再生微粉混凝土耐久性研究.pdf

2 0 1 3年第 3期 3月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEM ENT PRODUCTS 2 01 3 No 3 Ma r c h 再生微粉混凝土耐久性研究 胡智农 1 , 2 ,3 ， 杨黎 1 ,2 , 3 ， 刘 昊 ( 1 南京水利科学研究 院， 2 1 0 0 2 9 ； 2 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 南京 2 1 0 0 2 9 ； 3 水利部水工新材料工程技术研究中心 ， 南京 2 1 0 0 2 9 ； 4 江苏省水文水资源勘测局宿迁分局 ， 2 2 3 8 0 0 ) 摘要 ： 利用废弃混凝土粉磨制作再生微粉作为掺合料应 用于水 泥混凝 土 中。 研 究 了再生微粉 混凝土的抗冻性 及抗碳化性能 ， 同时与粉煤 灰及 矿粉 作为掺 合料的混凝土进行性 能对 比， 进 一步研 究再 生微粉 与其 它掺合料共掺 情 况下混凝土的耐久性 。研 究结果表 明 ， 控制再 生微粉掺量的混凝 土抗 冻性及 抗碳化耐久性能 与普通 混凝土相 当； 采 用碱性激发剂 的再 生微粉混凝 土、 再生微粉与粉煤灰及矿粉双掺及 三掺情 况下， 混凝 土的耐久性更优 。 关 键 词 ： 废 弃 混 凝 土 ； 再 生 微 粉 ；耐 久 性 ； 抗 冻 性 ； 碳 化 Ab s t r a c t ：Ce me n t c o n c r e t e i s mi x e d b y r e c y c l e d mi c r o p o wd e r w i t h wa s t e c o n c r e t e p o w d e r T h e f r e e z i n g r e s i s t a n c e a n d c a r b o n a t i o n r e s i s t a n c e o f r e c y c l e d mi c r o p o wd e r c o n c r e t e a r e r e s e a r c h e d ， a n d t h e p e r f o r ma n c e s o f c o n c r e t e wi t h fl y a s h a n d s l a g p o wd e r are c o mp are d w i t h t h o s e o f r e c y c l e d mi c r o - p o wd e r c o n c r e t e Th e r e f o r e ， t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e i s f u r t h e r s t u d i e d wh e n r e c y c l e d mi c r o p o wd e r i s mi x e d wi t h o t h e r a d mi x t u r e s Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e f r e e z i n g r e s i s t a n c e a n d c a r b o n a t i o n r e s i s t a n c e o f r e c y c l e d mi c r o p o wd e r c o n c r e t e a r e s i mi l a r wi t h t h o s e o f c o mmo n c o n c r e t e wh e n c o n t r o l l i n g t h e d o s a g e of r e c y c l e d mi c