粉煤灰（Ⅱ級(jí)）摻量對(duì)再生骨料混凝土性能影響

楊冉，杭美艷

（1.林州建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南安陽(yáng) 456550；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古包頭 014010）

0 引言

混凝土作為目前使用最廣、用量最大的材料之一，對(duì)我們?nèi)祟?lèi)生存的環(huán)境造成了巨大的影響[1]。一方面使用混凝土，需要大量的水泥、砂、石等材料，無(wú)節(jié)制的開(kāi)采嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境；另一方面由于早期建造使用的混凝土開(kāi)始出現(xiàn)劣化，廢舊工程拆除后的混凝土垃圾如何處理也成為當(dāng)前急需解決的問(wèn)題之一[2]。因此，混凝土的研究與發(fā)展必須更多的利用各種固體廢棄物作為其原材料，減低混凝土能耗，減少CO2排放量，變廢為寶，保證和促進(jìn)人類(lèi)與環(huán)境的和諧發(fā)展。

粉煤灰作為發(fā)電廠排出的一種廢棄物，具有量大價(jià)優(yōu)這些優(yōu)點(diǎn)，在再生骨料混凝土中等量替代水泥，可以改善混凝土的性能，節(jié)約水泥，降低生產(chǎn)成本，減少對(duì)環(huán)境的污染[3]。學(xué)者張星一在研究中表明，對(duì)再生混凝土28d 抗壓強(qiáng)度的影響最主要的影響因素是粉煤灰取代水泥量[4]。文中主要研究將Ⅱ級(jí)粉煤灰摻入再生骨料混凝土中，充分利用粉體的優(yōu)化組合以及界面強(qiáng)化效應(yīng)，可使再生混凝土具有良好的工作性及較高的強(qiáng)度。

1 研究用原材料

（1）水泥：冀東P·O42.5 水泥，28d 強(qiáng)度48.5MPa，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量28%。

（2）砂：采用天然河砂，中砂，含泥量2.6%，細(xì)度模數(shù)2.5。

（3）天然骨料：碎石，5～31.5mm 連續(xù)粒級(jí)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）再生粗骨料：廢棄混凝土經(jīng)破碎，篩分為5～31.5mm 連續(xù)粒級(jí)。

（5）粉煤灰：包頭達(dá)旗電廠Ⅱ級(jí)灰，指標(biāo)符合GB1596-2005 要求。

（6）水：普通自來(lái)水，符合JG J6 3-2006 要求。

（7）減水劑：包頭鋼鹿建材公司聚羧酸高性能減水劑。

分別對(duì)天然骨料和破碎、篩分后的再生骨料進(jìn)行表觀密度、堆積密度、吸水率和壓碎指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 骨料基本性能

從表1 中觀察天然骨料和再生骨料的基本性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，天然骨料的表觀密度、堆積密度明顯要大于再生骨料，但吸水率和壓碎指標(biāo)卻小于再生骨料。兩者產(chǎn)生這么大的區(qū)別是因?yàn)樵偕橇鲜腔炷劣善扑闄C(jī)破碎之后，在表面會(huì)包裹一層硬化的水泥砂漿，一方面由于水泥砂漿的強(qiáng)度低、密度小，砂漿表面粗糙、氣孔多、孔隙率也大，另一方面混凝土破碎時(shí)，機(jī)械振動(dòng)使得再生骨料內(nèi)部松動(dòng)，出現(xiàn)細(xì)小裂紋[5]。

2 混凝土試驗(yàn)方法

利用再生骨料替代天然骨料，進(jìn)行試驗(yàn)，主要研究再生混凝土的和易性、力學(xué)性能]。混凝土攪拌、成型等按照GB 50080～2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。配合比設(shè)計(jì)根據(jù)普通混凝土配合比設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)保持不變?yōu)镃40，一組水膠比為0.35 時(shí)，砂率為38%，另一組水膠比為0.45，砂率為39%，改變Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量為0、10%、20%、30%、40%、50%，再生粗骨料取代天然骨料制備混凝土試塊。混凝土配合比設(shè)計(jì)如表2、表3 所示。

