礦物摻合料再生混凝土力學性能研究

李 恒，王家濱，郭慶軍，張凱峰，侯澤宇

(1.西安工業大學建筑工程學院，西安 710021；2.中建西部建設北方有限公司，西安 710065)

0 引 言

再生混凝土的推廣應用能極大減少對天然骨料的開采，緩解廢棄混凝土對自然環境的污染。然而，由于再生混凝土的多界面結構[1]及高孔隙率和高吸水性等缺點，降低了再生混凝土的力學性能和耐久性能，并嚴重制約其在新建結構中的應用。因此，如何改善再生混凝土的多界面結構并增強界面過渡區性能，繼而提升再生混凝土力學性能及耐久性能，成為當今再生混凝土的研究熱點及重點。

目前，針對再生混凝土力學性能，各學者開展了一系列試驗研究。Vivian[2]、Ali[3]和張學兵[4]等采用二次攪拌法制備再生混凝土，發現養護齡期28 d時，相較于傳統制備工藝，再生混凝土抗壓強度可提高6%～22%。薛建陽等[5]對再生混凝土力學性能及耐久性能進行試驗研究，發現再生骨料取代率為25%～50%時，再生混凝土強度隨再生骨料取代率上升略有提高，取代率為50%～75%時，混凝土強度隨再生骨料取代率增大不斷遞減。肖建莊[6]、Assia[7]等通過分析界面過渡區形貌對再生混凝土力學性能的影響，發現當再生骨料取代率為100%時，立方體抗壓強度比天然骨料混凝土低約30%，劈拉強度低約25%～35%。Vivian[2]、Ali[8]和張明明[9]等制備了硅灰、粉煤灰、火山灰等單摻礦物摻合料再生混凝土，發現礦物摻合料中的Al2O3、SiO2等活性礦物成分會與水泥水化產物Ca(OH)2發生“二次水化”反應，生成膠凝性的水化硅酸鈣(C-S-H)，顯著改善界面過渡區微觀結構，提高混凝土密實度和強度。

從上述研究可看出，國內外學者對再生混凝土力學性能進行了諸多研究，并取得了一系列研究成果，尤其是單摻礦物摻合料對再生混凝土力學性能的影響。但關于復摻礦物摻合料不同復摻種類、比例對再生混凝土力學性能的影響研究報道不多。基于此，本試驗采用預濕-二次攪拌法，考慮再生混凝土強度等級、再生骨料取代率、礦物摻合料種類及取代率等因素，共設計23組再生混凝土配合比，系統開展再生混凝土立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗，為推動再生混凝土在新建結構的施工應用提供參考。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥為冀東P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，陜西冀東水泥有限責任公司；粉煤灰為Ⅱ級F類低鈣粉煤灰，華能電力陜西有限公司；礦渣為S95級粒化高爐礦渣，陜西韓城大唐盛隆科技實業有限責任公司；硅灰為Elkem 920 U硅微粉，埃肯國際貿易(上海)有限公司；細骨料為西安渭河Ⅱ區中砂，細度模數為2.8；天然粗骨料為粒徑分布16～25 mm的單粒粒級天然碎石；再生骨料為粒徑分布5～20 mm的連續粒級水洗再生粗骨料，陜西龍鳳生態石業有限公司；減水劑為PCA-Ⅰ型聚羧酸系高性能減水劑，江蘇蘇博特新材料股份有限公司，減水率28%。膠凝材料的主要化學組成及粒度分布參數見表1和表2。

表1 膠凝材料主要化學組成Table 1 Main chemical composition of cementitious materials /%

表2 膠凝材料粒度分布參數Table 2 Particle size distribution parameters of cementitious materials

1.2 試驗配合比

再生混凝土配合比考慮強度等級(C30、C40、C50及C60)，再生骨料取代率(體積比，0%、30%、50%、70%及100%)，礦物摻合料種類(粉煤灰、礦渣、硅灰)，礦物摻合料復摻方式及取代率(0%、10%、20%及30%)，共包含23個配合比。再生混凝土試驗配合比見表3。

表3 再生混凝土配合比(質量比)Table 3 Mix proportion of RAC(mass ratio)

