偏高岭土改性再生骨料混凝土的试验研究

丁华柱，申隐杰，都增延，杨小宝，白垚，陈浩

（1 成都建工第三建筑工程有限公司，四川成都 610023；
2 重庆市綦江区朝野混凝土有限公司，重庆 401420；
3 南宁市华腾混凝土有限公司，广西南宁 530044；
4 重庆建工建材物流有限公司，重庆 401122；
5 保定市兴丰建筑混凝土有限公司，河北保定 072550；
6 中交第四公路工程局有限公司，北京 100176）

再生骨料(RCA)是指将建筑物拆除、路面翻修、混凝土生产、工程施工或其它状况下产生的废混凝土块经过破碎、清洗和分级等一系列加工后，按照一定比例混合得到的骨料。再生骨料混凝土简称再生混凝土（RAC），是指将废弃混凝土块经过破碎、清洗与分级后，按一定比例混合得到再生骨料，部分或全部替代砂石等天然骨料配制而成的一种新型混凝土[1]。

在混凝土工程中，利用再生骨料代替天然骨料（NCA），不仅可以减少天然骨料的开采，节约成本，还可减少固体废弃物的产生，保护环境。当利用废弃混凝土作为水泥原料时，不仅能够节约天然石材，还可以节约黏土和铁矿资源。废弃混凝土再利用符合我国可持续发展战略的基本要求和构建和谐社会的发展方向[2]，再生混凝土是一种可持续发展的绿色混凝土。

传统建筑垃圾制砂机存在可控性差、易造成骨料内伤等缺点，导致再生粗骨料改性存在缺陷，同时带来再生混凝土应用领域较窄等问题。针对目前再生粗骨料物理及化学强化方面的缺陷，通过改变再生粗骨料混凝土中胶凝材料体系及外加剂技术，提高再生粗骨料与砂浆界面过渡区强度，实现再生粗骨料高品质提升。

在再生骨料的改性中，硅灰、粉煤灰及矿渣粉具有高火山灰活性，有利于提高再生骨料混凝土的性能。纳米二氧化硅、纳米石灰石等纳米颗粒的加入增强了再生骨料混凝土的微观结构和强度。与火山灰材料一样，偏高岭土具有巨大的经济和质量控制优势，已被许多研究者成功用于部分替代水泥，以提高再生骨料混凝土的性能[3]。偏高岭土（MK）是由高岭土在650℃~800℃的温度下煅烧而成的一种活性高的铝硅酸盐基矿物掺合料，其含有较多的细粒度非晶态二氧化硅颗粒，具有较高的火山灰活性。偏高岭土在混凝土中的有利作用是火山灰作用、加速水泥水化和填充作用。偏高岭土代替部分水泥掺入混凝土，可消耗水泥水化生成的Ca(OH)2，通过形成额外的C-S-H凝胶来改善混凝土的性能。偏高岭土颗粒加速了水泥的水化过程，混凝土早期强度显著提高。此外，偏高岭土颗粒填充水泥颗粒之间的空间，细化孔隙，使混凝土变得更加密实，抵抗外界环境中的有害物质进入，使氯离子扩散、碳化深度、硫酸盐侵蚀下降[4]。

综上所述，本文旨在评价不同掺量的偏高岭土和再生骨料的混凝土的力学性能、抗硫酸盐侵蚀性能、抗碳化性能和抗氯离子渗透性能。此外，确定偏高岭土在再生骨料混凝土中的强度和耐久性方面的最佳掺量，并对所选性能最佳的样品进行X射线衍射（XRD）分析，促进其在工程施工中推广应用。

1.1 原材料

水泥：南特水泥P.O 42.5R水泥，3d抗折强度为6.9MPa，抗压强度为30.5MPa；
28d抗折强度为8.8MPa，抗压强度为51.7MPa；
其它技术性能指标符合现行规范要求。

细骨料：天然中砂，细度模数为2.9，含泥量为0.9%，其它技术性能指标符合现行规范要求。

再生骨料：市政拆迁再生骨料，压碎指标19.6%，吸水率5.2%，其它技术性能指标符合现行规范要求。

偏高岭土来自开封奇明耐火材料有限公司，细度（比表面积）为437m2/kg，密度为2.43g/cm3。其化学组成如表1所示。

表1 偏高岭土的化学组成（wt%）

1.2 试验方案

本试验采用单因素方法，再生骨料取代天然粗骨料（NCA）的质量百分比分别是0、50%、100%，偏高岭土取代水泥的比例分别是0、5%、10%、15%、20%，制备的11种混凝土配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比

1.3 测试方法

力学性能：按《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）、《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）测定试件抗压、劈裂抗拉强度及抗冻性能。

