偏高嶺土改性再生骨料混凝土的試驗研究

丁華柱，申隱杰，都增延，楊小寶，白垚，陳浩

（1 成都建工第三建筑工程有限公司，四川成都 610023；2 重慶市綦江區朝野混凝土有限公司，重慶 401420；3 南寧市華騰混凝土有限公司，廣西南寧 530044；4 重慶建工建材物流有限公司，重慶 401122；5 保定市興豐建筑混凝土有限公司，河北保定 072550；6 中交第四公路工程局有限公司，北京 100176）

0 引言

再生骨料(RCA)是指將建筑物拆除、路面翻修、混凝土生產、工程施工或其它狀況下產生的廢混凝土塊經過破碎、清洗和分級等一系列加工后，按照一定比例混合得到的骨料。再生骨料混凝土簡稱再生混凝土（RAC），是指將廢棄混凝土塊經過破碎、清洗與分級后，按一定比例混合得到再生骨料，部分或全部替代砂石等天然骨料配制而成的一種新型混凝土[1]。

在混凝土工程中，利用再生骨料代替天然骨料（NCA），不僅可以減少天然骨料的開采，節約成本，還可減少固體廢棄物的產生，保護環境。當利用廢棄混凝土作為水泥原料時，不僅能夠節約天然石材，還可以節約黏土和鐵礦資源。廢棄混凝土再利用符合我國可持續發展戰略的基本要求和構建和諧社會的發展方向[2]，再生混凝土是一種可持續發展的綠色混凝土。

傳統建筑垃圾制砂機存在可控性差、易造成骨料內傷等缺點，導致再生粗骨料改性存在缺陷，同時帶來再生混凝土應用領域較窄等問題。針對目前再生粗骨料物理及化學強化方面的缺陷，通過改變再生粗骨料混凝土中膠凝材料體系及外加劑技術，提高再生粗骨料與砂漿界面過渡區強度，實現再生粗骨料高品質提升。

在再生骨料的改性中，硅灰、粉煤灰及礦渣粉具有高火山灰活性，有利于提高再生骨料混凝土的性能。納米二氧化硅、納米石灰石等納米顆粒的加入增強了再生骨料混凝土的微觀結構和強度。與火山灰材料一樣，偏高嶺土具有巨大的經濟和質量控制優勢，已被許多研究者成功用于部分替代水泥，以提高再生骨料混凝土的性能[3]。偏高嶺土（MK）是由高嶺土在650℃~800℃的溫度下煅燒而成的一種活性高的鋁硅酸鹽基礦物摻合料，其含有較多的細粒度非晶態二氧化硅顆粒，具有較高的火山灰活性。偏高嶺土在混凝土中的有利作用是火山灰作用、加速水泥水化和填充作用。偏高嶺土代替部分水泥摻入混凝土，可消耗水泥水化生成的Ca(OH)2，通過形成額外的C-S-H凝膠來改善混凝土的性能。偏高嶺土顆粒加速了水泥的水化過程，混凝土早期強度顯著提高。此外，偏高嶺土顆粒填充水泥顆粒之間的空間，細化孔隙，使混凝土變得更加密實，抵抗外界環境中的有害物質進入，使氯離子擴散、碳化深度、硫酸鹽侵蝕下降[4]。

綜上所述，本文旨在評價不同摻量的偏高嶺土和再生骨料的混凝土的力學性能、抗硫酸鹽侵蝕性能、抗碳化性能和抗氯離子滲透性能。此外，確定偏高嶺土在再生骨料混凝土中的強度和耐久性方面的最佳摻量，并對所選性能最佳的樣品進行X射線衍射（XRD）分析，促進其在工程施工中推廣應用。

1 實驗分析

1.1 原材料

水泥：南特水泥P.O 42.5R水泥，3d抗折強度為6.9MPa，抗壓強度為30.5MPa；28d抗折強度為8.8MPa，抗壓強度為51.7MPa；其它技術性能指標符合現行規范要求。

細骨料：天然中砂，細度模數為2.9，含泥量為0.9%，其它技術性能指標符合現行規范要求。

再生骨料：市政拆遷再生骨料，壓碎指標19.6%，吸水率5.2%，其它技術性能指標符合現行規范要求。

偏高嶺土來自開封奇明耐火材料有限公司，細度（比表面積）為437m2/kg，密度為2.43g/cm3。其化學組成如表1所示。

表1 偏高嶺土的化學組成（wt%）

1.2 試驗方案

本試驗采用單因素方法，再生骨料取代天然粗骨料（NCA）的質量百分比分別是0、50%、100%，偏高嶺土取代水泥的比例分別是0、5%、10%、15%、20%，制備的11種混凝土配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比

1.3 測試方法

力學性能：按《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）、《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）測定試件抗壓、劈裂抗拉強度及抗凍性能。