1.3 制備過程

再生混凝土試件采用預濕-二次攪拌法進行制備，試件制備過程見圖1。

圖1 再生混凝土試件制備Fig.1 Fabrication of RAC

(1)再生骨料預濕:基于再生粗骨料吸水率，加入相應質量的水，攪拌30 s，使再生骨料達到吸水飽和狀態。

(2)一次攪拌：加入一半質量的膠凝材料、水及減水劑，攪拌30 s。

(3)二次攪拌：加入剩余的膠凝材料和砂子，攪拌10 s；之后，邊攪拌邊加入剩余的水及減水劑(5 s內加入完畢)，攪拌30 s；最后，勻速加入天然粗骨料，攪拌30 s。

(4)成型：將拌制好的再生混凝土快速倒入試模中，使用振動臺振搗10～20 s，排出混凝土內部氣泡，并對澆筑面進行抹平處理。

(5)脫模及養護：將澆筑好的混凝土試件帶模置于室內，覆膜常溫養護1 d后脫模并編號，放入20 ℃飽和Ca(OH)2溶液中養護至28 d，最后放置室內自然養護至90 d。

1.4 再生混凝土力學性能測試

再生混凝土的力學性能測試項目包括立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度，按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)中相應規定進行測試計算，其中,立方體抗壓強度(采用100 mm×100 mm×100 mm立方體試件)測試包含5個齡期，分別為1 d、3 d、7 d、28 d及90 d，劈裂抗拉強度(采用100 mm×100 mm×100 mm立方體試件)測試包含4個齡期，分別為3 d、7 d、28 d及90 d。

2 結果與討論

對再生混凝土試件開展立方體抗壓強度及劈裂抗拉強度測試并計算相應的強度值，其結果見圖2～圖5。從圖中可看出再生混凝土強度等級、再生骨料取代率,及礦物摻合料對力學性能影響明顯，尤其是復摻礦物摻合料種類及復摻比例。

2.1 混凝土強度等級對再生混凝土力學性能影響

圖2所示為強度等級C30、C40、C50和C60的再生混凝土力學性能經時變化。從圖2可看出，隨強度等級提升，再生混凝土力學性能不斷升高。養護齡期90 d時，與強度等級C30相比，強度等級C40、C50及C60的混凝土立方體抗壓強度分別提高5.9%、16.3%及36.8%，劈拉強度分別提高6.1%、9.1%及16.6%，其中強度等級C60的再生混凝土立方體抗壓強度可達到71.4 MPa。

強度等級越高，混凝土中膠凝材料含量越多。在養護齡期1 d內，膠凝材料中的水泥迅速發生水化反應，生成大量C-S-H和Ca(OH)2晶體。隨著水化產物的不斷增多，水泥石網狀結構更加致密，孔隙率迅速降低，強度快速增長。同時，膠凝材料中的粉煤灰和礦渣發生火山灰反應，生成C-S-H、水化硫鋁酸鈣(C-A-H)等膠凝產物，改善界面內部結構，提高混凝土強度。再者，隨混凝土中膠凝材料增多，骨料含量降低，骨料-漿體的有害界面數量隨之減少，混凝土力學性能得到提升。

圖2 不同強度等級再生混凝土力學性能經時變化Fig.2 Changes of mechanical properties of RAC with different strength grades over time

2.2 再生骨料取代率對再生混凝土力學性能影響

圖3所示為再生骨料取代率0%、30%、50%、70%及100%的再生混凝土力學性能經時變化。由圖3可看出，再生混凝土力學性能隨再生骨料取代率上升而不斷下降。相較于同強度等級天然骨料混凝土，養護齡期90 d時，隨再生骨料取代率增加，強度等級C40再生混凝土立方體抗壓強度依次下降5.1%、13.9%、19.6%及24.5%，劈裂抗拉強度分別下降5.2%、9.8%、14.6%及16.8%。

圖3 不同再生骨料取代率再生混凝土力學性能經時變化Fig.3 Changes of mechanical properties of RAC with different RA replacement rate over time