抗硫酸盐侵蚀性能：试件在标准养护条件下养护28d后浸泡在5%浓度的硫酸盐溶液中。测试28d和90d后的重量损失和抗压强度损失。

抗碳化性能试验：在试验龄期，将混凝土打碎，喷以1%浓度的酚酞溶液,由于Ca(OH)2的存在，混凝土的非碳化部分呈碱性，变成紫红色，而碳化部分保留了原来的灰色。从混凝土表面测得的颜色变化边界的深度为碳化深度。

抗氯离子渗透性能试验[5]：在进行测试之前，混凝土的四周都涂上环氧树脂，然后将其浸泡在相当于海水浓度（约为3.5%）的NaCl溶液中，分别浸泡28d和90d。然后，对试样进行劈裂，并喷入0.1mol/L浓度的硝酸银溶液。通过从立方体的两个侧面测量的氯离子渗透深度的平均读数来表示。

X射线衍射（XRD）：日本理学公司生产的X射线衍射仪，其型号为RigakuD/max-2500 X，Cu靶工作参数为工作功率3kW、步长0.02，扫描速度2.000(d·min-1)，扫描范围5°~70°。将样品置于真空干燥箱中，在60℃下烘干至恒重，破碎、研磨、过筛。

扫描电镜采用TESCAN VEGA2可变真空扫描电镜。扫描电镜分析的样品制作方法为将试件按照规定方法养护后破碎，对破碎后的样品浸泡无水乙醇终止水化，用60℃的干燥箱烘至恒重，断面上喷金备用。试验通过SEM观察了样品水化后的微观形貌。

2.1 混凝土抗压强度的影响

测定不同掺量再生骨料和偏高岭土制备的混凝土试件28d抗压强度，试验结果如图1所示。从图1中可以看出，用再生骨料替代天然粗骨料后，抗压强度显著降低，再生骨料取代率为50%和100%的混凝土在28d时的抗压强度分别比对照组下降13.7%和21.3%。抗压强度的降低是由于再生骨料表面疏松多孔砂浆的存在,减少了界面处骨料与水泥浆体之间的粘结。因此，在再生骨料混凝土内部形成了几个软弱区，当受到内应力时，会产生裂纹，导致再生骨料混凝土的抗压强度降低。

图1 不同掺量再生骨料和偏高岭土的混凝土28d抗压强度

2.2 劈裂抗拉强度的影响

测定不同掺量再生骨料和偏高岭土制备的混凝土试件28d劈裂抗拉强度，试验结果如图2所示。RM50-0和RM100-0的劈裂抗拉强度分别比RM0-0下降9.8%和15.2%，强度降低可能是更高孔隙率造成的。此外，由于不断加工和处理，再生骨料更加光滑，机械咬合作用降低，减少了骨料-浆体的粘结，导致劈裂抗拉强度的降低。

图2 不同掺量再生骨料和偏高岭土的混凝土28d劈裂抗拉强度

偏高岭土掺入再生骨料混凝土对提高两种再生骨料混凝土的28d劈裂抗拉强度有较大影响。从图2可以明显看出，RM50-5、RM50-10、RM50-15和RM50-20对劈裂抗拉强度的增强幅度在RM50-0的3.8~8.5%之间，而RM100-5、RM100-10、RM100-15和RM100-20对RM100-0的增强幅度在5.0%~15.7%之间。与抗压强度一样，偏高岭土掺量为15%时，取代率为50%和100%的再生骨料混凝土的强度增强均达到最大值。偏高岭土的加入降低了再生骨料混凝土的孔隙率，增强了ITZ的微观结构，增强了水泥浆体与再生骨料的粘结[6]。

图3为使用了偏高岭土制备的混凝土的微观图片。未使用偏高岭土的混凝土强度降低，从图3中可以看出，其表面存在松散的多孔砂浆,附着的砂浆会降低再生混凝土的密实度，并减少骨料和水泥浆之间的粘结。偏高岭土较细颗粒的孔隙填充能力更好，减少了界面处的空隙，使水泥石更加致密，所以力学性能提高。

图3 偏高岭土制备混凝土的微观图片(右为未添加)

而在水化产物中，对偏高岭土制备的混凝土水化产物进行 XRD 测试，结果如图4所示。对于掺入偏高岭土的再生骨料混凝土(RM100-15)，结晶氢氧化钙（波特兰石）的峰值降低，表明水泥浆中氢氧化钙的形成速率降低。氢氧化钙峰值的减少表明在形成C-S-H凝胶过程中，偏高岭土的火山灰反应消耗了氢氧化钙。此外，掺入偏高岭土的再生骨料混凝土的C-A-H弱峰略有增加。

