大掺量矿物掺合料再生自密实混凝土的力学性能.pdf

第 卷第 期 年 月南 京 工 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（）：大掺量矿物掺合料再生自密实混凝土的力学性能董春汝，宗震宇，唐刘洋，郭樟根，陈 晨（南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京；江苏鸿基节能新技术股份有限公司，江苏 南京）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）；同济大学工程结构性能演化与控制教育部重点实验室开放课题（）；江苏省研究生科研与实践创新计划（）作者简介：董春汝（），女，：；郭樟根（联系人），教授，：引用格式：董春汝，宗震宇，唐刘洋，等大掺量矿物掺合料再生自密实混凝土的力学性能南京工业大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：摘 要：采用再生混凝土骨料替代天然骨料，工业废料替代水泥，制备了生态型再生自密实混凝土（）。对 种水胶比（、和 ），种再生粗骨料取代率（、）和 种矿物掺和料取代率（、）共 个 试件的力学性能进行试验研究。采用坍落扩展度和 环扩展度试验分析新拌混凝土的填充性能、通过性能、黏性，通过筛析法分析混凝土的抗离析性能。基于 非线性数值计算，分析硬化混凝土的抗压强度和弹性模量；此外，利用扫描电镜成像技术，对 的微观结构进行分析；同时，研究了不同再生骨料处理方法对力学性能的影响。结果表明：大掺量矿物掺合料 具有良好的工作性能；再生混凝土骨料降低了混凝土的抗压强度和弹性模量；复掺不同粒径粉煤灰、矿渣、硅灰可以弥补再生粗骨料的不利影响，有效提高了 的抗压强度和弹性模量；复掺矿物掺合料提高了 的水泥石基体和界面过渡区的密实性，从而提高了 的力学性能。通过对试验结果的回归分析，提出了 的抗压强度和弹性模量计算公式。研究成果既有助于降低对水泥和砂石等不可再生自然资源的消耗，又可降低建筑及工业垃圾的处理难度，具有明显的经济和社会效益。关键词：自密实混凝土（）；再生粗骨料（）；辅助胶凝材料（）；再生混凝土；微观结构中图分类号：文章编号：（），（，；，）：（）（，）（）（），：（）；（）；（）；我国建筑业高速发展，消耗了大量的天然砂石等不可再生资源，并产生了庞大的建筑垃圾，对生态环境造成了严重破坏。此外，城市化改造发展越来越快，混凝土作为建筑业广泛使用的材料，带来便利的同时也伴随有大量的资源消耗与环境污染，大量老旧建筑物的拆除产生了数量巨大的废弃混凝土。据相关资料统计，年全国建筑业总产值 万亿元，房屋建筑施工面积 万，消耗了大量天然骨料，建筑垃圾产生量预计突破 亿。天然砂石资源日渐匮乏，建筑垃圾对环境的污染和资源缺乏双重问题是国民经济和社会发展中迫切需要解决的问题。回收建筑废料作为混凝土骨料，不仅可以从根本上解决大量废弃混凝土处理困难问题，又可减少对天然砂石等资源的开采使用，实现资源与环境双收益。自密实混凝土是一种能够在自重作用下流动密实成型的高性能混凝土，具有良好密实性、提高生产效率、改善工作环境、缩短工期等优点。用再生混凝土骨料制作自密实混凝土得到了不少科研人员的重视。在现有研究基础上，通过复掺不同粒径的矿物掺合料来弥补再生骨料的不利影响，提出了大量复掺矿物掺合料再生自密实混凝土。对再生自密实混凝土（）的工作及力学性能进行了试验研究，分析了再生骨料和矿物掺合料的影响，提出了再生自密实混凝土抗压强度和弹性模量计算公式。吴中伟认为可以将高性能混凝土与环境保护、生态保护和可持续发展结合起来考虑，发展绿色高性能混凝土。复掺工业废渣的再生自密实混凝土符合绿色高性能混凝土的概念，在实现混凝土循环利用的同时减少了水泥用量，降低了 排放，具有节约资源、低碳环保等特征，实现了再生混凝土的高性能化及自密实混凝土的低碳化。