r o - p o wd e r T h e d u r a b i l i t y o f r e c y c l e d mi c r o p o wd e r c o n c r e t e i s b e t t e r wh e n u s i n g t h e a l k a l i a c t i v a t o r a s we l l a s mi x e d w i t h fl y a s h a n d s l a g p o wd e r Ke y wo r ： Wa s t e c o n c r e t e ； Re c y c l e d mi c r o - p o wd e r ； D u r a b i l i t y ； F r e e z i n g r e s i s t a n c e ； C a r b o n a t i o n 中图分 类号 ： T U 5 2 8 1 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 3 - 0 1 - 0 5 0首 茸 言 废弃混凝土再生产 品的应用 既可以减少废弃 混凝土的排放和对环境造成的二次污染 ， 节省大量 的处 理费用 ，又可以减少建 筑业 对天然砂石 的消 耗 ， 保护 自然资源和人类 的生存环 境 ， 产生 良好 的 经济 、 社会 、 环保效益。因此 ， 废弃混凝土最有价值 的处 理方法就是把 它 当作 可再 生资源重新利用生 产建筑材料 ” 。现在世界上很多国家 已不把废弃混 凝土 当成是一种垃圾 ， 废弃混凝 土经过处理后可以 当作制备建筑材料的各种原料 。面对砂石 、 矿产等 自然 资源 la益短缺 、建筑垃圾 E l 渐增加 的严 峻形 势 ， 各 国政府 和研究 机构纷 纷制定 新政策 、 发展新 技术 ， 以促进再生混凝土骨料及再生微粉掺合料的 生产及使用。 目前 ， 废弃混凝土作为可再生资源再生利用主 要有以下 3个途径 ： 将废弃混凝土破碎 、 筛分 、 分 选 、 洁净后作为“ 循环再生骨料 ” ， 制成 一定粒径 的 再生粗骨料或细骨料来代替天然砂石配制再 生骨 料混凝土用在钢筋混凝土结构工程 中。运用废弃 基金项 目： 中央级公益 性科 研院所基本科研业 务费专项资金 资助项 目( L S 4 1 1 0 1 ， Y 4 1 2 0 0 1 ) 。 混凝土中以水泥砂浆为主的颗粒磨细成粉 ， 烧制水 泥。将经过破碎 、 筛分 、 粉磨 的废弃混凝土制作再 生微粉用作掺合料 。 废弃混凝土粉碎过程所 产生的粉料含有大量 的水泥水化产物和未水化的水泥颗粒。一方面 ， 未 水化尽的水泥颗粒可以被“ 复苏” 水化 ， 产生强度 和 激发活性 ， 其反应原理同粉煤灰与水泥 的反应机理 相一致 ； 另 一方面 ， 水 泥水化物 又能在胶凝材料 的 水化和活性激发中起到“ 晶种” 的作用 ， 促进水化。 有关研究表明2 1 ， 再生微粉平均粒径较小 ， 在混 凝土中除 了有胶凝作用外还能起到微 集料效应 ， 可 使得混凝土形成细观紧密组合体 系；另一方面 ， 微 粉颗粒 比表面积大 ， 能吸附水分子 ， 阻碍粗骨料表 层水吸附膜 的形成 ， 有利于改善界面过渡 区， 提高 混凝土性能。 与用作掺合料相 比， 目前废弃混凝土作骨料应 用 比较多 ， 但是废弃混凝土用作骨料的时候 由于破 碎过程 中有裂缝等缺 陷 ， 骨料强度下降 ， 吸水率上 升 ， 品质变化较大 ， 只能配制低强度等级的混凝 土。 而将废弃混凝 土 中的胶凝 材料与骨料分 离磨细再 经过加工如煅烧来制得水 泥的工艺相对 繁琐并且 投资较大。因此 ， 将废弃混凝土直接破碎粉磨制得 一 1 一 2 0 1 3年第 3期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 3期 的微粉作为掺合料应用于水泥混凝土 ， 不失为一种 新 途径 ， 对其 可行 性 的研究 目前并 不 多见 ， 鉴 于此 ， 研究废弃混凝土微粉作掺合料应用 于混凝 土中的 性 能 ， 具 有 重要 意义 。 