抗硫酸鹽侵蝕性能：試件在標準養護條件下養護28d后浸泡在5%濃度的硫酸鹽溶液中。測試28d和90d后的重量損失和抗壓強度損失。

抗碳化性能試驗：在試驗齡期，將混凝土打碎，噴以1%濃度的酚酞溶液,由于Ca(OH)2的存在，混凝土的非碳化部分呈堿性，變成紫紅色，而碳化部分保留了原來的灰色。從混凝土表面測得的顏色變化邊界的深度為碳化深度。

抗氯離子滲透性能試驗[5]：在進行測試之前，混凝土的四周都涂上環氧樹脂，然后將其浸泡在相當于海水濃度（約為3.5%）的NaCl溶液中，分別浸泡28d和90d。然后，對試樣進行劈裂，并噴入0.1mol/L濃度的硝酸銀溶液。通過從立方體的兩個側面測量的氯離子滲透深度的平均讀數來表示。

X射線衍射（XRD）：日本理學公司生產的X射線衍射儀，其型號為RigakuD/max-2500 X，Cu靶工作參數為工作功率3kW、步長0.02，掃描速度2.000(d·min-1)，掃描范圍5°~70°。將樣品置于真空干燥箱中，在60℃下烘干至恒重，破碎、研磨、過篩。

掃描電鏡采用TESCAN VEGA2可變真空掃描電鏡。掃描電鏡分析的樣品制作方法為將試件按照規定方法養護后破碎，對破碎后的樣品浸泡無水乙醇終止水化，用60℃的干燥箱烘至恒重，斷面上噴金備用。試驗通過SEM觀察了樣品水化后的微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 混凝土抗壓強度的影響

測定不同摻量再生骨料和偏高嶺土制備的混凝土試件28d抗壓強度，試驗結果如圖1所示。從圖1中可以看出，用再生骨料替代天然粗骨料后，抗壓強度顯著降低，再生骨料取代率為50%和100%的混凝土在28d時的抗壓強度分別比對照組下降13.7%和21.3%?？箟簭姸鹊慕档褪怯捎谠偕橇媳砻媸杷啥嗫咨皾{的存在,減少了界面處骨料與水泥漿體之間的粘結。因此，在再生骨料混凝土內部形成了幾個軟弱區，當受到內應力時，會產生裂紋，導致再生骨料混凝土的抗壓強度降低。

圖1 不同摻量再生骨料和偏高嶺土的混凝土28d抗壓強度

2.2 劈裂抗拉強度的影響

測定不同摻量再生骨料和偏高嶺土制備的混凝土試件28d劈裂抗拉強度，試驗結果如圖2所示。RM50-0和RM100-0的劈裂抗拉強度分別比RM0-0下降9.8%和15.2%，強度降低可能是更高孔隙率造成的。此外，由于不斷加工和處理，再生骨料更加光滑，機械咬合作用降低，減少了骨料-漿體的粘結，導致劈裂抗拉強度的降低。

圖2 不同摻量再生骨料和偏高嶺土的混凝土28d劈裂抗拉強度

偏高嶺土摻入再生骨料混凝土對提高兩種再生骨料混凝土的28d劈裂抗拉強度有較大影響。從圖2可以明顯看出，RM50-5、RM50-10、RM50-15和RM50-20對劈裂抗拉強度的增強幅度在RM50-0的3.8~8.5%之間，而RM100-5、RM100-10、RM100-15和RM100-20對RM100-0的增強幅度在5.0%~15.7%之間。與抗壓強度一樣，偏高嶺土摻量為15%時，取代率為50%和100%的再生骨料混凝土的強度增強均達到最大值。偏高嶺土的加入降低了再生骨料混凝土的孔隙率，增強了ITZ的微觀結構，增強了水泥漿體與再生骨料的粘結[6]。

圖3為使用了偏高嶺土制備的混凝土的微觀圖片。未使用偏高嶺土的混凝土強度降低，從圖3中可以看出，其表面存在松散的多孔砂漿,附著的砂漿會降低再生混凝土的密實度，并減少骨料和水泥漿之間的粘結。偏高嶺土較細顆粒的孔隙填充能力更好，減少了界面處的空隙，使水泥石更加致密，所以力學性能提高。

圖3 偏高嶺土制備混凝土的微觀圖片(右為未添加)

而在水化產物中，對偏高嶺土制備的混凝土水化產物進行 XRD 測試，結果如圖4所示。對于摻入偏高嶺土的再生骨料混凝土(RM100-15)，結晶氫氧化鈣（波特蘭石）的峰值降低，表明水泥漿中氫氧化鈣的形成速率降低。氫氧化鈣峰值的減少表明在形成C-S-H凝膠過程中，偏高嶺土的火山灰反應消耗了氫氧化鈣。此外，摻入偏高嶺土的再生骨料混凝土的C-A-H弱峰略有增加。