表2 水膠比為0.35 時(shí)混凝土配合比及和易性

表3 水膠比為0.45 時(shí)混凝土配合比及和易性

3 研究結(jié)果與分析

3.1 粉煤灰摻量對(duì)再生骨料混凝土性能影響

試驗(yàn)中，依據(jù)GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行，通過(guò)變動(dòng)減水劑的用量保證新拌混凝土的流動(dòng)度控制在180±20mm。試驗(yàn)先測(cè)新拌混凝土中的含氣量，硬化成型后再測(cè)試其抗壓強(qiáng)度、抗氯離子滲透性及抗凍融能力。

3.1.1 粉煤灰摻量對(duì)再生骨料混凝土含氣量的影響

試驗(yàn)時(shí)保持水膠比、引氣劑摻量不變，由粉煤灰等量替代水泥，摻量為0、10%、20%、30%、40%、50%，研究再生骨料混凝土隨著Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量的增大，含氣量的變化情況。

通過(guò)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)再生骨料混凝土中含氣量會(huì)隨粉煤灰摻量的變化而改變。從圖1 中看出再生骨料混凝土中粉煤灰的摻量增大，那么含氣量相應(yīng)降低。一方面是因?yàn)榉勖夯覟楹芗?xì)的顆粒，有很大的比表面積，粒粒徑一般分布在0.5～300μm 的范圍內(nèi)，其中玻璃微珠的范圍為0.5～100μm，同時(shí)還有部分莫來(lái)石、石英等結(jié)晶物質(zhì)，具有很強(qiáng)的吸附能力；另一方面由于二次水化作用，改善了再生骨料混凝土的和易性和內(nèi)部的界面結(jié)構(gòu)，提高密實(shí)度降低了隙率，從而使再生骨料混凝土的含氣量減少。因此，增大粉煤灰摻量可以使再生骨料混凝土中的含氣量降低。

圖1 粉煤灰摻量與再生骨料混凝土含氣量的關(guān)系曲線圖

3.1.2 粉煤灰摻量對(duì)不同水膠比再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

依據(jù)GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》及GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試了再生混凝土3d、7d、28 d 抗壓強(qiáng)度。同一水膠比下，隨著Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量的增大，再生骨料混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，當(dāng)粉煤灰取代量小于等于30%時(shí)，下降速率平緩；粉煤灰取代水泥量為超過(guò)30%時(shí)，下降速率增大；另外，粉煤灰使得早期強(qiáng)度降低幅度較大；水膠比越小，粉煤灰對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響越小，當(dāng)摻加少量時(shí)，后期強(qiáng)度還會(huì)有所提高。因此，以廢棄混凝土破碎篩分后作骨料，并摻加適量粉煤灰后，配置混凝土的力學(xué)性能完全能達(dá)到了普通混凝土的水平。

粉煤灰作為活性礦物摻合料，在混凝土中的主要作用機(jī)理包括顆粒形貌效應(yīng)、微粉填充效應(yīng)和火山灰活性效應(yīng)，顆粒形貌效應(yīng)可減少混凝土拌合物的流動(dòng)阻力，改善其和易性，在和易性保持穩(wěn)定的情況下，可以調(diào)整配合比中的減水劑用量[6]；粉煤灰顆粒很細(xì)，可填充在水泥水化產(chǎn)生的微孔中，增加混凝土的密實(shí)度；粉煤灰中的活性組分可與水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠等，粉煤灰的摻入會(huì)影響混凝土的早期強(qiáng)度，但火山灰活性的存在使得后期水化進(jìn)行較為充分[7]。粉煤灰摻量對(duì)不同水膠比再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖2～圖4 所示。

圖2 水膠比為0.35 時(shí)，粉煤灰摻量對(duì)再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

