粉煤灰再生粗骨料多孔混凝土强度影响因素研究

贾剑辉

（北京通成达水务建设有限公司，北京 顺义区 101300）

中国每年产生超过4亿t的废弃混凝土，如此庞大数量的建筑垃圾往往被运输到郊区、山区堆放或者填埋，占用了大量的土地资源，造成河道堵塞、土壤和地下水污染的问题[1，2]。再生混凝土是当前固体废弃物再利用的一种前沿技术，是指利用废弃混凝土破碎加工而成的再生骨料，部分或全部的代替天然骨料配制而成的新混凝土[3，4]，能够有效提升固废资源的利用率，当前国内外对再生混凝土的力学性能进行了相关研究，取得了系列成果[5，6]。金宝宏等[7]基于L16（45）正交表设计16组聚丙烯-钢纤维/再生粗骨料混凝土（PP-SF/RCA混凝土）和1组基准组混凝土的7d抗压强度和28d抗压、劈拉及弯折强度试验，研究VP、VS和RR三因素对PP-SF/RCA混凝土力学性能的影响；
倪紫威[8]研究了再生粗骨料不同取代率对混凝土力学强度及抗冻性能的影响，建立了冻融循环作用下再生混凝土损伤模型。此外还有研究学者探讨了化学强化和混杂纤维对再生混凝土力学性能和耐腐蚀性的影响[9-14]。本文为研究再生粗骨料多孔混凝土强度影响因素，在水泥中添加部分粉煤灰材料，通过室内单轴抗压强度试验探讨了不同再生粗骨料含量、不同水胶比以及不同骨胶比下再生混凝土强度的变化规律，研究成果可为相关混凝土工程提供参考。

本文采用P·O 42.5硅酸盐水泥，质量符合现行国家标准《通用硅酸盐水泥》GB175-2007的要求。粉煤灰采用某电厂的粉煤灰作为原材料，密度为2.27g/cm3，比表面积2 764cm2/g，属于F级粉煤灰，通过XRD光谱分析测得其主要的化学成分为SIO2、Al2O3，CaO。外加剂采用聚羧酸盐类减水剂，粗骨料为天然碎石和再生骨料，骨料采2.4mm～4.75mm的间断级配碎石，均符合Ⅱ类用石标准。两种骨料经过筛选后用水冲洗干净，自然风干后使用。

本文配合比的设计参考了 CJJ/T 253-2016《再生骨料透水混凝土应用技术规程》，再生骨料透水性混凝土采用体积法设计配合比，即首先确定的设计值为骨料透水混凝土孔隙率，单方胶凝材料浆体量由两组设计值确定：骨料空隙率和透水混凝土孔隙率，再根据混凝土强度等级和施工要求的拌合物和易性来调整水灰比和硅灰、水泥掺量比用量，并进行试拌，微调后得到基础配合比。本文为深入探讨再生骨料混凝土的力学性能，主要设计了5种粗骨料含量、5种水胶比以及5种骨胶比对再生混凝土强度的影响。表1为一组配比设计。

表1 再生混凝土基础配合比设计 kg/m3

根据前期的配合比设计，先将天然碎石、再生骨料和拌合水加入搅拌机预先搅拌1.5min，然后再加入一半的水泥、减水剂、硅灰后搅拌1min，最后将剩余的水泥和拌合水加入搅拌机，搅拌2min，同时制备参照组。新拌混凝土颜色较深，外观光亮，将其装入100mm×100mm×100mm模块中振动成型，待观察无任何凝结迹象，抗压强度无任何退化后，送入养护箱养护7d、14d、28d。

3.1 不同粗骨料含量下混凝土强度

图1给出了不同再生粗骨料含量下混凝土养护7d、14d、28d时的抗压强度。由图可知，总体上来看，随着粗骨料的增加，混凝土抗压强度出现了明显增长，但当达到一定含量时混凝土性能会出现明显降低，其中当混凝土养护天数为7d时，再生粗骨料含量为670.8kg/m3，874.9kg/m3，1052.4kg/m3，1220.8kg/m3的 抗压强度分别为 12.3MPa，14.3MPa，15.3MPa，16.1MPa，而当粗骨料含量为1473.9kg/m3时，强度降低至15.7MPa；
当混凝土养护天数为14d时，抗压强度分别为21.6MPa，23.6MPa，24.7MPa，25.2MPa，24.9MPa；
当混凝土养护天数为28d时，抗压强度分别为31.2MPa，32.1MPa，34.2MPa，35.7MPa，34.7MPa。出现这一现象是由于多孔混凝土属于多孔材料，在低强度等级混凝土中，胶凝材料用量少，浆体也少，适当增加骨料粒径，减少比表面积，可以减少浆体用量，增加混凝土的密实度，提高混凝土强度。但也不是粒径越大，混凝土强度越高，在高强度等级的混凝土中，骨料的粒径越大，存在缺陷的几率越大，在混凝土拌合物中，颗粒大的骨料下沉速度也越快，造成混凝土匀质性差，强度低。高强度等级的混凝土使用粒径小的骨料可以降低骨料缺陷，也可以增加骨料与水泥浆的粘结面积，提高混凝土强度。

