建筑垃圾复合粉体材料对混凝土抗冻性能的影响.pdf

建筑垃圾 复合粉体材料对混凝土抗冻性能的影响 薛翠真等 1 2 l 建筑垃圾复合粉体材料对 混凝土抗冻性能 的影响 薛翠真 ， 申爱琴 ， 郭寅川， 万晨光 ， 张敬 ( 长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室， 西安 7 1 0 0 6 4 ) 摘要 借助 D S C - TG、 扫描 电镜和压汞实验， 并结合混凝土宏观性能实验， 研究了建筑垃圾复合粉体材料对 C 3 0混凝土力学强度及抗冻性能的影响机理。结果表明： 建筑垃圾复合粉体材料掺量为 3 O 时， C 3 0混凝土强度及 抗冻性能最优； 中低盐溶液浓度时， 试件更容易发生盐冻腐蚀破坏。建筑垃圾复合粉体材料 由于其填充效应及火山 灰 效应 减 少了取 向性较 强的 C a ( OH) 2 含量 ， 生成性能较优 、 微观 结构较为致 密的低碱度 水化硅 酸钙凝胶 ， 使得 混凝 土内部较为致密， 孔结构和孔级配趋向合理， 宏观上表现为混凝土强度及抗冻性能的提高。 关键词 建筑垃圾复合粉体材料力学强度抗冻性能盐冻腐蚀微观机理 中图分类号 ： U4 1 6 1 文献标识码 ： A D OI ： 1 0 I 1 8 9 6 j i s s n 1 0 0 5 0 2 3 X 2 0 1 6 0 4 0 2 9 I mpa c t o f Co ns t r uc t i o n W a s t e Co mpo s i t e Po wd e r M a t e r i a l o n Co nc r e t e An t i f r o s t Pe r f o r m a nc e XUE C u i z h e n ， S HE N Ai q i n ， GUO Yi n c h u a n ， WAN C h e n g u a n g ，Z HANG J i n g ( Ke y La b o r a t o r y o f Hi g h wa y En g i n e e r i n g i n S p e c i a l Re g i o n o f M i n i s t r y o f Ed u c a t i o n， Ch a n g a n Un i v e r s i t y ，Xi a n 7 1 0 O 6 4 ) Ab s t r a c t Co mb i n e d wi t h c o n c r e t e ma c r o - p e r f o r ma n c e t e s t s ，i mp a c t s o f c o n s t r u c t i o n wa s t e c o mp o s i t e p o wd e r ma t e r i a l o n c o n c r e t e s t r e n g t h a n d a n t i - f r o s t p e r f o r ma n c e we r e s t u d i e d b y u s i n g DS C- TG，s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p e ( S EM)a n d me r c u r y i n t r u s i o n p o r o s i me t r y( M I P) Th e r e s u l t s s h o we d ：C3 0 c o n c r e t e h a d t h e h i g h e s t s t r e n g t h a n d t h e b e s t a n t i - f r o s t p e r f o f ina n c e wh e n t h e d o s a g e o f c o n s t r u c t i o n wa s t e c o mp o s i t e po wd e r ma t e r i a l wa s 3 0 ；t h e s p e c i me n s we r e e a s y t o f a i l u r e u n d e r l o w- me d i u m s a l i n e s o l u t i o n c o n d i t i o n Co n s t r u c t i o n wa s t e c o mp o s i t e p o wd e r ma t e r i a l c a n r e d u c e t h e c o n t e n t o f Ca ( OH) z f o r i t s f i l l i n g e f f e c t a n d p o z z o l a n i c e