本文主要研究废弃混凝 土微粉作 为掺合 料配 制混凝土的抗冻及抗碳化耐久性 。 1 试验原材料 水泥采用安徽某公司生产 的 P O 4 2 5级普通 硅酸盐水泥 ， 性能符合 G B 1 7 5 2 0 0 7 通用硅酸盐 水泥 标准要求 ； 砂子为湖北天然砂 ， 细度模数 2 6 ， 含 泥量 1 6 ； 石 子 为 江苏 碎 石 ， 含泥 量 0 6 ， 针 片 状含量 7 ， 压碎值 8 4 ， 符合标准要求 ； 外加剂为 南 京 某公 司 生 产 的 H L C 一 1 X聚 羧 酸 系 高 性 能 减 水 剂 ， 满足 G B 8 0 7 6 -2 0 0 8 ( 混凝土外加剂 中高效减 水剂性能指标要求 ； 矿粉产 自上海某公 司高炉矿渣 粉 ， 符合 $ 9 5矿粉标准技术指标的要求 ； 粉煤灰为 华 能南 通 电 厂 I级灰 。试验 用 水 为 自来水 ， 符 合混 凝土拌合用水要求 。再生微粉为 自加工。 2再 生微 粉 的制备 和性 能 2 1 再生微 粉 的制备 本试 验 所 用 废 弃 混 凝 土 来 自力 学 试 验后 的废 弃 混凝 土块 。 再 生微 粉 的制 备 过 程 是 一 个 掺 合 料 活 性 机 械 强化 的过 程 ， 其 制作 流 程包 括 废弃 混 凝 土一 铁 锤 一 次粗破 碎一 二次破 碎 至最 大粒径 不超 过 2 0 mm 的颗 粒一 球 磨机 碾磨 细度 合格一 试验 用 。废 弃混 凝 土块 经鄂式 破碎 机破碎 后成 粒径 小 于 2 0 m m 的混 凝土 颗 粒。混凝土破碎得越均匀 、 越细 ， 越有利于降低粉磨 系统 能耗 ， 提高 整 个系 统 的制 备 效率 。经破 碎 后 的 混凝 土颗 粒 再 经球 磨 机进 行粉 磨 ， 粉 磨 工 艺 所用 球 磨机为 S M一 5 0 0型球磨机 。混凝土颗粒在球磨机研 磨和试料相互 冲击作用下得到整形和强化 ， 所产生 的混凝 土微 细粉末 即再 生微 粉 。再 生微 粉主要 成 分 由硬化 水泥 石 、 砂 、 石骨 料粉 末组成 。 微粉碾磨制备过程中 ， 在一定 间隔时问内测试 其密度及 比表面积 ， 使其满足实验要求。微粉 比表 面积要 求 大于 4 0 0 m 2 k g 。 2 2 再 生微 粉 的性 能 试 验 所 采 用 的 矿粉 为产 自上 海 宝 田公 司 的高 炉矿 渣粉 ， 再生微 粉 与矿粉 技术 指标 对 比见表 1 。 从表 1可 以看 出 ， 再 生微 粉 砂 浆后 期 的 活性 较 弱 ， 不能满足 G B T 1 8 0 4 6 -2 0 0 8 用于混凝土 中的 粒化高炉矿渣粉规定的掺合料技术指标要求 ， 其 原 因是 再 生微 粉 大量 成 分 已水 化 ，虽然 活 性 偏 低 ， 但微粉也具备一定的水化能力。除了烧失量相对较 高外 ，再 生 微 粉 其他 性 能 均 能满 足 掺 合 料 技 术 要 求 。 2 3 掺合料化学成分 对再生微粉掺合料进行化学全分析 ， 测试其各 类化学成分含量 ， 并与试验所用矿粉及粉煤灰进行 对 比 ， 结 果 见表 2 。 由表 2看出 ，再生微粉 的化学成分 与矿粉接 近， C a O含量大大高于粉煤灰 ，而 Mg O含量较粉煤 灰稍高。由于生产水泥的主要原料 是石 灰质原料 ( 提供氧化钙) 和粘土质原料( 主要提供氧化硅和氧 化铝 ， 也提供部分氧化铁) 【3 】 ， 废弃混凝土经破碎和 粉磨制得的再生微粉的 C a O含量较高 ， 并且含有一 定量的 S i O z ， 其 中一部分来 自废弃混凝土中的骨料 ， 一 部分来 自废弃混凝土中的水化水泥部分 。