试验 材料试验原材料主要包括：水泥、天然粗和细骨料、再生粗骨料、辅助胶凝材料（）、聚羧酸高效减水剂。水泥采用海螺牌 普通硅酸盐水泥；细骨料采用天然河砂；再生粗骨料来自南京工业大学结构实验室废弃的混凝土构件，混凝土原始强度为，构件先被钻机进行破碎剔除钢筋，随后混凝土废弃块经过小型颚式破碎机破碎，最后通过筛分得到试验所需的再生粗骨料；再生粗骨料最大粒径为 ，最小粒径为 。天然及再生粗骨料的物理性能见表。辅助胶凝材料主要有 种，分别为级粉煤灰（）、级粒化高炉矿粉（）和原态硅灰（）。外加剂为 聚羧酸高性能减水剂，减水率（质量分数）为。第 期董春汝等：大掺量矿物掺合料再生自密实混凝土的力学性能表 粗骨料的物理性能 材料堆积密度（）表观密度（）孔隙率 饱和吸水率 破碎系数天然粗骨料 再生粗骨料 配合比设计水胶比分别为 （）、（）、（），共 组试件。试件编号为 （，）（，），其中 代表再生粗骨料取代率；代表矿物掺合料取代率；、分别代表单掺粉煤灰、复掺粉煤灰和粒化高炉矿渣、三掺粉煤灰和粒化高炉矿渣及硅灰。代表普通自密实混凝土。试件具体配合比详见表。表 再生自密实混凝土的配合比 水胶比试件编号辅助胶凝材料水泥粉煤灰矿粉硅灰水天然粗骨料再生粗骨料天然砂外加剂附加水 南 京 工 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷 试验方法参考 和欧洲：中的检测方法，制定了再生自密实混凝土工作性能测试方法及性能指标要求。采用坍落扩展度试验评价填充性能和黏性，环扩展度试验评价通过性能。使用筛析法测定水胶比为 的再生自密实混凝土的抗离析性能。使用目测法检验水胶比分别为 、的再生自密实混凝土的抗离析性能。根据混凝土拌合物离析指数（）判断抗离析性能。代表混凝土没有发生离析现象；代表混凝土具有足够的抗离析能力；代表混凝土已离析。根据 普 通 混 凝 土 力 学 性 能 试 验 方 法 标准，分别采用 立方体、棱柱体、的圆柱体进行立方体、轴心抗压和弹性模量试验。试验结果与分析 新拌混凝土的工作性能表 给出了再生自密实混凝土的工作性能。由表 可见：再生骨料和胶凝材料的掺入影响了自密实混凝土的填充性能、黏性、通过性能和抗离析性能。表 新拌混凝土工作性能试验结果 编号填充性能黏性通过性能抗离析性能坍落扩展度 扩展度时间（）环扩展度 坍落扩展度 环扩展度 离析率 离析指数 第 期董春汝等：大掺量矿物掺合料再生自密实混凝土的力学性能 填充性能总体来看，再生自密实混凝土的流动性能良好，大部分试件的流动性满足欧洲：标准的要求。坍落扩展度随着水胶比的增大而增大，这主要是由于水分的增大减小了骨料颗粒之间的摩擦。此外，坍落扩展度随着再生粗骨料取代率的增大而增大，这是由于再生粗骨料吸水率高，混凝土的塑性黏度降低，从而提高了自密实混凝土的流动性。单掺粉煤灰混凝土的流动性最好，三掺粉煤灰、矿粉、硅灰混凝土的流动性最差，这主要是因为相比矿粉等矿物掺和料，粉煤灰能减小浆体与骨料界面的摩擦，提高混凝土的流动性。据相关研究发现，粉煤灰在再生自密实混凝土中的合适掺量（质量分数）为。此外，矿粉颗粒能填充水泥颗粒间的空隙，从而降低了混凝土的流动性。硅灰的粒径极小，表面积较大，能起到填充密实孔隙的作用，并且硅灰还能与其他胶凝材料达到良好的颗粒级配，减少泌水、离析现象的发生。黏性从表 还可以看出：大部分试件坍落扩展时间（）满足欧洲：标准的要求。再生粗骨料、辅助胶凝材料、水胶比对黏性的影响规律与对流动性的影响规律基本相反。坍落扩展时间（）随着再生粗骨料取代率的增大而减小，这主要是由于再生粗骨料孔隙率大、吸水率高，混凝土中附加水的用量增加，导致自密实混凝土中初始自由水含量增多，坍落度变大。