火山灰浆液改性再生粗骨料对混凝土性能的影响_杨燕英.pdf

0引言混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料1-2。然而，随着城市化进程的持续加快，新建筑建设和旧建筑拆除产生了大量的建筑垃圾，其占城市垃圾总量的30%40%3-5，但每年只有大约28的建筑垃圾被回收利用，其余则被填埋或堆置处理，不仅占用土地资源，而且污染环境，危害人体健康6-10，亟需火山灰浆液改性再生粗骨料对混凝土性能的影响杨燕英1，陈正2，3，*，李静2，3，韦京利2，3，张黎昕2，3，李腾宇2，3（1.南宁学院 土木与建筑工程学院，广西 南宁530200；2.广西大学 土木建筑工程学院 工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西 南宁530004；3.广西大学 广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西 南宁530004）摘要：为了研究不同配合比的火山灰浆液改性再生粗骨料对混凝土性能的影响，通过正交试验对比分析了改性和未改性再生粗骨料的吸水率、表观密度和压碎指标，探讨了改性再生粗骨料对混凝土力学性能和抗氯盐侵蚀性能的影响。结果表明：与未改性再生粗骨料相比，改性再生粗骨料的吸水率和表观密度增大，压碎指标减小；在火山灰浆液中掺入30%复合掺合料后，随着复合掺合料中粉煤灰掺量的增加，再生混凝土的抗压强度降低，氯离子扩散系数增大；在火山灰浆液中掺入适量稻壳灰后，再生混凝土的抗压强度提高，氯离子扩散系数减小；在火山灰浆液中掺入适量分散剂后，再生混凝土的抗压强度降低，氯离子扩散系数增大；综合考虑再生混凝土的力学性能和抗氯盐侵蚀性能，火山灰浆液的最佳配合比为矿粉掺量30%、稻壳灰掺量3%、不掺粉煤灰和分散剂。关键词：火山灰浆液；改性再生粗骨料；再生混凝土；抗压强度；氯离子扩散系数；正交试验中图分类号：TU528.041文献标识码：Adoi:10.19761/j.1000-4637.2023.07.085.05Effects of recycled coarse aggregates modified by pozzolanic ash slurry on theperformance of concreteYANG Yanying1,CHEN Zheng2，3，*,LI Jing2，3,WEI Jingli2，3,ZHANG Lixin2，3,LI Tengyu2，3(1.College of Architecture and Civil Engineering,Nanning University,Nanning 530200,China;2.School of Civil Engineeringand Architecture,Key Laboratory of Engineering Disaster Prevention and Structural Safety of Ministry of Eduction,GuangxiUniversity,Nanning 530004,China;3.Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety,GuangxiUniversity,Nanning 530004,China)Abstract:In order to study the effects of different proportions of pozzolanic ash slurry modified recycled coarseaggregates on the performance of concrete,the water absorption,apparent density and crushing index of modified andunmodified recycled coarse aggregates were compared through orthogonal tests,and the effects of modified recycled coarseaggregates on the mechanical properties and resistance to chloride corrosion of concrete were discussed.The results show thatcompared with unmodified recycled coarse aggregates,the water absorption and apparent density of modified recycled coarseaggregates increase,while the crushing index decreases.When 30%composite admixture is added into the pozzolanic ashslurry,the compressive strength of recycled concrete decreases,and the chloride ion diffusion coefficient increases with theincrease of the content of fly ash in the composite admixture.The compressive