根据化 学成分不难推断其具有潜在的水化活性 ， 将再生微 表 1 掺合料技术指标 一 2 一 胡 智农 ， 杨黎 ， 刘吴 再生 微粉 混凝 土 耐久 性研 究 粉作 为生产 水泥的石灰 石质原料或者直接作 为掺 合料应用于混凝土中是可行的。 3再生 微粉 混 凝土 性能 研 究 通过试验对 比， 研究再生微粉掺合料 、 矿粉 和 粉煤灰在水 泥混 凝土 中的作用区别 以及其对水 泥 混凝土性能的影 响。同时 ， 研究 多种掺合料复掺下 水泥混凝土的性能 ， 得出性能较优的配合 比。 再生微粉、 粉煤灰和矿粉掺合料在混凝土中不 同组合 的试验配合 比见表 3 。 3 1 抗压 强度 不同掺合料组合 的混凝土抗压强度见表 4 。 不同双掺组合配合 比( P 0 1 、 P 0 2 、 P 0 3组 ) 混凝土 表 3 不同掺合料组合的水泥混凝 土配合 比 k g m 注 ： C 一 水泥 ， w一水 ， S 一 细集 料 ， G 一粗集料 ， 0 一 矿粉 ， F 一粉煤灰 ， M 一 再生微粉 ， R 一减 水剂 ， A N S型激发剂 。 表4 不同掺合料组合的混凝土抗压强度 情况下调整粉煤灰 、 矿粉和再生微粉的掺量比例 。 抗压 强度 对 比见 图 1 。 由图 l可以看出 ， 粉煤灰和矿粉双掺情况下水 泥混凝 土的抗压强度最大 ， 而再生微粉和矿粉或粉 煤灰双掺配合 比的水泥混凝土 中， 微粉与矿粉双掺 昆凝土 的抗压强 度在各个 龄期 均大于再生微粉 与 粉煤 灰 双掺 混凝 土 的 。 45 4 o 芝 3 5 越 营3 0 2 5 2 0 1 5 O 1 O 2 0 3 0 4 O 5 0 6 0 龄期， d 图 1 不同组合双掺混凝 土抗 压强度 不同比例三掺配合 比( P 0 4 、 P 0 5 、 P 0 6组 ) 混凝土 抗压强度对 比见图 2 。 图中比例为掺合料总掺量不变 4 0 3 5 凸一 螽3 0 骥 墨2 5 2 O 1 5 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 龄期 d 图 2 不 同三掺 比例下混凝土抗压强度 由图 2可 以看出 ， 随着龄期增长 ， 不同掺合料 比例配合 比的三掺混凝土的抗压强度呈增长态势 。 水化初期 ，三种 比例三掺混凝 土抗压强 度相差不 大 ， 随着水化的进行 ， P 0 5组( F ： O ： M 为 7 ： 4 ： 3 ) 的混凝 土强度提高较大 ， 而三种掺合料 比例为 1 ： 1 ： 1的 P 0 6 组混凝土强度提高相对较小 ， 主要是激发剂掺量较 少的缘故 ； 在后期 ， 随着再生微粉掺量增多 ， 矿粉掺 量降低 ， 混凝土的抗压强度降低。由图 2可以看出， 即使掺合 料 中再生微粉 比例最高的 P 0 4组 ( F ： O ： M 为 7 ： 2 ： 5 ) ， 其长龄期强度也能满足要求 ， 因此 ， 再生 微粉比例 占掺合料的 3 5 左右是可行的。 3 2 抗冻 性 根据 S L T 3 5 2 -2 0 0 6 水工混凝土试验规程 采用 D D R 一 2型全集配混凝土快速冻融试验机对表 3中不 同配合 比的混凝土试块进行冻融循环试验 。 试验考虑质量损失率 和相对 动弹性模 量两个指标 一 3 一 2 0 1 3年第 3期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 3 期 来判定试块是否破坏。 不 同掺合料组合 的配合 比混凝 土在 冻融循环 作用下 的质量损失率及相对动弹性 模量如表 5所 示 。 在经历 1 5 0次冻融循环后 ， 粉煤灰和再生微粉 双掺 P 0 2组混凝土试块相对 动弹性模量为 5 7 ， 而 P 0 6组 ( F ： O： M 为 1 ： 1 ： 1 ) 混 凝土 试块 的 自振 频率 已无 法测定 ， 且表 面剥落严重。而经历 2 5 0次冻融循环 之后 ， 粉煤灰和矿粉双掺 P O 1 组混凝土试块的 自振 频率已无法测定 。 