坍落扩展时间（）随着辅助胶凝材料（）取代率的增大而减小。部分三掺粉煤灰、矿粉、硅灰混凝土试件坍落扩展时间（）超过 ，这主要是因为硅灰颗粒极小，填充粉煤灰、矿粉及水泥间的空隙，并能与其他胶凝材料达到良好的颗粒级配，减少了泌水、离析现象的发生，增强了混凝土的黏性和保水性。通过性能坍落扩展度与 环扩展度的差反映混凝土的通过能力，数值越大说明通过能力越小，反之越大。再生粗骨料取代率较小时，再生粗骨料能提高混凝土的通过能力，这主要是因为再生粗骨料拌合过程中吸收了部分拌合水；再生粗骨料取代率为 时，混凝土的通过能力普遍降低，这主要是由于再生粗骨料表面附着一定量的水泥砂浆，增大拌合物在拌合过程中的摩阻力。辅助胶凝材料复掺方式对提高通过能力的从小到大排序为单掺、双掺、三掺。研究表明：掺入粉煤灰提高了自密实混凝土的通过能力，等也得出相同的结论。双掺粉煤灰和矿粉的混凝土通过能力低于单掺粉煤灰混凝土，这是由于粉煤灰和矿粉的颗粒小，表面积大，从而产生较大的内表面力以提高混凝土的黏性。对于三掺粉煤灰、矿粉和硅灰混凝土，辅助胶凝材料取代率越大，混凝土通过能力越小，这主要是因为硅灰表面积大，从而提高了混凝土拌合物的密实度与黏性。抗离析性能从表 还可看出：绝大部分再生自密实混凝土抗离析性能表现良好。胶凝材料的掺入有效提高了新拌混凝土的抗离析性能。三掺粉煤灰、矿粉、硅灰混凝土抗离析性最佳，这主要归功于硅灰的保水性和密实作用。力学性能试件的立方体抗压强度（，）、轴心抗压强度（）及静态受压弹性模量（）试验结果如表 所示。从表 可以看出：和普通混凝土一样，再生自密实混凝土的立方体抗压强度随水胶比的增大而减小。混凝土立方体抗压强度与再生粗骨料取代率的关系如图 所示。从图 可以看出：未掺 的再生自密实混凝土抗压强度随着再生粗骨料取代率的增大而减小。再生粗骨料取代率为 的自密实混凝土抗压强度较普通自密实混凝土减小了。此外，当掺入大量矿物掺和料后，再生混凝土的抗压强度随着再生粗骨料取代率的增大而增大，这是由于矿物掺和料增强了再生粗骨料表面的水泥砂浆，从而提高了抗压强度。混凝土立方体抗压强度与矿物掺和料取代率的关系如图 所示。从图 可以看出：混凝土抗压强度随着 掺量的增大而降低。掺量的混凝土抗压强度低于 掺量的混凝土抗压强度，表明高掺矿物掺和料会降低混凝土的抗压强度。当再生粗骨料取代率为，掺量为时，三掺粉煤灰、矿粉和硅灰混凝土的抗压强度比未掺矿物掺和料的混凝土抗压强度高，这是由于粉煤灰、矿粉和硅灰之间的火山灰与协同效应可以提高再生自密实混凝土的堆积密度，从而提高混凝土抗压强度。混凝土立方体抗压强度与矿物掺和料复掺方式的关系如图 所示。由图 可以看出：三掺粉煤灰、矿粉和硅灰混凝土的抗压强度最大，单掺粉煤南 京 工 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷表 再生自密实混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量试验结果 ，混合物编号，混合物编号，降低幅度 ，图 混凝土立方体抗压强度与再生粗骨料取代率的关系 灰混凝土的抗压强度最小。双掺粉煤灰和矿粉混凝土的抗压强度较单掺粉煤灰混凝土的抗压强度增大了，三掺粉煤灰、矿粉和硅灰混凝土的抗压强度较单掺粉煤灰混凝土的抗压强度增大了 。由此可见，复掺矿物掺和料极大提高了混凝土强度，这主要是因为复掺有助于改善粉体材料的颗粒级配，减小胶凝材料体系的空隙图 混凝土立方体抗压强度与矿物掺和料取代率的关系 率，发挥掺合料的微集料效应和火山灰活性，从而提高了再生混凝土的抗压强度。此外，从表 也可以看出：低水胶比的复掺矿物掺和料混凝土皆达到 的强度等级，可满足实际工程应用的要求。混凝土的抗压强度与水灰比（）高度相关，在早期的工作中，等提出了计算再生粗、细骨料混凝土抗压强度的计算式作为 的计算函数，如式（）所示。