3.2 不同水胶比下混凝土强度

图2给出了不同水胶比下混凝土养护7d、14d、28d时的抗压强度。由图可知，总体上来看，随着水胶比的增加，混凝土抗压强度出现了降低的趋势，其中当混凝土养护天数为 7d 时，水灰比（w/c）为 0.2，0.22，0.24，0.26，0.28时的抗压强度分别为12.3MPa，11.3MPa，10.3MPa，9.1MPa，7.7MPa；
当混凝土养护天数为14d时，抗压强度分别为20.6MPa，19.6MPa，18.7MPa，17.2MPa，15.9MPa；
当混凝土养护天数为28d时，抗压强度分别为 29.2MPa，28.1MPa，27.2MPa，26.7MPa，24.7MPa。由结果可知，水灰比对再生混凝土的强度有明显影响，混凝土强度增长的过程，就是水泥和水产生水化反应的过程。水化产物的生成速度大于水化产物向溶液中扩散速度，所以很快使水泥颗粒周围液相中的水化产物浓度达到饱和或过饱和状态，并从溶液中析出，成为高度分散的凝胶体。水化反应继续，游离水份不断减少，水泥失去塑性，随着水化产物的不断增加，颗粒之间的毛细孔被填实，水化产物中的晶体贯穿于凝胶体，逐渐形成有一定强度的水泥从而进入硬化阶段。水化产物的进一步增加以及水分的不断丧失，使得水泥石强度进一步增长。通常水灰比越大，游离水就会增加，从而晶体和凝胶体会逐渐减小，使得再生混凝土强度降低。

3.3 不同骨胶比下混凝土强度

图3给出了不同骨胶比下混凝土养护7d、14d、28d时的抗压强度。由图可知，不同养护天数下，混凝土抗压强度随骨胶比增大都呈减小趋势。其中，当混凝土养护天数为 7d 时，骨胶比（a/c）为 2，2.2，2.4，2.6，2.8 时的抗压强度分别为 12.3MPa，10.1MPa，9.8MPa，8.4MPa，7.3MPa；
当混凝土养护天数为14d时，抗压强度分别为20.6MPa，17.3MPa，15.7MPa，14.2MPa，13.9MPa；
当混凝土养护天数为28d时，抗压强度分别为29.3MPa，26.1MPa，25.2MPa，24.7MPa，22.7MPa。试样强度出现降低趋势是由于再生混凝土属于典型多孔材料，其强度由内部结构粘聚力决定。增加骨料占比，会减少胶凝材料用量，导致骨料之间的黏结材料厚度变薄，降低透水混凝土的内部黏结强度，从而宏观上表现出抗压强度减小的力学性质。

本文为研究再生粗骨料多孔混凝土强度影响因素，在水泥中添加部分粉煤灰材料，通过室内单轴抗压强度试验探讨了不同再生粗骨料含量、不同水胶比以及不同骨胶比下再生混凝土强度的变化规律，结果表明：

（1）随着粗骨料的增加，混凝土抗压强度出现明显增长，但当达到一定含量时混凝土性能会出现明显降低。因此在低强度等级混凝土中，可以适当增加骨料占比，增大骨料与水泥浆的粘结面积，提高混凝土强度。

（2）随着水胶比的增加，混凝土抗压强度出现了降低的趋势。水胶比对再生混凝土的强度有明显影响，水胶比越大，游离水就会增加，从而晶体和凝胶体会逐渐减小，使得再生混凝土强度降低。其中当混凝土养护天数为28d、水灰比（w/c）为0.2时的抗压强度最大，为29.2MPa。

（3）不同养护天数下的混凝土抗压强度随骨胶比增大都呈减小趋势。这是由于再生混凝土强度由内部结构粘聚力决定，增大骨胶比会减少胶凝材料用量，降低透水混凝土的内部黏结强度。本文当混凝土养护天数为28d时，骨胶比（a/c）为2时混凝土抗压强度最大，为29.3MPa。