表 5 不 同掺合料混凝 土质量损失率及相对动弹性模量 由表 5可作 图分析各配合 比混凝土在冻融循 环作用下的质量损失率 ， 见图 3 。 1 2 1 0 5 U l O 0 1 5 0 Z O 0 2 5 0 冻融循 环次数 次 图 3 各配合 比混凝 土在冻 融循 环作用下 的质量损失率 由图 3可 以看 出， 矿粉 、 粉煤灰和再生微粉 三 掺替代 3 0 水泥的情况下 ， 当三种掺合料 比例为 1 ： 1 ： 1时的 P 0 6组混凝土 5 0次冻融循环之后质量下 降严重 ， 在 2 0 0次循环时质量损失已经超过 5 ； 当 粉煤灰 、 矿粉和再生微粉 比例为 7 ： 2 ： 5的 P 0 4和 7 ： 4 ： 3的 P 0 5组时，随冻融循环次数增多质量损失都不 大 ， 直至 2 5 0次循环 ， 两种 配合 比混凝 土试块质量 损失都不超过 5 ， 但随着矿粉的减少 ， 再 生微粉和 粉煤灰的增加 ， 质量损失率增大 ， 抗冻性降低 。矿粉 和再生微粉 l ： 1 双掺的 P 0 3组 ，随冻融循环次数增 一 4一 加 ， 质量损失率最小 ， 而粉煤灰与再生微粉双掺的 P 0 2组质量损失率较大 ， 且经过 2 0 0次冻融循环 ， 其 质 量损 失 已超 过 5 。 除质量损失率外 ， 还研究各组混凝土经过冻融 循环后的相对动弹性模量。根据表 5作 图， 随冻融 循环次数增加试验混凝 土试块的相对 动弹性模 量 对 比见 图 4 。 1 0 0 9 O 8 0 7 0 幅 靛6 0 5 0 4 0 U 5 U l U 【 J l 5 0 2 0 0 2 5 0 3 O 0 冻融循环次数 次 图 4 各配 比混凝土在冻融循环作用 下的相对 动弹性模 量 根据 试验 ， 对于双掺混凝土试块 ， 经历冻融循 环 1 5 0次后双掺粉煤灰 与再 生微粉的 P 0 2组混凝 土试块相对动弹性模量 已经低于 6 0 ； 经历 2 5 0次 循 环的粉煤灰 和矿粉双掺 的 P O 1组混凝土试块 的 自振频率无法检测 ；在冻融循环次数达 到 2 0 0次 8 6 4 2 O 脚 鞲卿嶙 胡智农 ， 杨黎 ， 刘吴 再生微粉混凝土耐久性研究 时 ， 粉 煤灰 、 矿 粉及 再生 微 粉 1 ： 1 ： 1三掺 的 P 0 6组 混 凝土试块无 法测得 自振频率 ； 而另外 3种不 同掺合 料 比例配合 比的 P 0 3组 、 P 0 4组和 P 0 5组混凝 土试 块 在经历 2 5 0次冻融循环后 的相 对动弹性模量值 大于 6 0 。因此 ， 在一定 比例的配合 比下使用再生 微粉与粉煤灰和矿粉三掺的混凝土抗冻性较佳 。 综上所述 ， 试验 P 0 3 、 P 0 4 、 P 0 5组混凝土抗冻性 达 到 F 2 5 0以上 ； P O 1基 准组 混 凝 土 抗 冻 性 达 到 F 2 0 0 ； P 0 6组混凝土抗冻性达到 F 1 5 0 ； P 0 2组混凝土 抗冻性达到 F 1 0 0 。由此推测 ， 再生微粉作为掺合料 对混凝 土的抗冻性影响介于矿粉和粉煤灰之间 ， 再 生微 粉混凝 土抗 冻性能优于同掺量 粉煤灰 混凝土 的抗冻性能 ，低于同掺量矿粉混凝土的抗冻性能。 矿粉掺量 比例增加有利 于提高抗冻性。另激发剂的 掺人对强度和抗冻性提高有利 ， 由于激发剂根据再 生微粉掺量比例掺入 ， 实际碱性激发剂对粉煤灰 和 矿渣均有激发作用 ， 因此 ， 激发剂掺量 比例较少( 再 生微粉 的1 3 ， 其 它组为 1 6 ) 的 P 0 6组抗冻性相 对较差 ， 粉煤灰掺量较多的 P 0 2组抗冻性最差。 3 3 抗 碳化 性能 混凝土快速碳化试验根据 S 【 ， r 3 5 2 -2 0 0 6 水 工混凝土试验规程 进行。 试验测试单掺再生微粉 、 单掺矿粉及两者双掺 混凝土的抗碳化性能 ， 并进行 比较分析 。