strength of recycled concrete increases and thechloride ion diffusion coefficient decreases when the pozzolanic ash slurry is mixed with appropriate content of rice husk ash.The compressive strength of recycled concrete decreases and the chloride ion diffusion coefficient increases when appropriatecontent of dispersant is added into the pozzolanic ash slurry.Considering the mechanical properties and resistance to chloridecorrosion of recycled concrete,the optimal proportion of pozzolanic ash slurry is 30%content of mineral powder,3%content ofrice husk ash,and no fly ash or dispersant.Keywords:Pozzolanic ash slurry;Modified recycled coarse aggregate;Recycled concrete;Compressive strength;Chlorideion diffusion coefficient;Orthogonal test基金项目：南宁市邕宁区科学研究与技术开发计划项目（20170215A）；南宁学院一流课程培育项目（2020YLKCPY03）。2023年第7期混 凝 土 与 水 泥 制 品2023 No.77月CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTSJuly85-注：复合掺合料指粉煤灰和矿粉的复合掺合料。表4火山灰浆液的配合比Table 4Mix proportions of pozzolanic ash slurry表3正交试验的因素水平Table 3Factors and levels of orthogonal tests表1水泥的主要化学成分Table 1Main chemical compositions of cement加大建筑垃圾的资源化利用力度11-13。目前，较为常见的建筑垃圾资源化利用方式为将其制成再生骨料，并取代天然骨料制备再生混凝土。但是，再生骨料普遍具有吸水率高、压碎指标高等特点，这对再生混凝土的性能不利。为此，许多研究人员通过对再生骨料进行强化处理，改善再生骨料的性能，从而提升再生混凝土的性能14-16。目前，常用的再生骨料强化方法有机械研磨、聚合物乳液浸泡、火山灰浆液浸泡等17-18。其中，火山灰浆液浸泡是将再生骨料浸泡在掺有粉煤灰、矿粉、硅灰、硅藻土等活性矿物的水泥基浆液中，以达到填充再生骨料的表面孔隙和微裂纹，提高再生骨料界面强度的目的。例如，张继华等19研究结果表明，再生粗骨料经水泥复掺稻壳灰和高岭土配制成的火山灰浆液浸泡后，再生混凝土的力学及耐久性能提高。此外，冯庆革等20研究结果表明，稻壳灰具有高硅量、高比表面积的特点，可作为辅助胶凝材料改善混凝土的内部孔结构及优化界面过渡区。本文通过正交试验，研究经水泥、粉煤灰、矿粉、稻壳灰、分散剂等制成的不同配合比火山灰浆液改性的再生粗骨料对混凝土力学及耐久性能的影响，可为再生骨料改性用火山灰浆液的制备及再生骨料性能的提升研究提供参考。1试验概况1.1原材料水泥：华润（南宁）水泥有限公司提供的P52.5级水泥，主要化学成分见表1。粉煤灰：广西南宁电厂提供的F类级粉煤灰。矿粉：广西源盛公司提供的S95级矿粉。硅灰：活性SiO2含量为83%96%。稻壳灰：由低温脱碳法制得的稻壳灰16，其SiO2含量为92%，比表面积为132 m2/g。细骨料：广西嘉泰搅拌站提供的天然河砂，细度模数为2.95，表观密度为2 680 kg/m3，堆积密度为1 396 kg/m3。再生粗骨料：由广西南宁嘉泰水泥制品有限公司提供的C30废弃混凝土试块经破碎、清洗、筛分后得到，粒径为520 mm，连续级配，性能参数见表2。分散剂：化学纯三异丙醇胺。减水剂：聚羧酸高效减水剂，减水率为20%。水：自来水。1.2火山灰浆液的配制本试验采用水泥复掺粉煤灰、矿粉、稻壳灰、硅灰、分散剂和减水剂配制火山灰浆液，采用正交试验法设计火山灰浆液的配合比。L8（41，22）正交试验的因素水平表见表3，火山灰浆液的配合比见表4。其中，硅灰掺量为胶凝材料质量的5%，稻壳灰等质量取代0、3%的水泥，分散剂掺量为胶凝材料质量的0、0.1%，减水剂掺量为胶凝材料质量的1%。1.3再生粗骨料的改性处理根据表4配合比称取原材料备用。首先，将分散剂加入水中搅拌60 s，待分散剂完全溶解后加入减水剂，得到外加剂混合液；随后，将水泥、粉煤灰、矿粉、硅灰、稻壳灰和再生粗骨料倒入搅拌容器中混合搅拌60 s，接着倒入1/2的外加剂混合液搅拌60 s，再倒入剩余的外加剂混合液搅拌120 s；3 h后取出再生粗骨料，滤去多余浆液并风干，即得到改性再生粗骨料。