2.3 礦物摻合料對再生混凝土力學性能影響

2.3.1 單摻礦物摻合料對再生混凝土力學性能影響

(1)粉煤灰對再生混凝土力學性能影響

圖4所示為單摻礦物摻合料再生混凝土力學性能變化規律。由圖4可看出，相較于對照組(C40Q50F0K0G0，不摻礦物摻合料)，粉煤灰對再生混凝土立方體抗壓強度提升效果較差。養護齡期90 d時，相較于對照組，粉煤灰取代率30%的再生混凝土立方體抗壓強度下降4.2%，劈裂抗拉強度下降4.4%，但粉煤灰取代率10%的再生混凝土立方體抗壓強度提升0.8%，劈拉強度提升7.2%。

圖4 單摻礦物摻合料再生混凝土力學性能Fig.4 Mechanical properties of RAC with single mineral admixture

粉煤灰對再生混凝土力學性能的影響，一方面源于粉煤灰的形態效應，粉煤灰中含有70%以上的玻璃微珠，表面光滑，能夠降低顆粒間摩擦力，稀釋膠凝材料[12]，造成漿體孔隙率上升，漿體強度下降。當粉煤灰取代率為30%時，“稀釋效應”加劇，立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度低于對照組。另一方面，粉煤灰自身火山灰反應能力較弱，膠凝性產物含量較少，無法有效改善混凝土微觀結構。粉煤灰對再生混凝土劈拉強度的提升作用，源于粉煤灰10%取代率時的適度稀釋效應，減小了混凝土的干燥收縮，降低了混凝土內部的開裂驅動力[13]。

(2)礦渣對再生混凝土力學性能影響

由圖4可看出，隨著礦渣取代率升高，再生混凝土力學性能先升后降。養護齡期90 d時，相較于對照組，礦渣取代率20%的再生混凝土立方體抗壓強度提升13.6%，劈拉強度提升12.7%。但當礦渣取代率增大至30%時，與取代率20%相比，立方體抗壓強度及劈裂抗拉強度分別下降8.9%和8.5%。

礦渣對再生混凝土力學性能的影響，首先，礦渣發生火山灰反應，與Ca(OH)2反應生成C-S-H、C-A-H等膠凝產物，填充新舊界面(新漿體-新骨料、新漿體-舊漿體、新漿體-舊骨料和舊漿體-舊骨料)孔隙，提升界面強度[14]。其次，礦渣能為水泥水化體系起到微晶核效應的作用，加速水泥水化，提升再生混凝土力學性能。但隨著礦渣取代率的增加，其取代率為30%時，棱角狀的礦渣顆粒含量過高，填充效應減弱，造成適宜裂紋發展的毛細孔數量增多，導致混凝土力學性能整體下降。

(3)硅灰對再生混凝土力學性能影響

由圖4可看出，隨著硅灰取代率升高，再生混凝土力學性能先升后降。養護齡期28 d之前，硅灰取代率20%的再生混凝土力學性能均低于10%的硅灰取代，養護齡期90 d時，硅灰取代率20%的再生混凝土力學性能高于10%的硅灰取代，并與對照組相比，抗壓強度提升21.3%，劈拉強度提升12.5%。當硅灰取代率為30%時，相較于20%取代率，再生混凝土抗壓強度下降13.1%，劈拉強度下降8.8%。

硅灰對再生混凝土力學性能的影響，首先，由于硅灰含有大量無定形結構的SiO2，使其具有很高的火山灰活性，發生火山灰反應，生成C-S-H凝膠，用于改善界面結構，提高界面強度。其次，養護齡期90 d時，硅灰取代率20%的再生混凝土力學性能的顯著提升，很有可能源于對再生骨料的預濕處理，硅灰顆粒隨水分擴散進入再生骨料內部發生“二次水化”反應，消耗骨料內有害Ca(OH)2，并生成C-S-H凝膠填充孔隙，逐漸形成“自養護”體系，保證再生混凝土后期抗壓強度增長，這也是與礦物摻合料對普通混凝土性能提升機理的不同之處。當硅灰取代率超過20%時，過量硅灰顆粒聚集在骨料表面，造成骨料-漿體界面內有效水灰比降低，阻礙硅灰和水泥水化[15]，引起界面厚度增加，導致混凝土力學性能下降。