f f e c t ，f a c i l i t a t i n g t h e f o r ma t i o n o f h y d r a t e d c a l c i u m s i l i c a t e g e l wi t h l o w b a s i c i t y ，wh i c h h a s b e t t e r p e r f o r ma n c e a n d b e t t e r mi c r o - s t r u c t u r e t h a n Ca ( OH) 2 ，a n d r e s u l t i n g i n p r o p e r c o n c r e t e p o r e s t r u c t u r e a n d p o r e g r a d a t i o n，wh i c h wi l l i mp r o v e c o n c r e t e s t r e n g t h a n d a n t i - f r o s t p e r f o rm a n c e Ke y wo r d s c o n s t r u c t i o n wa s t e c o mp o s i t e p o wd e r ma t e r i a l ，me c h a n i c a l s t r e n g t h，a n t i - f r o s t p e r f o r ma n c e ，f r o s t a n d c o r r o s i o n。mi c r o - me c h a n i s m 0 引言 建筑垃圾废砖块是在建筑物拆 除或新建过程 中产生 的 固体废弃物。我国建筑垃圾废砖块年产量高达 5 2 0 0万 t ， 且 随着我国城镇化的快速发展还会持续增加 。目前 ， 建筑垃圾 废砖块再生利用途径主要是将其用作路基基层填料 、 再生骨 料、 再生砂 、 再生水泥和再生胶凝材料等。研究表明_ 1 ， 掺 建筑垃圾废砖块再生骨料 的混凝土性能较 差， 强度 、 弹性模 量、 抗渗及收缩性能均随再生骨料掺量 的增加而降低 。关于 建筑垃圾废砖块再生砂的研究表明L 4 ， 随着再生砂掺量 的 增加 ， 水泥砂浆流动性、 强度和弹性模量均降低， 综合考虑砂 浆 流动 性及 强度 ， 建筑 垃圾 废砖 再生砂 取代 量应 不 超过 1 O 。燕芳对废粘土砖生产再生水泥进行了研究 7 ， 结果表 明以废弃粘土砖作为硅质原料煅烧硅酸盐水泥熟料可降低 煅烧能耗 ， 且煅烧后熟料矿物结 晶度与工业熟料相差不大。 上述简要文献 回顾表明， 国内外对建筑垃圾废砖块再生 利用已经进行 了多方 向研究 ， 然而 由于强度较低、 吸水性较 大等原因， 导致其再生利用率较低 ， 因而需要一种更有效 的 方法对建筑垃圾废砖粉进行再生利用 。已有研究表 明E 7 ， 建 筑垃圾废砖块磨细粉化学组成与水泥相似 ， 具有潜在的水化 性能 ， 但活性较小， 掺量较大时会导致混凝土强度下降较多。 为改善建筑垃圾废砖块磨细粉活性， 提高其再生利用率， 本 工作将建筑垃圾砖粉与其他工业废渣和激发剂复合形成建 筑垃圾复合粉体材料 ， 研究 了建筑垃圾砖粉、 建 筑垃圾复合 粉体材料的物理化学性能和建筑垃圾复合粉体 材料对混凝 土强度及抗冻性能的影响规律， 为建筑垃圾复合粉体材料在 混凝土 中的应用提供了一定的理论基础 。 1 实验 1 1 原材料 水泥 ： 秦岭牌 4 2 5级普通硅酸盐水泥 ， 表观密度 3 1 1 2 g c m。 ； 粗集料 ： 兴平石料厂破碎碎石； 细集料 ： 普通河砂， 细 *国家 自然科学基金( 2 l 1 O O O 1 2 0 3 0 8 ) 薛翠真： 女， 1 9 9 0年生， 博士生， 主要研究方向为水泥基材料与建筑垃圾砖粉的再生利用 E - ma i l ： x u e c u i z h e n 2 0 0 8 1 6 3 c o rn 建筑垃圾复合粉体材料对混凝土抗冻性能的影响 薛翠真等 1 2 3 抗压强度 较基 准混凝 土降低 1 6 3 。除 掺量 4 O 外 ， 掺 2 O 和 3 0 的 C 3 0混凝土 2 8 d抗压强度及抗弯拉强度均高 于基准混凝土 。掺量为 3 O 时 ， 抗弯拉强度提高 1 4 7 ， 但 掺量为 4 O 时， 混凝土强度有所降低 ， 说 明建筑垃圾 复合粉 体材料掺量小于 4 O 时， 具有较好的强度效应 。这是 由于建 筑垃圾复合粉体材料 由建筑垃圾砖粉 、 粉煤灰及矿粉组成， 其中建筑垃圾砖粉及粉煤灰早期 活性较小 ， 因而降低 了混凝 土早期活性 。当掺量较小时， 建筑垃圾 复合粉体材料的填充 效应弥补了部分强度的降低 ， 7 d 抗压强度降低不明显 ； 当掺 量较大时， 水泥水化产物较少， 内部结构较为疏松， 因而强度 降低幅度较大。