性[5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者在礦渣粉對(duì)混凝土性能影響方面進(jìn)行了大量研究，如王露等[6]通過(guò)正交設(shè)計(jì)確定大摻量礦渣水泥的最佳配合比并制備出C40 混凝土，同時(shí)研究了混凝土的力學(xué)性能及耐久性；楊斌等[7]探討了粉煤灰、礦渣在單摻或復(fù)摻條件下對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響；王永合等[8]分別研究了不同摻量的粉煤灰、礦渣、硅灰對(duì)混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響。上述研究均為礦渣粉對(duì)混凝土性能方面的影響，而在再生混凝土方面的研究較為欠缺。基于此，本文通過(guò)配合比設(shè)計(jì)將礦渣粉摻入3 種不同再生粗集料取代率的混凝土中并進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，研究了礦渣粉和齡期對(duì)再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及軸心抗壓強(qiáng)度的影響，以期為再生混凝土工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

a）水泥 某水泥廠家生產(chǎn)的P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，密度為3.1 g/cm3，比表面積為3 960 cm2/g，各項(xiàng)性能技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥技術(shù)性能指標(biāo)

b）粗集料 天然粗集料選用碎石，再生粗集料通過(guò)C30 舊混凝土路面破碎而成，其篩分結(jié)果具體如表2 所示。

表2 粗集料篩分結(jié)果

c）細(xì)集料 中砂，其細(xì)度模數(shù)為2.65。

d）礦渣粉 取自某廠水淬高爐礦渣粉磨，細(xì)度為657 m2/kg。

e）減水劑 高效減水劑，減水率為26%，減水劑摻量為1.2%。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程（JGJ 55—2011）》進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，不同混凝土所采取的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果如表3 所示。

表3 再生混凝土配合比設(shè)計(jì)

從表3 可以看出，混凝土拌合物中水泥用量為400 kg/m3，水灰比為0.34，再生粗集料替代率分別為0、30%、50%，礦渣粉等量替代20%水泥。通過(guò)對(duì)不同組合的再生混凝土坍落度展開(kāi)測(cè)試，得到摻加礦渣粉組合的再生混凝土坍落度均有明顯增大，說(shuō)明礦渣粉能有效改善再生混凝土的工作性能。

1.3 試驗(yàn)方法

再生混凝土的力學(xué)性能測(cè)定方法均參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50081—2002）》、《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50080—2016）》的規(guī)定執(zhí)行，其中立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用邊長(zhǎng)10 cm 的立方體試塊，劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用邊長(zhǎng)為15 cm 的立方體試塊，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用10 cm×10 cm×40 cm 的長(zhǎng)方體試塊，軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)則采用15 cm×15 cm×30 cm 的長(zhǎng)方體試塊，待各成型試塊達(dá)到24 h 后脫模，再置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并分別測(cè)試其在7 d、28 d 和90 d 齡期的各項(xiàng)物理力學(xué)性能指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)不同配合比的再生混凝土進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分別得到7 d、28 d、90 d 齡期時(shí)再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表4 及圖1 所示。

表4 再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度 MPa

圖1 再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度變化曲線

由圖1 可知，隨著齡期的增大，不同配合比的再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度均逐漸增大，其中在7 d 齡期時(shí)摻入礦渣粉再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度較對(duì)照組有所降低，而在28 d、90 d 齡期時(shí)立方體抗壓強(qiáng)度較對(duì)照組有較為明顯的提高，原因是礦渣粉的摻入能夠改善膠凝材料的顆粒級(jí)配，使得拌合物的密實(shí)度增大，從而提升了再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度；礦渣粉在養(yǎng)護(hù)前期的反應(yīng)程度較低，因此7 d 齡期時(shí)的立方體抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)小幅降低，但后期礦渣粉與膠凝材料水化產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)生成硅酸鈣，使得再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度提高。隨著再生粗集料摻量的增大，再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度均逐漸減小，其中再生粗集料摻量為0%、30%、50%時(shí)，摻入礦渣粉的再生混凝土90 d 齡期立方體抗壓強(qiáng)度較對(duì)照組分別提高了8.2%、7.3%、6.7%，說(shuō)明礦渣粉對(duì)混凝土拌合物的立方體抗壓強(qiáng)度提升效果隨著再生粗集料摻量的增加逐漸減弱。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