第 期董春汝等：大掺量矿物掺合料再生自密实混凝土的力学性能图 混凝土立方体抗压强度与矿物掺和料种类的关系 （）（）式中：为混凝土立方体抗压强度，和 分别为回收粗和细骨料的吸水率；和 分别为回收粗和细骨料的替代率；和 为水胶比的参数；为回收粗骨料的吸水率与取代率的乘积；为回收细骨料的吸水率与取代率的乘积。等对复掺粉煤灰和矿粉的再生自密实混凝土进行了研究，提出的抗压强度计算式，如式（）所示。（）式中：、分别为再生粗骨料取代率、粉煤灰、矿粉、硅灰掺量；为回归参数；、分别为再生粗骨料取代率、粉煤灰、矿粉、硅灰掺量的参数。基于式（）和（），本文提出再生自密实混凝土立方体抗压强度（，）计算式，如式（）所示。，（）（）式中：为水胶比。通过本文试验数据，回归分析得到 ，。最终得到再生自密实混凝土配合比设计公式，如式（）所示。，（）（）式（）计算结果与试验值的对比如图 所示。从图 可以看出：计算结果和试验值吻合较好。图 混凝土立方体抗压强度计算结果与试验值的对比 美国混凝土协会（）提出了抗压强度与弹性模量的关系，如式（）所示。（）式中：为弹性模量；为混凝土的抗压强度。加拿大标准协会（）提出的弹性模量的计算式为 （）新西兰标准（）中弹性模量的计算式为 （）按以上 个公式计算的结果与试验值的对比如图 所示。从图 可以看出：以上 个公式计算结果均与试验值有较大误差。图 混凝土弹性模量规范计算值与试验值的对比 基于 公式，本文提出的再生自密实混凝土弹性模量的计算式为（）式中：为轴心抗压强度参数，为轴心抗压强度。根据本文试验数据回归分析得到 。最终得到再生自密实混凝土弹性模量计算式，如式（）南 京 工 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷所示。（）再生自密实混凝土轴心抗压强度与弹性模量的关系如图 所示。从图 可以看出：试验数据均匀分布在预测曲线两侧，式（）的计算结果与试验值较吻合，可用于计算自密实再生混凝土的弹性模量。图 混凝土轴心抗压强度与弹性模量的关系 微观结构分析混凝土是一种自身结构极其复杂的多相、多孔、非均质材料，其性能与内部微观结构密切相关。利用扫描电镜成像技术，更直观地对再生自密实混凝土的微观结构进行分析和研究。试件、三掺 试件 的扫描电镜（）图像分别如图（）和（）所示。由图（）可见：再生骨料与新旧水泥浆体产生的裂缝较大。界面与水泥石基体和再生骨料的界面相比，后者的弹性模量和强度要更大一些，这主要是因为再生骨料和水泥浆体的弹性模量和热膨胀系数不同，一旦所在的环境温度和湿度突然发生改变，那么两者之间的变形情况就会出现明显的差异，水泥石和再生骨料之间就会有裂缝产生，从而形成了裂纹；再生骨料具有亲水性，导致水泥浆体移动，形成水膜覆盖在再生骨料表面，这也是界面裂纹产生的原因。此外，再生骨料的主要原材料是废弃混凝土，这些原材料本身就存在一定的破损，经过破碎操作之后，使破损的程度加重，从而导致材料的内部和表面都存在缺陷和裂纹，再加上有一些再生骨料表面的剥离程度不够，会留下一些旧水泥石，然后再混合天然骨料、原天然骨料、新旧水泥石界面等多相，极易产生裂缝，再生骨料也因为浆体裂纹的存在，导致力学性能受到了极大的破坏，也造成再生骨料的强度降低。由图（）可见：掺入矿渣、粉煤灰等辅助胶凝材料后，再生骨料混凝土界面的过渡区变得更加密实，这主要是因为这两者之间的融合会产生火山灰反应，减少了（）晶体的产生。此外，粉煤灰的二次水化作用，使 凝胶数量增多，改善了界面多晶化和多孔的问题，消除了界面过渡区的不均衡性，使过渡区更加密实。因此，粉煤灰、矿粉等矿物掺合料能显著改善界面过渡区的性能，从而提高混凝土的抗压强度。图 再生自密实混凝土 图像 再生骨料增强措施根据去除黏结砂浆以增强再生粗骨料的原理，采用机械研磨、预浸水、预浸酸 个方式对再生粗骨料进行加强，分析对比其对混凝土力学性能的提升效果。