圖4 偏高嶺土制備混凝土的XRD圖譜

2.3 抗硫酸鹽侵蝕的影響

圖5為硫酸鹽侵蝕導致的強度損失?；炷猎诹蛩徕c溶液中浸泡28d和90d，強度損失分別為3.2%和5.2%，再生骨料的摻入大大降低了混凝土的性能。RM50-0和RM100-0的28d強度損失分別為2.8%和2.6%，90d強度損失分別為9.1%和10.0%。結果表明，再生骨料混凝土在其結構中具有較多相互連接的孔隙，硫酸鈉溶液更容易進入混凝土內部，導致硫酸鹽侵蝕，與氫氧化鈣反應生成硫酸鈣（石膏），硫酸鈣進一步與混凝土中的鋁酸鈣反應生成硫鋁酸鈣，硫鋁酸鈣的膨脹降低混凝土內部結構的凝聚力，從而導致強度降低。偏高嶺土的摻入顯著提高了抗硫酸鹽侵蝕能力。RM50-5、RM50-10、RM50-15和RM50-20置于硫酸鈉溶液28d強度損失分別為3.0%、3.1%、3.2%和3.0%，90d強度損失分別為9.1%、7.4%、6.6%和5.2%。同樣，置于硫酸鈉溶液28d后，RM100-5、RM100-10、RM100-15和RM100-20的強度損失分別為2.7%、2.9%、3.0%和2.8%，浸泡90d后，與對照組相比，強度損失分別為15.0%、23.0%、41.0%和38.0%。可以明顯看出，偏高嶺土摻入再生骨料的混凝土具有較好的抗硫酸鹽侵蝕性能，偏高嶺土替代15%時混凝土強度損失最小。在所有混凝土中，RM50-15的強度損失最小，而RM100-15的強度損失與對照組相當。偏高嶺土的火山灰反應消耗了最脆弱的水化產物氫氧化鈣，導致可用于硫酸鹽腐蝕的氫氧化鈣數量減少，從而降低了強度損失[7]。

圖5 硫酸鹽侵蝕引起的混凝土強度損失

由硫酸鹽腐蝕引起的重量損失如圖6所示。對照組混凝土(RM0-0)浸泡于硫酸鹽溶液28d和90d的質量損失分別為2.1%和2.3%。摻加再生骨料對混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能影響最大，質量損失較大。RM50-0和RM100-0浸泡28d的質量損失分別為2.5%和2.2%，浸泡90d的質量損失分別為2.8%和3.1%。這是因為再生骨料混凝土有更多孔隙，硫酸根離子可以很容易進入混凝土，侵蝕氫氧化鈣和其他水化產物，將這些物質轉化為可溶性物質。摻入偏高嶺土后的再生骨料混凝土體系的抗硫酸鹽侵蝕性能顯著提高。RM50-5、RM50-10、RM50-15和RM50-20的質量損失低于不加偏高嶺土的再生骨料混凝土，浸泡28d后分別為2.8%、2.7%、2.3%和2.4%，浸泡90d后分別為2.8%、2.6%、2.4%和2.3%。RM100-5、RM100-10、RM100-15和RM100-20在浸泡28d后的質量損失分別為2.6%、2.4%、2.1%和2.4%，浸泡90d后的質量損失分別為2.9%、2.6%、2.2%和2.5%。實驗結果表明，偏高嶺土摻入含再生骨料的混凝土在硫酸鹽環境下表現出較好的性能，當偏高嶺土摻量為15%時，質量損失最小。與對照組混凝土（RM0-0）相比，RM50-15的質量損失較小。偏高嶺土的摻入使混凝土中氫氧化鈣含量減少，使混凝土更加致密，從而阻礙了硫酸鹽溶液滲入混凝土，減小了硫酸鹽溶液對混凝土試件的劣化影響。

圖6 硫酸鹽侵蝕引起的混凝土質量損失

2.4 抗碳化性能

經過28d和90d齡期后，對混凝土碳化深度進行檢測，結果如圖7所示。實驗結果表明，混凝土碳化深度隨再生骨料摻量增加而增加。由圖7可知，對照組（RM0-0）28d和90d的碳化深度分別為4.0mm和4.5mm，而RM50-0對應的碳化深度分別為5.0mm和5.5mm，RM100-0碳化深度最顯著，經過28d和90d后，其碳化深度分別比RM0-0增加了約25.0%和22.2%。與其他耐久性一樣，偏高嶺土摻入再生骨料混凝土中，提高了再生骨料混凝土的抗碳化性能。摻入100%再生骨料和相同數量偏高嶺土(RM100-5、RM100-10、RM100-15和RM100-20)的混凝土，28d后碳化深度分別減少0、0、25.0%和25.0%，90d后碳化深度均減少10.0%。當偏高嶺土摻入量為15%時，再生骨料混凝土的抗碳化性能最佳。

