基于建筑垃圾再生复合微粉的混凝土性能对比分析

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139 1013 1365 张经理

摘  要: 利用对比分析方法，在普通混凝土中分别掺加同掺量的建筑垃圾再生复合微粉和普通粉煤灰，制备出C30-C60等级强度的混凝土。通过混凝土坍落度/扩展度、龄期抗压强度、耐久性和SEM微观结构分析，得出建筑垃圾再生微粉对混凝土性能的影响优劣，为在低等级混凝土中的应用提供参考。

关键词: 对比分析；建筑垃圾；复合微粉；抗压强度；二次水化；活性指数；

0 引言

人类社会的现代化发展伴随着资源和能源的巨大消耗，建筑垃圾、工业废渣等废弃物日益增长，给生态环境带来了不可逆转的破坏^[1]。而传统的废弃物处置方式简单单一，处于未利用或低层次利用阶段^[2]。所以废弃物资源化利用是可持续发展的重要研究课题。建筑垃圾中废弃混凝土可以生产再生粗细骨料、再生复合微粉及其再生混凝土制品，工业废渣磨细后也可以作为再生微粉用于混凝土中^[3.4,5]。课题组将废弃水泥石粉与高炉矿渣、钢渣、烟气脱[1]硫石膏等组分充分混合粉磨制备出再生复合微粉^[6]，添加到混凝土或砂浆中作矿物掺和料使用，具有非常大的潜在利用价值和社会效益。这对我国废弃混凝土本地化高效处置和消纳，提升我国废弃混凝土消纳利用率将具有显著作用，对节能减排，节约土地，保护生态环境，创造和谐城市均具有巨大的推动作用^[7]。

1 试验原材料及试验方法

1.1 试验用原材料

本试验采用亚东P·O42.5水泥（C）、洞庭湖中砂(S)、乌龙泉碎石厂5-25mm连续级配普通碎石(G)、武汉格林瑞SP010-R型聚羧酸减水剂(SP)、武汉阳逻电厂生产的Ⅱ级粉煤灰（FA）、武汉天意成再生资源有限公司生产的再生复合微粉（ZS）。

该再生复合微粉采用废弃混凝土水泥石粉、高炉矿渣、转炉渣、炉底煤渣和烟气脱硫石膏等混合粉磨制备而成，粉煤灰和再生微粉的主要技术指标见表1。

1.2 试验方法

（1）混凝土新拌工作性能、力学性能和耐久性能参照GB50080-2011、GB/T50080-2002、GB50082-2009规定的方法进行。

（2）SEM扫描分析。

1.3 试样制备与养护

制备时先将水泥、再生微粉（或粉煤灰）与粗细骨料在混凝土搅拌机中搅拌至胶凝材料与骨料分散均匀，再加入总水量70%-80%搅拌 60s，加入减水剂，搅拌至有浆体产生后根据混凝土状态继续加入剩余的20%-30%水量。继续搅拌30s后状态稳定即可立即倒出搅拌机，进行新拌混凝土性能测试，装模后在振动台振动1min成型。试验后在温度20±2℃，相对湿度≥98%的养护室中养护至相应龄期。

2 试验设计与结果分析

2.1 配合比设计

本文的主要目的是将再生微粉与普通粉煤灰添加到混凝土进行对比试验，配合比设计见表2。

2.2 试验结果分析

2.2.1 混凝土工作性能的影响

分别设置建筑垃圾再生微粉和粉煤灰两种掺和料的掺量为5%-30%（见表2中1-12组，单数编号为再生微粉组，偶数编号为普通粉煤灰组），添加到普通C30混凝土中研究对混凝土坍落度/扩展度的影响，见图1。

从图1中可以看出再生微粉与普通粉煤灰一样具有改善混凝土流动性能的作用，但再生微粉的改善效果稍低于粉煤灰。随着再生微粉掺量的增加，初始坍落度和扩展度、1小时后坍落度和扩展度都有不同程度地增加，逐渐改善了混凝土的流动性能。再生微粉掺量由5%增加到30%，其初始坍落度由125mm增长到190mm，初始扩展度由415mm增长到525mm，1小时后坍落度由100mm增长到160mm，1小时后扩展度由330mm增长到480mm。从图中还可以看出，随着再生微粉掺量的增加，其带来的坍落度损失率在减小，与普通粉煤灰的改善效果差距在缩小，这有利于混凝土流动性和成本控制。

2.2.2 力学性能的影响

按1-12组配合比制备混凝土按规定条件养护至规定龄期测试其抗压强度，详见图2。

从图2中可以看出，随着再生微粉掺量的增加混凝土的7天抗压强度呈现线形下降趋势，而28天抗压强度先快速增长后略有回落。早期强度方面，再生微粉混凝土低于普通粉煤灰混凝土，平均低0.5Mpa；而后期强度方面，再生微粉平均低于普通粉煤灰混凝土0.7Mpa，这说明再生微粉的水化活性前期较快后期较慢，不利于混凝土强度的持续增长，但是28天抗压强度与普通粉煤灰的作用效果基本一致。