表2再生粗骨料的性能参数Table 2Performance parameters of recycled coarse aggregatesSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3Na2OLOI21.146.144.6765.941.153.50.480.13%压碎指标/%表观密度/（kg/m3）吸水率/%13.892 6323.51水平因素m粉煤灰m矿粉A稻壳灰掺量B/%分散剂掺量C/%1234031221300300.1编号AB/%C/%水泥/g复合掺合料/g硅灰/g减水剂/%水胶比#1#2#3#4#5#6#7#803031212212130300303030300.100.10.100.106562656265626562303030303030303055555555111111110.350.350.350.350.350.350.350.352023年第7期混凝土与水泥制品总第327期86-注：RA1RA8表示分别采用#1#8火山灰浆液改性得到的改性再生粗骨料。1.4再生混凝土的配合比再生混凝土的基准配合比见表5。1.5测试方法改性再生粗骨料的表观密度、吸水率、压碎指标测试：按照GB/T 251772010混凝土用再生粗骨料21进行。再 生 混 凝 土 的 抗 压 强 度 测 试：按 照GB/T500812019混凝土物理力学性能试验方法标准22进行，试件尺寸为150 mm150 mm150 mm。再生混凝土的氯离子扩散系数测试：按照CCES 012004混凝土结构耐久性设计与施工指南23中的快速氯离子电迁移试验进行，试件尺寸为100 mm200 mm。2试验结果与分析2.1改性再生粗骨料的性能图1为不同配合比火山灰浆液改性再生粗骨料的性能测试结果。表5再生混凝土的基准配合比Table 5Basic mix proportion of recycled concrete水泥粉煤灰矿粉再生粗骨料河砂水270.7790.2690.261 052.80634.17189.54kg/m3由图1可知，与未改性再生粗骨料相比，改性再生粗骨料（RA1RA8）的吸水率、表观密度增大，压碎指标减小。当m粉煤灰m矿粉=12、不掺稻壳灰和分散剂时，RA3改性再生粗骨料的吸水率在8组改性组中最小，为4.43%。当m粉煤灰m矿粉=30、分散剂掺量为0.1%、不掺稻壳灰时，RA7改性再生粗骨料的表观密度最大，为2 688 kg/m3。当m粉煤灰m矿粉=03、稻壳灰掺量为3%、分散剂掺量为0.1%时，RA2改性再生粗骨料的压碎指标最低，为11.33%，相比于未改性再生粗骨料的压碎指标降低了18.43%。改性再生粗骨料性能的极差分析结果见表6。由表6可知，各因素对改性再生粗骨料的吸水率、表观密度和压碎指标的影响程度不同。对于吸水率和压碎指标，各因素影响程度的大小顺序为：m粉煤灰m矿粉稻壳灰掺量分散剂掺量；对于表观密度，各因素影响程度的大小顺序为：稻壳灰掺量m粉煤灰m矿粉分散剂掺量。分析原因：由于火山灰浆液包覆在再生粗骨料表面，使得再生粗骨料表面的浆体含量增多，表现为吸水率有所增大24-25。但是，火山灰浆液有效填充了再生粗骨料中的微裂缝和微孔隙，且火山灰浆液能够发生火山灰反应，促进水化反应进程，从而提高再生粗骨料界面的密实度，故表观密度增大，压碎指标降低6，26。由表6还可知，随着复合掺合料中粉煤灰掺量的增加，改性再生粗骨料的吸水率先基本不变后快速增大，表观密度变化很小，压碎指标基本呈增大趋势，这是因为矿粉相对于粉煤灰而言，其更有利于促进火山灰浆液的早期水化进程，密实再生粗骨料的内部结构，从而降低吸水率和压碎指标27。随着稻壳灰掺量从0增加到3%，改性再生粗骨料的吸水76543210吸水率/%未改性RA1再生粗骨料类型表观密度/（kg/m3）再生粗骨料类型2 7502 7002 6502 6002 5502 500压碎指标/%再生粗骨料类型1614121086420（a）吸水率（b）表观密度（c）压碎指标图1改性再生粗骨料的性能测试结果Figure 1Performance of modified recycled coarse aggregates3.515.414.844.435.604.775.305.906.102 6322 6752 6832 6842 6712 6772 6832 6882 65813.8912.1111.3312.4212.3012.2011.9512.7012.56表6再生粗骨料性能的极差分析结果Table 6Range analysis results of recycled coarseaggregate performance项目因素k1k2k3k4R吸水率/%ABC5.125.135.315.015.465.275.036.000.990.330.04表观密度/（kg/m3）ABC2 679.02 681.02 675.02 677.52 673.72 679.82 680.02 673.07.07.34.8压碎指标/%ABC11.7212.3612.2612.3612.0412.1312.0812.630.910.320.13RA2RA3RA4RA5RA6RA7RA8未改性RA1RA2RA3RA4RA5RA6RA7RA8未改性RA1RA2RA3RA4RA5RA6RA7RA8火山灰浆液改性再生粗骨料对混凝土性能的影响杨燕英，陈正，李静，等87-表8氯离子扩散系数的极差分析结果Table 8Range analysis results of chloride iondiffusion coefficient表7抗压强度的极差分析结果Table 7Range analysis results of compressive strength率增大，表观密度和压碎指标略有减小，这主要与稻壳灰自身较高的吸水性和一定的活性有关28。