圖7 不同混凝土配合比碳化深度的變化

偏高嶺土對碳化深度性能的改善主要有兩個原因：（1）采用偏高嶺土取代水泥，其火山灰和填充效應能夠優化孔隙，減少二氧化碳進入混凝土內部；（2）在初始齡期，水泥水化速率和火山灰反應速率都較快，從而降低了二氧化碳擴散[8]的速率。然而，使用較高的偏高嶺土摻量（即20%）并不能有效降低再生骨料混凝土的碳化深度，原因可能是偏高嶺土替代水泥的量較大時，可用于與偏高嶺土發生火山灰反應的水化產物中氫氧化鈣的含量減少，導致水化產物（C-S-H凝膠）數量減少，微觀結構不致密；同時，偏高嶺土的填充不足以改善由于氫氧化鈣缺乏而導致抗碳化性能下降的負面影響[9]。

2.5 抗氯離子滲透性能

混凝土的抗氯離子滲透性能根據氯離子滲透深度[9]進行評估,結果如圖8所示。由圖8可知，用再生骨料替代天然粗骨料可使氯離子滲透深度顯著增加。對照組（RM0-0）在氯離子溶液中浸泡28d和90d，氯離子滲透深度分別為15mm和17mm。相對于RM0-0, RM100-0在28d和90d時的氯離子滲透深度分別高出14%和16.5%。

圖8 不同混凝土混合料的氯離子滲透深度

隨著再生粗骨料取代率的增加，混凝土的抗氯離子滲透能力在所有浸水期均呈下降趨勢。這可能是再生骨料周圍殘留的砂漿中存在相互連通的孔隙，因此再生骨料混凝土相對于天然粗骨料混凝土（NAC）更具滲透性。這些孔隙使氯離子容易擴散到混凝土中，最終增加氯離子的滲透深度。隨著偏高嶺土摻量增加，各齡期再生骨料混凝土的抗氯離子滲透能力逐漸增強。摻入5%~20%偏高嶺土和50%再生骨料的混凝土，抗氯離子滲透性能得到明顯提高。在同樣環境下，15%偏高嶺土替代水泥降低幅度最大，28d和90d氯離子滲透深度分別降低了32.6%和31.3%。同樣，相同摻量的偏高嶺土和100%再生骨料，其氯離子滲透深度分別降低31.0%和28.8%。結果表明，偏高嶺土替代率為15%時，偏高嶺土對提高抗氯離子滲透性能的效果最好?？赡艿脑蚴瞧邘X土顆粒在再生骨料混凝土內部的孔洞堵塞作用，使孔洞不連續，阻礙了氯離子的擴散。此外，偏高嶺土生成大量C-S-H凝膠提高微觀結構密實度，減少氯離子的進入，從而降低了氯離子的滲透深度。而使用較高摻量的偏高嶺土（20%）不利于提高再生骨料混凝土的抗氯離子滲透性能。

3 結語

本文對摻入不同量偏高嶺土的再生骨料混凝土的力學性能和耐久性進行了詳細而系統的實驗研究。研究的主要目的是利用偏高嶺土來提高混凝土質量，并利用偏高嶺土和再生骨料來生產可持續發展的混凝土。通過對實驗結果的分析，得出以下結論：

（1）在混凝土中使用再生骨料會降低混凝土的抗壓強度。當再生骨料取代率為100%時，抗壓強度最大降低約21.3%。當偏高嶺土摻量達到15%時，抗壓強度可提升15%，有效地消除了再生骨料的負面影響；

（2）隨著再生骨料摻量的增加，混凝土劈裂抗拉強度、抗壓強度均顯著降低。然而，在再生骨料混凝土中摻入偏高嶺土后，上述性能得到了顯著改善，其中在偏高嶺土摻量為15%時改善效果最好；

（3）再生粗骨料混凝土的碳化深度和氯離子滲透深度明顯高于天然粗骨料混凝土。在100%再生骨料條件下，90d碳化深度和氯離子滲透深度分別增加了22.2%和16.5%。摻入15%偏高嶺土，通過細化孔洞和阻止毛細管孔隙的連續性，有效地提高了再生骨料混凝土的抗碳化和抗氯離子滲透能力；

（4）5%~20%偏高嶺土的使用改善了再生骨料混凝土的力學性能和耐久性，但在本研究范圍內的所有性能中，均觀察到在15%偏高嶺土替代水平下的性能最佳。較高摻量的偏高嶺土（20%）對再生骨料混凝土性能改善并不有效。因此，從經濟和環境的角度來看，在實際工程中，摻入15%偏高嶺土和100%再生骨料可以最大限度地利用廢棄混凝土，從而方便生產可持續發展的混凝土。