随着龄期的增长， 由于建筑垃圾复合粉体材 料的二次水化反应改善 了水泥水化产物 的组成和混凝土 内 部孔结构 ， 因而混凝土强度高于基准混凝土。 表 5 C 3 0混凝土强度实验结果 Ta b l e 5 Th e s t r e n g t h t e s t r e s u l t s o f C3 o c o n c r e t e s 2 2 掺建筑垃圾复合粉体材料的混凝土活性效应评价 为进一 步研究建筑垃圾复合粉体材料对 C 3 O 混凝土强 度的改善作用， 采用蒲心诚教授提出的基 于混凝土比强度指 标的火山灰效应定量数值分析方法口 ， 对掺建筑垃圾复合粉 体材料的 C 3 0 混凝 土的火山灰效应进行了分析， 结果见表 6 。 表 6 掺建筑垃圾复合粉体材料的C 3 0 混凝土火山灰效应 Ta b l e 6 Th e p o z z o l a n i c e f f e c t o f C3 0 c o n c r e t e s mi x e d wi t h c o n s t r u c t i o n wa s t e c o mp o s i t e p o wd e r 注 ： R 掺 = ， R 基 一 ， R = R 掺 一 R 墓 ， K 一 吴 ， P 火 一 10 0 具 体 见 文 P灿 可量化表征建筑垃圾 复合粉体材料火山灰效应对 混凝土强度的贡献大小 。由表 6 可知， 随着建筑垃圾复合粉 体材料掺量 的增加 ， 火山灰效应强度 贡献率增 大。掺量为 2 O 和 3 O 时， 2 8 d活性指数 A均大于 1 ， 说 明 2 8 d龄期时 建筑垃圾复合粉体材料 的活性大于水泥， 因而表现为混凝土 强度的提高 ； 掺量为 4 0 时 ， 活性指数小于 1 ， 因而该掺量下 混凝土强度较基准混凝土有所下降 。 2 3 建筑垃圾复合粉体材料对 C 3 0混凝土抗冻性能 的影 响 不同建筑垃圾 复合粉体材料掺量对 C 3 0 混凝土抗冻性 能的影响结果如图 4所示 。 箸 一 盘 岂 10 O 95 9 O 8 5 80 5 O l O 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 F r e e z e - t h a w c y c l e t i me s 6 5 4 三 3 姜2 1 O 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 4 0 6 0 8 0 l 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 02 2 0 2 4 0 Fr e e z e - t h a w c y c l e t i me s 0 5 O 5 0 5 0 5 0 5 4 3 3 2 2 1 1 O 0 O ， s n l P u 吕 0 专 B l 0 一昌日 口 p 摹 I I I j 0 昌 0 昌_【 0 一 目日 口 建筑垃圾复合粉体材料对混凝土抗冻性能的影响 薛翠真等 1 2 5 生火山灰反应 。二者之间的相互促进作用 ， 使得净浆中各种 水化产物类型发生改变及数量增加 ， 混凝 土密实度提高， 宏 观上表现为掺建筑垃圾复合 粉体材料 的混凝土强 度及抗冻 性能的提高 。 3 3 压汞实验结果分析 混凝土强度及抗冻性与其内部孔径大小 、 孔隙率及孔径 分布有直接关系， 笔者采用压汞法测试 了 9 0 d龄期 C 3 0 0 和 C 3 0 3 0 混凝土 内部孔 结构及 孔径分布 ， 实验仪器选 用 Au t o P o r e I V 9 5 1 0 ， 压汞实验结果见表 7 。 表 7 C 3 o 混凝土压汞实验结果 Ta b l e 7 Th e r e s u l t o f MI P t e s t o f t h e C3 0 c o n c r e t e C 3 O混凝土孔径分布 由表 7 可知 ， 建筑垃圾复合粉体材料的掺人细化 了混凝 土内部孔隙。C 3 0 3 0 混凝土总孔 隙面积、 平均孔 径、 中值 孔径及孔隙率均小于 C 3 0 - 0 混凝土 ； 建筑垃圾复合粉体材 料掺量为 3 O 时 ， 混凝土孔 隙率相对 于基 准混凝 土降低了 3 9 1 ， 平均孔径降低 2 5 1 。由孔径分布可知， 建筑垃圾 复合粉体材料的掺入改善了混凝土孔级配 ， 混凝土结构内部 小孔增多， 大孔减少 ， 使得孔级配分布均匀并趋于合理。 整体来说 ， 建筑垃圾复合粉体材料能够从 以下几方面改 善混凝土强度及抗冻性能 ： 一是增加了对混凝土抗冻性及其 他耐久性能有利的小于 5 0 n m的孔径， 并减少了对抗冻性不 利的大于 1 0 0 n m 的孔径 。这是 因为一般情况下孔 径越小 ， 混凝土内部水冰点及成冰率越低， 从而减小了因结冰膨胀而 引起的混凝土破坏 1 。