随着分散剂掺量从0增加到0.1%，改性再生粗骨料的吸水率和压碎指标略有减小，表观密度略有增大，这主要是因为掺入分散剂后，火山灰浆液的流动性和分散效果得到优化。2.2再生混凝土的抗压强度图2为再生混凝土的28 d抗压强度。由图2可知，与未改性再生混凝土JZ相比，改性再生混凝土（RC1RC8）的28 d抗压强度提高了6.7%26.9%。其中，采用RA1改性再生粗骨料制备的混凝土（RC1）的28 d抗压强度最高，为24.5 MPa，相比JZ的28 d抗压强度（19.3 MPa）提高了26.9%。再生混凝土的28 d抗压强度极差分析结果见表7。由表7可知，各因素对再生混凝土28 d抗压强度的影响大小顺序为：m粉煤灰m矿粉分散剂掺量稻壳灰掺量，最优方案为A1B2C1，即m粉 煤 灰m矿 粉=03、稻壳灰掺量为3%、分散剂掺量为0。由表7还可知，随着复合掺合料中粉煤灰掺量的增加，试件的28 d抗压强度减小；随着稻壳灰掺量从0增加到3%，试件的28 d抗压强度增大；随着分散剂掺量从0增加到0.1%，试件的28 d抗压强度减小。2.3再生混凝土的氯离子扩散系数图3为再生混凝土的28 d氯离子扩散系数。由图3可知，与未改性再生混凝土JZ相比，改性再生混凝土（RC1RC8）的28 d氯离子扩散系数减小，抗氯盐侵蚀性能提高。其中，采用RA1改性再生粗骨料制备的混凝土（RC1）的28 d氯离子扩散系数最小，为6.5610-12m2/s，相比JZ的28 d氯离子扩散系数降低了24.0%。再生混凝土的28 d氯离子扩散系数极差分析结果见表8。由表8可知，各因素对再生混凝土28 d氯离子扩散系数的影响大小顺序为：m粉煤 灰m矿 粉分散剂掺量稻壳灰掺量，最优方案为A1B2C1，即m粉煤灰m矿粉=03、稻壳灰掺量为3%、分散剂掺量为0。由表8还可知，随着复合掺合料中粉煤灰掺量的增加，试件的28 d氯离子扩散系数增大；随着稻壳灰掺量从0增加到3%，试件的28 d氯离子扩散系数减小，但减小幅度不大；随着分散剂掺量从0增加到0.1%，试件的28 d氯离子扩散系数增大。2.4机理分析与未改性再生粗骨料相比，改性再生粗骨料的吸水率较高，在再生混凝土拌和过程中，改性再生粗骨料吸收了更多的水分，这些水分在再生混凝土养护后期逐渐被释放出来，起到内养护的效果，促进了水化反应进程28，密实了再生混凝土的内部结构，从而提高了再生混凝土的力学及耐久性能。同时，火山灰浆液嵌入并包覆着再生粗骨料，而火山灰浆液的性质与再生混凝土中胶凝浆体的性质相近，这有利于提高再生粗骨料与再生混凝土基体之图3再生混凝土的28 d氯离子扩散系数Figure 328 d chloride ion diffusion coefficient ofrecycled concrete图2再生混凝土的28 d抗压强度Figure 228 d compressive strength of recycled concrete302520151050抗压强度/MPaJZ RC1 RC2 RC3 RC4 RC5 RC6 RC7 RC8试件注：JZ表示未改性再生混凝土；RC1RC8表示基于表5配合比，分别采用RA1RA8改性再生粗骨料制备的改性再生混凝土。因素k1k2k3k4RABC23.9022.1323.3023.1023.1521.9721.8521.702.201.031.33MPa1086420氯离子扩散系数10-12/（m2/s）因素k1k2k3k4RABC6.737.417.267.287.307.467.637.791.070.100.1910-12/（m2/s）JZ RC1 RC2 RC3 RC4 RC5 RC6 RC7 RC8试件2023年第7期混凝土与水泥制品总第327期88-间的界面黏结强度，密实再生混凝土的内部结构，从而提高再生混凝土的力学及耐久性能29。3结论（1）与未改性再生粗骨料相比，不同配合比火山灰浆液改性再生粗骨料的吸水率和表观密度增大，压碎指标减小。总体上，m粉煤灰m矿粉对改性再生粗骨料性能的影响最大，稻壳灰掺量次之，分散剂掺量的影响最小。（2）与未改性再生混凝土相比，改性再生混凝土的28 d抗压强度增大，28 d氯离子扩散系数减小。使改性再生混凝土性能最优的火山灰浆液的最佳配比为：m粉 煤灰m矿 粉=03、稻壳灰掺量为3%、分散剂掺量为0。参考文献：1梁超锋,杜孝敏,裘锦瑜,等.再生混凝土骨料强化方法研究进展J.混凝土与水泥制品,2020(12):87-91.2应敬伟,蒙秋江,肖建庄.再生骨料CO2强化及其对混凝土抗压强度的影响J.建筑材料学报,2017,20(2):277-282.3 BUREK J,NUTTER D.Life cycle assessment of grocery,perishable,and general merchandise multi-facility distributioncenter networksJ.Energy and Buildings,2018,174(1):388-401.4郭远新,李秋义,孔哲,等.再生粗骨料强化处理工艺对再生混凝土性能的影响J.混凝土与水泥制品,2015(6):11-17.5 MATIAS D,BRITO J D,ROSA A,et al.Mechanical 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