3.1.3 粉煤灰摻量對(duì)不同水膠比再生骨料混凝土抗氯離子滲透能力的影響

氯離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部主要通過(guò)滲透、擴(kuò)散及吸附三種途徑，毛細(xì)孔及微細(xì)連通孔的存在會(huì)使氯離子較易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，工程應(yīng)用中，應(yīng)注意控制混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔的生成。粉煤灰的減水效應(yīng)和填充效應(yīng)會(huì)減小混凝土的孔隙率，理論上可提高混凝土的抗氯離子滲透性。粉煤灰摻量對(duì)不同水膠比混凝土抗氯離子滲透能力的影響如圖4 所示。

圖3 水膠比為0.45 時(shí)，粉煤灰摻量對(duì)再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 不同水膠比時(shí)，粉煤灰摻量對(duì)抗氯離子滲透能力的影響

由圖4 知，隨著混凝土中Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量的增大，再生骨料混凝土的抗氯離子滲透能力先增強(qiáng)后減弱；水膠比0.35 和0.45 的再生骨料混凝土在粉煤灰摻量為20%時(shí)，抗氯離子滲透能力最強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的電通量分別為900C、1587C。可見(jiàn)，適量摻加粉煤灰對(duì)再生骨料混凝土抗氯離子能力提高有一定的作用[8]。而粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響機(jī)理主要是摻入粉煤灰后,界面處的微結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化,Ca（OH）2數(shù)量減少,孔隙率降低,有害孔逐漸減少,無(wú)害孔逐漸增加,提高結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度；隨著粉煤灰摻量的增加，對(duì)再生混凝土抗氯離子的滲透性表現(xiàn)為先增強(qiáng)后減弱。

3.1.4 粉煤灰摻量對(duì)再生骨料混凝土抗凍融能力的影響

該試驗(yàn)研究了水膠比為0.35 時(shí)再生骨料混凝土的抗凍融能力。Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量對(duì)再生骨料混凝土抗凍融能力的影響如表4 所示。

由表4 可知，未使用粉煤灰時(shí)，基準(zhǔn)再生骨料混凝土的耐凍融循環(huán)次數(shù)150 次，粉煤灰摻量30%～40%、40%～50%時(shí)，混凝土的耐凍融循環(huán)次數(shù)僅為100 次和50 次；粉煤灰摻量為10%～30%時(shí)，混凝土的耐凍融循環(huán)次數(shù)均在200 次以上。

表4 水膠比為0.35 時(shí)，粉煤灰摻量對(duì)再生骨料混凝土抗凍融能力%

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了質(zhì)量損失與動(dòng)彈模量損失不一致的情況：粉煤灰使用量為0～30%時(shí)，質(zhì)量損失小甚至有所增重，但彈性模量損失大；粉煤灰使用量為30%～50%時(shí)，質(zhì)量損失較大但動(dòng)彈模量損失小，出現(xiàn)這種情況正是由于其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的不同而造成的。對(duì)于水膠比為0.35 的混凝土來(lái)說(shuō)，要保證其具有較高的抗凍融能力，粉煤灰摻量應(yīng)小于等于30%。

4 結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量對(duì)再生骨料混凝土的性能影響研究，得出如下結(jié)論：

（1）在同一水膠比下，粉煤灰摻量越高，再生骨料混凝土中的含氣量越低。同一水膠比下，隨粉煤灰摻量的增大，再生骨料混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

（2）隨著粉煤灰摻量的增大，再生骨料混凝土的抗氯離子滲透能力先增大后減小。對(duì)水膠比為0.35和0.45 的混凝土，粉煤灰摻量為20%時(shí)，抗氯離子滲透能力最強(qiáng)。

（3）對(duì)當(dāng)混凝土的水膠比為0.35 時(shí)，粉煤灰摻量應(yīng)小于等于30%時(shí)，再生骨料混凝土具有較高的抗凍融能力。