另外 ， 当孔径较小 时， 混凝土内部孔 的连通性减小， 因而减小 了毛细孔 中静水压力， 并且在结冰 过程 中， 还可以阻止或抑制水泥浆体 中微小冰体的形成 。二 是建筑垃圾复合粉体材料的掺人细化了混凝土内部孔结构， 将原来的大孔分割为较为细小且不连通的小孔 ， 阻断 自由水 渗透通道， 使得混凝土内部湿度扩散率及潮湿密度减小， 因 而减少了可 冻水含量 ， 降低 了混凝土冻融破 坏的几率 。此 外 ， 混凝土冻融破坏是因孔隙水结冰时膨胀而产生的破坏， 混凝土 中孔分布越均匀， 能够承受 的水膨胀压力越大 ， 分布 不均匀时则容易出现应力集 中， 从而导致混凝土破坏 。 4 结论 ( 1 ) 建筑垃圾复合粉体材料在保证混凝土各项性能的前 提下， 可节约水泥 、 降低 能源消耗和保 护环境 ， 是一种经济、 技术可行的新材料。( 2 ) 建筑垃圾复合粉体材料的掺入降低 了 C 3 0 混凝土 的早期抗压强度， 但其后期强度增长较快 ； 当 建筑垃圾复合粉体材料掺量小于 4 O 时， 混凝土 2 8 d抗压 强度及抗弯拉强度均高于基 准试件 随建筑垃圾复合粉体 材料掺量的增加 ， 其火山灰效应对混凝 土强度贡献越大； 掺 量为 2 O 和 3 0 时， 2 8 d活性指数均大于 1 。( 3 ) 建筑垃圾 复合粉体材料的掺人改善 了 C 3 O 混凝 土的抗冻性能 ， 且存在 最佳掺量 3 O 。盐冻耦合作用大大加剧 了混凝土试件 的冻 融破坏 ， 且中低浓度时试件破坏最 为严重。( 4 ) 建筑垃圾复 合粉体材料的掺人改变了水泥水化过程 ， 使得水泥水化产物 及孑 L 结构发生变化 ， 其 中C a ( O H) z 含量明显减少 ， 混凝土孔 结构得到细化， 孔分布更为合理， 使得混凝土内部及界面结 构更为密实 ， 从而提高了混凝土的强度及抗冻性能。 参考文献 1 Pa u l o B Ca c h i r r u Me c ha n i c a l p r o p e r t ie s o f b r i c k a g g r e g a t e c o n c r e t e I- J C o n s t r B u i l d Ma t e r ， 2 0 0 9 ， 2 3 ： 1 2 9 2 2 T o p c u I B 。 G u n e a n N F U s i n g w a s t e c o n c r e t e a s a g g r e g a t e J C e m Co n c r Re s ， 1 9 9 5， 2 5( 7) ： 1 3 8 5 3 Ca o Yus h u Th e s t u d y o f c o mp r e he n s i v e u t i l i z a t i o n o f c o n s t r u c t i o n w a s t e i n t h e b l o c k s ，c o n c r e t e D D a l i a n ：D a l i a n U n i v e r s it y o f Te c h n o l o g y， 2 0 1 1 ( i n Ch i n e s e ) 曹玉书 建筑垃圾中碎砖、 混凝土综合利用的研究 D 大连： 大连理 工大学 ， 2 0 1 1 4 Be k t a s F，Wa n g K，Ce y l a n HEf f e c t s o f c r us h e d c l a y br i c k a g g r e g a t e o n mo r t a r d u r a b i l i t y F J C o n s t r B u i l d Ma t e r ， 2 0 0 9 ， 2 3 ： 1 9 0 9 5 L i a n g Yi ， D e n g Z h i h e n g ，Hu a n g Ti n g j i a n ， e t a 1 Ex p e r i me n t a l s t u d y o n t h e f o r c e p e r f c I r ma nc e o f r e c y c l e d c o n c r e t e wi t h br i c k p o wde r a n d mo r t a r a s f i n e F J C o n c r e t e ， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 4 4 ( i n Ch i n e s e ) 梁倚 ， 邓志恒 ，黄廷 剑 ， 等以废砖粉和废砂 浆为细骨料 的再生混凝 土受力性能试验研究 E J 4 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 