混凝土結(jié)構(gòu)的抗開(kāi)裂性能主要通過(guò)劈裂抗拉強(qiáng)度來(lái)表征。通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d、28 d、90 d 齡期后的各再生混凝土試塊進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試，分別得到再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表5 及圖2 所示。

表5 再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度 MPa

圖2 再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度變化曲線

根據(jù)圖2 可知，隨著齡期的增大，不同再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均逐漸增大，其中7～28 d 齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度增幅比較明顯，而28～90 d 齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度增幅則表現(xiàn)較為平緩。隨著再生粗集料摻量的增加，再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均逐漸減小，但摻入礦渣粉后再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度較對(duì)照組均有不同程度的提高，其中再生粗集料摻量為0%、30%、50%時(shí)，摻入礦渣粉的再生混凝土90 d 齡期劈裂抗壓強(qiáng)度較對(duì)照組分別提高了3%、2.8%、1.4%，原因是礦渣粉的摻入可提升水泥的黏結(jié)性，限制了混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫形成及擴(kuò)展，同時(shí)礦渣粉填充于水泥基體的毛細(xì)孔內(nèi)，有利于改善界面過(guò)渡區(qū)的性能，故再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度得到提高。

2.3 抗折強(qiáng)度

抗折強(qiáng)度是混凝土結(jié)構(gòu)中重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一。通過(guò)對(duì)不同再生混凝土試塊進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)試，分別得到再生混凝土在7 d、28 d、90 d 齡期時(shí)的抗折強(qiáng)度結(jié)果如表6 及圖3 所示。

表6 再生混凝土的抗折強(qiáng)度 MPa

圖3 再生混凝土的抗折強(qiáng)度變化曲線

由圖3 可知，隨著齡期的增大，不同配合比的再生混凝土抗折強(qiáng)度均呈逐漸增大趨勢(shì)，其中在7～28 d 齡期時(shí)，各再生混凝土的抗折強(qiáng)度增幅比較明顯，而在28～90 d 齡期時(shí)，抗折強(qiáng)度增幅趨于平緩。隨著再生粗集料摻量的增加，不同再生混凝土的抗折強(qiáng)度均逐漸減小，摻入礦渣粉的再生混凝土的抗折強(qiáng)度較對(duì)照組均有不同程度的提高，對(duì)比不同再生粗集料摻量混凝土在90 d 齡期的抗折強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，摻入礦渣粉的再生混凝土的抗折強(qiáng)度較對(duì)照組分別提高了2.5%、2.8%、3.3%，說(shuō)明礦渣粉有利于改善再生混凝土的抗折強(qiáng)度。

2.4 軸心抗壓強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)不同配合比的再生混凝土進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度測(cè)試，分別得到不同齡期時(shí)再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如表7 及圖4 所示。

表7 再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度 MPa

圖4 再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度變化曲線

根據(jù)表7 及圖4 可知，隨著齡期的增大，不同配合比再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度均逐漸增大，其中再生混凝土在7～28 d 齡期時(shí)的軸心抗壓強(qiáng)度增幅較小，而28～90 d 齡期的軸心抗壓強(qiáng)度增幅則表現(xiàn)為相對(duì)較明顯。隨著再生粗集料摻量的增大，不同再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度也均呈逐漸減小變化，且摻入礦渣粉再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度較未摻組均有所提高，其中再生粗集料摻量為0%、30%、50%時(shí)，摻入礦渣粉的再生混凝土90 d 齡期軸心抗壓強(qiáng)度較對(duì)照組分別提高了4.6%、5.1%、6%，說(shuō)明礦渣粉有利于改善再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié)語(yǔ)

a）隨著齡期的增大，未摻或摻入礦渣粉的再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及軸心抗壓強(qiáng)度均有提升；隨著再生粗集料摻量增大，再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及軸心抗壓強(qiáng)度均逐漸減小。

b）由于礦渣粉前期的反應(yīng)程度較低，使得摻入礦渣粉再生混凝土在7 d 齡期的立方體抗壓強(qiáng)度較未摻組有所降低，但后期礦渣粉與膠凝材料水化產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)生成硅酸鈣，可有效增強(qiáng)再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度。

c）摻入礦渣粉再生混凝土在不同齡期時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及軸心抗壓強(qiáng)度均較未摻組有所提高，綜合可知礦渣粉有利于改善再生混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。