2.2.3 长期强度发展的影响

虽然再生微粉对混凝土的早期强度发展不利，但混凝土后期强度是否能持续发展存在疑问。试验中保持再生微粉与普通粉煤灰的掺加量不变，分别测试11、12、13、14、15、16、17、18组90天、180天后的抗压强度，测试结果见图3。

从图3中可以看出，C30-C60普通混凝土中，随着普通混凝土强度等级的增加，再生微粉的长期抗压强度均出现稳定增长，增长量为5-20Mpa，说明该再生微粉水化反应速率缓慢，对于混凝土后期强度也是有利的，C50/C60普通混凝土中ZS与FA的抗压强度差在逐渐缩小，说明ZS微粉具有很强的次第水化反应能力。

2.2.4 耐久性能的影响

分别测试12组掺再生微粉C30混凝土的抗渗、抗氯离子和硫酸盐侵蚀性能，结果见表3。

从表3中可以看出，掺30%再生微粉混凝土的抗渗性能与普通掺Ⅱ级粉煤灰混凝土基本一样，微细集料填充了混凝土中孔结构^[8]，表现出混凝土良好的密实性能。

3 试验结论与讨论

3.1 普通混凝土基本性能对比分析

通过对比试验发现再生复合微粉较普通粉煤灰工作性能改善效果略低。分析认为，废旧混凝土和高温处理的工业废渣增加了体系中f-CaO、f-MgO含量，f-CaO、f-MgO的高活性和不稳定性增加了早期水化需水量，同时粉磨处理工艺让部分结晶物发生晶格畸变，出现较多位错和缺陷，吸水量增加，减少了混凝土中自由水含量，较普通粉煤灰流动性差。

3.2 不同养护龄期混凝土微结构

通过不同养护龄期掺ZS的C30混凝土SEM测试分析，探究新型再生复合微粉对混凝土结构的影响，见图4。

比较掺ZS的C30混凝土界面SEM扫描分析，7天复合微粉混凝土界面区有较多的凝胶孔和气孔，界面过渡区界限明显，结构疏松；但是随着养护龄期的延长，界面区孔数量逐渐降低，水泥石与集料的界面“裂缝”变得模糊，致密性增强；而养护180天后混凝土界面区更加模糊，界面区粘结界限基本消失，显著改善了混凝土界面致密结构。这说明随着养护龄期的延长，复合微粉的胶凝反应存在一个梯度过程^[9]，高炉矿渣中的活性SiO₂和Al₂O₃、废弃混凝土中未水化水泥及硅酸盐水化产物、脱硫石膏等可以与水形成持续的二次水化反应；但这些水化速率较水泥慢，水化强度延迟，但后期水化持续进行，使得界面区C-S-H凝胶结构更为致密，有利于混凝土中长期强度增长。

3.3 建议及展望

综合分析认为该再生复合微粉可以替代普通Ⅱ级粉煤灰添加到普通C30混凝土中，起到改善混凝土工作性能和长期强度的作用；但普通混凝土设计强度等级的提高使得掺再生复合微粉较普通粉煤灰混凝土工作性能改善效果下降，7天和28天强度与粉煤灰混凝土差距在拉大，所以对于有早强要求的高强度等级普通混凝土而言，由于需水量比高、早期活性低，该再生复合微粉不利于高流动性、低水胶比混凝土的配制。但是可以预见随着行业标准JG/T486-2015《混凝土用复合掺和料》的颁布实施，建筑垃圾再生微粉会取得广阔的发展前景，对资源节约型、环境友好型社会建设具有重大意义。

参考文献：

[1] 李保亮，刘志强.矿物掺合料在水泥及混凝土中的应用研究[J].商品混凝土，2013，11：47-49.

[2] 何勤，谢曦，刘凤源等.国内外废弃混凝土分离回收及应用技术[J].新型建筑材料，2013，10：38-40.

[3] 王晓飞，李秋义，罗健林等.不同品质再生粗骨料混凝土的力学性能及鲍罗米公式拟合[J].混凝土，2016，3：60-62.

[4] 胡智农，杨黎，刘昊.再生微粉混凝土耐久性研究[J].混凝土与水泥制品，2013，3：1-5.

[5] 夏雄，李淋淋，谢飞飞等.再生混凝土路面砖性能研究进展[J].混凝土，2016，2：140-143.

[6]武汉天意成再生资源有限公司.一种非煅烧型固体废弃物高活性矿物掺合料及其制备方法[P].中国专利：CN 105366975 A，2016-03-02.

[7] 朱红兵，赵耀，雷学文等.再生混凝土研究现状及研究建议[J].公路工程，2013，1：98-101.

[8] 申健，牛荻涛，王艳等.再生混凝土力学及抗氯离子渗透性能研究现状[J].混凝土，2016，8：67-69.

[9] Qiong Liu. Teng Tong. Shuhua Liu.Dezhi Yang. Qiang Yu. Investigation of using hybrid recycled powder fromdemolished concrete solids and clay bricks as a pozzolanic supplement forcement [J]. Construction and Building Materials，2013，73：753-764.

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