2.3.2 復摻礦物摻合料對再生混凝土力學性能影響

(1)粉煤灰-礦渣復摻對再生混凝土力學性能影響

圖5所示為復摻礦物摻合料再生混凝土力學性能變化規律。由圖5可看出，粉煤灰-礦渣復摻再生混凝土立方體抗壓強度整體低于對照組，養護齡期90 d時，20%粉煤灰-10%礦渣復摻再生混凝土的立方體抗壓強度甚至下降18.8%，但15%粉煤灰-15%礦渣復摻，能夠使再生混凝土劈拉強度提升5.9%。

圖5 復摻礦物摻合料再生混凝土力學性能Fig.5 Mechanical properties of RAC with double mineral admixture

粉煤灰-礦渣復摻對再生混凝土力學性能影響的主要原因：一是試驗使用的水泥、粉煤灰和礦渣顆粒的體積平均粒徑相近，分別為16.87 μm、21.39 μm和15.56 μm，三者間相互填充效果較差，且礦渣顆粒多為棱角狀，增加了漿體內的大孔和毛細孔數量，造成最可幾孔徑變大，導致混凝土立方體抗壓強度下降。二是由于粉煤灰玻璃體表面的保護層會抑制SiO2、A12O3等活性成分釋放[16]，延緩粉煤灰“二次水化”反應，無法生成大量C-S-H來填充混凝土界面結構和孔隙。三是粉煤灰中玻璃微珠的“稀釋效應”，可能會進一步增大骨料-新漿體界面內水灰比，使Ca(OH)2和鈣礬石晶體富集生長，造成界面厚度增加，強度下降，導致再生混凝土力學性能降低。

(2)粉煤灰-硅灰復摻對再生混凝土力學性能影響

由圖5可看出，養護齡期90 d時，取代率20%粉煤灰-10%硅灰及15%粉煤灰-15%硅灰復摻再生混凝土力學性能，與對照組相差不大。同時，再生混凝土的立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度隨復摻比例中硅灰取代率的增大不斷提高，其中立方體抗壓強度最高提升9.7%，劈裂抗拉強度最高提升18.6%。

粉煤灰-硅灰復摻對再生混凝土力學性能的提升，一方面是由于硅灰顆粒體積平均粒徑為10.20 μm，遠小于粉煤灰和水泥，顆粒分布更加均勻，更易形成緊密堆積體系，使膠凝材料水化反應更充分。另一方面，硅灰的“二次水化”反應，消耗水泥水化生成的Ca(OH)2，有效降低界面內Ca(OH)2取向度及濃度，抑制Ca(OH)2晶粒生長，降低界面厚度。同時，由于硅灰能減少泌水，加強骨料與水泥漿體的黏結，增強界面強度。另外，硅灰顆粒隨水分擴散進入再生骨料內部發生火山灰反應，消耗再生骨料界面內Ca(OH)2，改善骨料內部微觀結構，形成“自養護”機制，提升再生混凝土抗壓強度。最后，粉煤灰顆粒的“稀釋效應”可以降低混凝土塑性黏度，削弱硅灰過于集中導致水泥水化不充分的問題，促進硅灰的火山灰反應，增強漿體對再生骨料的包裹作用，提升再生混凝土力學性能。

3 結 論

(1)隨強度等級升高，再生混凝土強度不斷提升，養護齡期90 d時，強度等級C60的再生混凝土立方體抗壓強度可達到71.4 MPa。

(2)相較于同強度等級天然骨料混凝土，養護齡期90 d時，強度等級C40的再生混凝土隨再生骨料取代率增加，立方體抗壓強度依次下降5.1%、13.9%、19.6%及24.5%，劈拉強度依次降低5.2%、9.8%、14.6%及16.8%。

(3)養護齡期90 d時，單摻20%硅灰對再生混凝土立方體抗壓強度提升效果最佳，提升21.3%，單摻20%礦渣對劈拉強度提升作用最顯著，提升12.7%。

(4)粉煤灰-礦渣復摻對再生混凝土立方體抗壓強度無提升效果，但對劈裂抗拉強度有所提升，最高為5.9%。粉煤灰-硅灰復摻對再生混凝土力學性能提升效果較好，立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度最高分別提升9.7%和18.6%。

(5)合理的選用和摻加礦物摻合料能夠有效彌補由于再生骨料缺點造成的混凝土強度損失，提升再生混凝土力學性能。