粉煤灰對再生混凝土力學性能影響的試驗研究

蘇彩麗 邢曉飛

（1.開封大學，河南 開封 475004；

2.開封市建筑固體廢棄物再生利用技術重點試驗室，河南 開封 475004）

隨著城市建設發展，拆除舊建筑物出現大量建筑垃圾，建筑垃圾資源化利用問題受到廣泛關注。粉煤灰是一種固體工業廢棄物，常作為一種礦物摻和料加入混凝土拌合料中。粉煤灰具有良好活性，表面呈圓球狀，細度相對水泥較小，能夠填充到水泥顆粒之間，提高水泥顆粒密實度，具有一定的級配作用。加入粉煤灰能改變混凝土強度、和易性等性能。本文通過試驗方法，篩選破碎的建筑垃圾作為骨料，摻入粉煤灰，研究再生骨料混凝土強度等性能，為建筑垃圾資源化利用提供參考。

1 試驗方案

1.1 原材料

1.1.1 水泥

水泥采用開封市孟電P·O42.5R普通硅酸鹽水泥，相關技術性質見表1。

表1 水泥技術性質

1.1.2 粉煤灰

開封市火電廠生產的Ⅱ級粉煤灰密度為2.34g/cm3，比表面積為 5 124cm3/g。

1.1.3 再生骨料

破碎、篩選開封市建筑垃圾，最終選用粒徑級配5～10mm粒徑作為再生骨料。相關技術參數見表2。

表2 再生骨料技術性質

1.2 強化處理再生骨料

再生骨料具有棱角多、外圍包裹一層水泥砂漿、有較多內部裂紋、強度較低等特點。本研究中，強化骨料主要運用水泥漿涂覆法。該方法首先制備水灰比為2∶1的水泥凈漿，將水泥漿涂覆在破碎、篩選好的再生骨料表面，充分攪拌后，每顆再生骨料表面都會有一層水泥漿薄層。此時，將再生骨料放入試驗盤中，自然風干，24h后再進行混凝土拌和與試驗。其原理是水泥漿填充再生骨料表面的微裂縫，使再生骨料更加堅固，提高其自身強度，降低新拌混凝土吸水量，最終得以提高新拌混凝土強度。

試驗結果表明，骨料強化處理后攪拌的再生混凝土強度明顯高于未強化骨料拌和的混凝土。

1.3 試驗設計

由于再生骨料吸水率較高，進行初始混凝土設計時，需適當提高用水量，并采用一定方式強化處理再生骨料，以保證混凝土強度。本研究設計若干組對比試驗，設計水灰比分別為0.2、0.25、0.3，粉煤灰摻量分別為0%、5%、10%、15%、20%。具體配合比設計見表3。

表3 透水混凝土配合比設計

2 試驗結果與分析

2.1 試驗過程

強化處理再生骨料后，攪拌機內先加入再生粗骨料、天然砂和一半用水量攪拌30s，再加入水泥、粉煤灰及剩余設計用水攪拌 120s，攪拌混凝土后制作150mm×150mm×150mm標準試件，每組制作3個立方體試件，進行28d標準養護，采用萬能試驗機測出其抗壓強度。

再生混凝土標準立方體抗壓強度試驗依照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2019）的相關要求進行。

2.2 再生混凝土試件的破壞形態

再生混凝土試塊在荷載作用下，裂縫從內向外擴展。試塊兩端首次出現平行于受壓方向的裂紋，繼續增加荷載，微裂紋擴展為通長裂縫，試件破壞。再生混凝土試件破壞與普通混凝土試件破壞不同之處在于普通混凝土試塊破壞主要發生在骨料與水泥砂漿界面，而再生混凝土破壞發生在再生骨料與水泥砂漿界面，或由再生粗骨料斷裂引起。原因在于破碎過程中，再生骨料內部會產生不規則裂紋，即使經過強化其抗壓性也低于天然石子。

2.3 不同水膠比對再生骨料混凝土的影響

混凝土試件在標準養護室養護28d后，運用壓力試驗機測其抗壓強度。不同水膠比混凝土強度見圖1。

圖1 混凝土強度與水膠比關系

通過上圖發現，混凝土強度隨水膠比增大而逐漸減小，其變化基本符合線性變化。由直線相互關系可知，當粉煤灰摻量為10%左右時，再生骨料混凝土強度大于普通再生混凝土強度。當粉煤灰摻量較小時，加入粉煤灰，可明顯提高再生骨料混凝土強度。

水膠比對再生混凝土與普通混凝土強度影響類似，都隨水膠比增大，混凝土28d 標準立方體抗壓強度減小，可以說混凝土強度主要由水膠比決定。其作用機理是膠凝材料與混凝土骨料混合攪拌后，包裹在骨料外表面，膠凝材料與水產生一系列物理化學反應，分散骨料初凝后，粘結成一個整體，經過養護，可塑性漿體凝成有強度的塊體。增加膠凝材料可有效提高再生混凝土粘聚性和整體性，保證混凝土和易性前提下，水膠比越小，混凝土抗壓強度越高。

2.4 粉煤灰對再生骨料混凝土的影響

粉煤灰是常見的混凝土礦物摻合料，將其加入混凝土很大程度改變了混凝土各項性能。不同粉煤灰摻量與混凝土強度關系如圖2。

圖2 不同粉煤灰摻量對再生骨料混凝土強度影響

通過上圖可知，小摻量粉煤灰（0%～15%）會顯著提高混凝土強度，摻量達到10%～15%時，混凝土強度最大。當粉煤灰摻量超過20%時，混凝土強度將會減小。出現此現象原因是粉煤灰中包含大量活性二氧化硅（玻璃體SiO2）和活性三氧化二鋁 （玻璃體Al2O3），這些活性成分在Ca（OH）2堿性條件下能產生水化作用，生成水化硅酸鈣、鈣礬石，提高水泥石密實度，從而提高混凝土強度。隨著增加粉煤灰摻量，主要膠凝材料水泥含量減小，導致骨料與骨料連接面強度薄弱。同時，粉煤灰中沒有完全燃燒的碳會吸附大量水分，降低水泥的水化反應和粉煤灰反應所需要的堿性環境，影響混凝土強度。

3 結論

水膠比是影響再生骨料混凝土強度的主要因素，與普通混凝土變化規律基本一致。當粉煤灰摻量、水膠比相同情況下，再生混凝土強度大于無礦物摻合料混凝土。摻有粉煤灰的再生骨料混凝土，其強度隨粉煤灰摻量增加而先增大后減小。粉煤灰摻量在10%～15%時，混凝土強度達到最高值。