试验配合 比见 表 6 。 对表 6中各组 混凝土试件养护 2 8 d后进行碳 表 6 再生微粉混凝土抗碳化性 能试验 配合 比 k g m 注 ： C 一 水泥 ， W一水 ， S 一细集料 ， G 一 粗集 料 ， 0 一矿粉 ， M一再 生微 粉 ， R 一减水剂 ， A N S型激发剂 。 化测试 ， 各配合 比混凝土试件 3 d 、 7 d 、 1 4 d及 2 8 d的 碳 化深 度见 表 7 。 表 7试件碳化深度 m m 由表 7可以看出 ， 在各个碳化 阶段单掺矿粉的 混凝土试件碳化深度最小 ， 而单掺再生微粉的混凝 土试件碳化深度最大。复掺混凝土试件的碳化深度 介于两者之 间。由此可以推断 ， 再生微粉的抗碳化 能力低于矿粉 的抗碳化能力 ， 再生微粉复掺矿粉后 混 凝 土抗 碳化 能力 有所 提高 。 4结论 ( 1 ) 再 生微粉和矿粉 、 再生微粉和粉煤灰 、 粉煤 灰 和矿粉双掺混凝土 ， 在各个 龄期 ， 以粉煤灰 和矿 粉双掺混凝 土的强度值最大 ， 再生微粉与矿粉双掺 混 凝 土 强 度 在 各 龄 期 均 大 于 再 生 微 粉 与 粉 煤 灰 双 掺混凝土的强度。 ( 2 ) 固定掺合料掺量 ， 以矿粉 、 粉煤灰及再生微 粉不 同组成 比例配制 的三掺混凝土 ，随龄期增长 ， 不同配合 比的三掺混凝土的强度呈增长态势 。在后 期 ， 随再生微粉掺量增多 ， 矿粉掺量降低 ， 混凝土的 强度降低。再生微粉掺量 占掺合料 的 3 5 左右时使 用较为适宜 。再生微粉作为掺合料使用是可行的。 ( 3 ) 抗冻性试验表 明 ， 再生微 粉作 为掺合料对 混凝 土试块 的抗冻 性能影响介 于矿粉和粉煤灰之 间， 再生微粉混凝土抗冻性能优于同掺量粉煤灰混 凝土 的抗冻性能 ， 低于同掺量矿粉混凝土的抗冻性 能 。激发剂掺入对提高混凝土抗冻性有利 。 ( 4 ) 单掺矿粉 的混凝 土碳化 深度最小 ， 而单掺 再生微粉的混凝土试件碳化深度最大 。双掺再生微 粉和矿粉混凝土的碳化深度居 中， 说 明再生微粉应 与其它掺合料共掺应用于混凝土中较为合适。 参考文献 ： 【 1 】肖建庄， 李佳彬， 兰 阳 再生混凝 土技术最新研究进展 与评 述 J 】 混凝土， 2 0 0 3 ( 1 0 ) ： 1 7 2 O 2 O t s u k i N Mi y a z a t o S a n d Y o d s u d j a i WI n fl u e n c e o f r e c y c l e d a g g r e g a t e o n i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e ， s t r e n g t h ， c h l o ri d e p e n e t r a t i o n a n d c a r b o n a t i o n J J o u rna l o f Ma t e ri a l s i n C i v i l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 3 ， 1 5( 5 ) ： 4 4 3 4 5 1 【 3 】 马 纯滔，宋 建夏 建筑垃圾 再生微 粉利用 的试验 研究 J 宁夏工程技术， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 5 5 - 5 9 【 4 中华人 民共 和 国水利部 S I J T 3 5 2 - 2 0 0 6水工 混凝 土试 验规程【 S 2 0 0 6 收 稿 15 t 期 ： 2 01 3 0 2 1 8 作者简 介 ： 胡智农 ( 1 9 6 4 一 ) ， 男 ， 教授级高工。 通 讯地址 ： 南京市广州路 2 2 3号 E ma i l ： z n h u n h r i c n 一 5 一