4 4 6 Che n g Ha i l i S t u d y o n t he a p p l i c a t i o n o f wa s t e b r i c k p o wd e r i n b u i l d i n g m o r t a r F J J N o r t h C h i n a Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 0 5 ， 1 7( 1) ： 8 9( i n Ch i ne s e ) 程海丽 废砖粉在建筑砂浆中的应用研究I- J 北方工业大学学报， 2 0 0 5， 1 7( 1 )： 8 9 7 Ya n Fa ng Ef f e c t o f wa s t e c l a y b r i c k o n t h e c l i n k e r f o r ma t i o n a n d p r o p e r t y o f r e c y c l e d c e me n t c l i n k e r l D Da l ia n ： Da l ia n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， 2 0 1 3 ( i n Ch i n e s e ) 燕芳 废弃粘土砖对再生水泥熟料烧成及性能的影响 D 大连： 大 连理工大学 ， 2 0 1 3 8 P u Xi n c h e n g。 Wa n g Yo n g we i Hi g hl y a c t i v e mi n e r a l a d mi x t ur e a n d h i g h p e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e E J C o n c r e t e ， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 3 ( i n C h i n e s e ) 蒲心诚， 王勇威 高效活性矿物掺料与混凝土的高性能化 J 混凝 土， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 3 9 Pu Xi n c h e ng ， Wa n g Yo n g we i Hi g hl y a c t i v e mi n e r a l a d mi x t ur e a n d h i g h p e r f o r ma n c e o f c o n c r e t e( Co n t i n u e d )E J Co n c r e t e ， 2 0 0 2 ( 3 ) ： 2 1 ( i n Ch i n e s e ) 蒲心诚， 王勇威 高效活性矿物掺料与混凝土的高性能化( 续) J 混 凝土 ， 2 0 0 2 ( 3 ) ： 2 1 1 O Y a n g Qu a n b in g E f f e c t s o f s a l t a n d s n o w- t h a wi n g a g e n t t y p e s o n s a l t s c a l i n g d a m a g e o f c o n c r e t e D J B u i l d Ma t e r ， 2 0 0 6 ， 9 ( 4 ) ： 4 6 4 ( i n C h i n e s e ) 杨全兵 盐及融雪剂种类对混凝 土剥蚀 破坏影响 的研究 J 建 筑材 料学报 ， 2 0 0 6 ， 9 ( 4 ) ： 4 6 4 1 1 Hu a ng Xi a o h e n，Xu Ca i h o n g，W a n g Li we n Ex p e r i me n t a n d s t u d y o f i n f l u e n c e o f p r o p e r t y o f a i r - b ub b l e s i n ha r d e n e d c o n c r e t e u p o n f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e C h i n a F J H a r b o u r E n g ， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 1 4 ( i n C h i n e s e ) 黄孝蘅 ， 许彩虹 ， 王丽文 硬化 混凝土 中气泡性质 对抗冻性 影响 的试 验研究I- J 港湾建设 ， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 1 4 ( 责任编辑房威)