机械研磨和预浸酸方法中对再生粗骨料不进行浸泡水中处理，在搅拌时添加附加用水。采用 第 期董春汝等：大掺量矿物掺合料再生自密实混凝土的力学性能浸泡水方法的所得混凝土强度为本文力学试验所测强度。机械研磨方法是采用鼓风干燥箱在 环境下加热再生粗骨料 。再生粗骨料表面附着的砂浆 经过高温加热后被分解成。随后加热过的再生粗骨料通过机械研磨去除黏附的砂浆，得到的再生粗骨料与天然粗骨料的力学性能相当。预浸酸方式是将再生粗骨料浸泡在盐酸溶液中，盐酸溶液与再生骨料中的水泥水化产物发生反应，从而起到改善再生骨料颗粒表面的作用。种处理方法对 强度的影响结果见表。表 不同再生粗骨料增强措施对强度的影响 编号未处理机械研磨预浸水预浸酸立方体抗压强度劈裂抗拉强度立方体抗压强度劈裂抗拉强度立方体抗压强度劈裂抗拉强度立方体抗压强度劈裂抗拉强度 从表 可以看出：预浸水处理得到的强度与基准组的强度相当。预浸酸处理的加强效果较为显著，立方体抗压强度、劈裂抗拉强度较基准组分别提高了 、；机械研磨方法下立方体抗压强度、劈裂抗拉强度较基准组分别提高了 、，这主要是因为在 下，再生粗骨料表面的砂浆完全干燥，骨料变脆，有利于砂浆的去除，但经过高温研磨的粗骨料可能会产生裂缝等损伤，力学性能会有所下降。结论）随着水胶比的增大，自密实混凝土坍落扩展度增大。由于再生粗骨料吸水率大，随着再生粗骨料取代率的增大，坍落扩展度进一步增大。再生骨料取代率增大，导致自密实混凝土流动性增大，从而降低坍落扩展时间（）。经试验，自密实再生混凝土的抗离析性能总体较好。）未掺 的再生自密实混凝土抗压强度随着再生粗骨料取代率的增大而减小。当加入矿物掺和料取代水泥时，再生自密实混凝土的抗压强度随着再生粗骨料取代率的增大而增大。）随着矿物掺和料的增大，混凝土立方体抗压强度减小，但复掺矿物掺和料能有效降低其不良影响。三掺矿物掺和料的混凝土抗压强度最大，单掺矿物掺和料的混凝土抗压强度最小。当矿物掺和料取代率越大时，轴心抗压强度越小。）相较于天然骨料混凝土，再生自密实混凝土抗压强度、弹性模量略有降低；同时，复掺矿物掺和料混凝土较单掺粉煤灰混凝土 弹性模量更优。试验表明，随着矿物掺和料取代率的增大，可以有效提高自密实再生混凝土的力学性能。）通过对自密实再生骨料混凝土微观结构的分析发现，再生骨料与水泥石界面存在裂纹，且最易向水泥石基体内部发展，降低了混凝土的力学性能。复掺粉煤灰、矿渣等微细矿粉能显著改善界面过渡区的密实性，从而提高混凝土的抗压强度。）通过预浸酸方法将再生粗骨料浸泡在盐酸溶液中，盐酸溶液与再生骨料中的水泥水化产物发生反应，改善再生骨料颗粒表面，从而提高混凝土抗压强度。通过预浸酸方法，再生自密实混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度较基准组分别提高了 、。参考文献：左亚中国建筑垃圾资源化利用的现状研究及建议北京：北京建筑大学，“”，：，：，南 京 工 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷 ，：，：，：，：，（）：，（）：吴中伟 高性能混凝土绿色混凝土混凝土与水品，（）：，：，：，：，中华人民共和国建设部，国家质量监督检验检疫总局普通混凝土力学性能试验方法标准：北京：中国建筑工业出版社，张国庆，宁金香，倪淑娜，等自密实再生骨料混凝土试验研究混凝土，（）：吴晶，张丽娟再生粗集料初始含水率对混凝土性能的影响土木工程与管理学报，（）：，：，：，：，：，：付宝华，盖东方，李军粉煤灰与矿粉的叠加效应对高性能混凝土力学性能的影响居业，（）：，（）：，：，：，：，（责任编辑 赵燕萍）第 期董春汝等：大掺量矿物掺合料再生自密实混凝土的力学性能