图4 偏高岭土制备混凝土的XRD图谱

2.3 抗硫酸盐侵蚀的影响

图5为硫酸盐侵蚀导致的强度损失。混凝土在硫酸钠溶液中浸泡28d和90d，强度损失分别为3.2%和5.2%，再生骨料的掺入大大降低了混凝土的性能。RM50-0和RM100-0的28d强度损失分别为2.8%和2.6%，90d强度损失分别为9.1%和10.0%。结果表明，再生骨料混凝土在其结构中具有较多相互连接的孔隙，硫酸钠溶液更容易进入混凝土内部，导致硫酸盐侵蚀，与氢氧化钙反应生成硫酸钙（石膏），硫酸钙进一步与混凝土中的铝酸钙反应生成硫铝酸钙，硫铝酸钙的膨胀降低混凝土内部结构的凝聚力，从而导致强度降低。偏高岭土的掺入显著提高了抗硫酸盐侵蚀能力。RM50-5、RM50-10、RM50-15和RM50-20置于硫酸钠溶液28d强度损失分别为3.0%、3.1%、3.2%和3.0%，90d强度损失分别为9.1%、7.4%、6.6%和5.2%。同样，置于硫酸钠溶液28d后，RM100-5、RM100-10、RM100-15和RM100-20的强度损失分别为2.7%、2.9%、3.0%和2.8%，浸泡90d后，与对照组相比，强度损失分别为15.0%、23.0%、41.0%和38.0%。可以明显看出，偏高岭土掺入再生骨料的混凝土具有较好的抗硫酸盐侵蚀性能，偏高岭土替代15%时混凝土强度损失最小。在所有混凝土中，RM50-15的强度损失最小，而RM100-15的强度损失与对照组相当。偏高岭土的火山灰反应消耗了最脆弱的水化产物氢氧化钙，导致可用于硫酸盐腐蚀的氢氧化钙数量减少，从而降低了强度损失[7]。

图5 硫酸盐侵蚀引起的混凝土强度损失

由硫酸盐腐蚀引起的重量损失如图6所示。对照组混凝土(RM0-0)浸泡于硫酸盐溶液28d和90d的质量损失分别为2.1%和2.3%。掺加再生骨料对混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能影响最大，质量损失较大。RM50-0和RM100-0浸泡28d的质量损失分别为2.5%和2.2%，浸泡90d的质量损失分别为2.8%和3.1%。这是因为再生骨料混凝土有更多孔隙，硫酸根离子可以很容易进入混凝土，侵蚀氢氧化钙和其他水化产物，将这些物质转化为可溶性物质。掺入偏高岭土后的再生骨料混凝土体系的抗硫酸盐侵蚀性能显著提高。RM50-5、RM50-10、RM50-15和RM50-20的质量损失低于不加偏高岭土的再生骨料混凝土，浸泡28d后分别为2.8%、2.7%、2.3%和2.4%，浸泡90d后分别为2.8%、2.6%、2.4%和2.3%。RM100-5、RM100-10、RM100-15和RM100-20在浸泡28d后的质量损失分别为2.6%、2.4%、2.1%和2.4%，浸泡90d后的质量损失分别为2.9%、2.6%、2.2%和2.5%。实验结果表明，偏高岭土掺入含再生骨料的混凝土在硫酸盐环境下表现出较好的性能，当偏高岭土掺量为15%时，质量损失最小。与对照组混凝土（RM0-0）相比，RM50-15的质量损失较小。偏高岭土的掺入使混凝土中氢氧化钙含量减少，使混凝土更加致密，从而阻碍了硫酸盐溶液渗入混凝土，减小了硫酸盐溶液对混凝土试件的劣化影响。

图6 硫酸盐侵蚀引起的混凝土质量损失

2.4 抗碳化性能

经过28d和90d龄期后，对混凝土碳化深度进行检测，结果如图7所示。实验结果表明，混凝土碳化深度随再生骨料掺量增加而增加。由图7可知，对照组（RM0-0）28d和90d的碳化深度分别为4.0mm和4.5mm，而RM50-0对应的碳化深度分别为5.0mm和5.5mm，RM100-0碳化深度最显著，经过28d和90d后，其碳化深度分别比RM0-0增加了约25.0%和22.2%。与其他耐久性一样，偏高岭土掺入再生骨料混凝土中，提高了再生骨料混凝土的抗碳化性能。掺入100%再生骨料和相同数量偏高岭土(RM100-5、RM100-10、RM100-15和RM100-20)的混凝土，28d后碳化深度分别减少0、0、25.0%和25.0%，90d后碳化深度均减少10.0%。当偏高岭土掺入量为15%时，再生骨料混凝土的抗碳化性能最佳。

图7 不同混凝土配合比碳化深度的变化

偏高岭土对碳化深度性能的改善主要有两个原因：（1）采用偏高岭土取代水泥，其火山灰和填充效应能够优化孔隙，减少二氧化碳进入混凝土内部；
（2）在初始龄期，水泥水化速率和火山灰反应速率都较快，从而降低了二氧化碳扩散[8]的速率。然而，使用较高的偏高岭土掺量（即20%）并不能有效降低再生骨料混凝土的碳化深度，原因可能是偏高岭土替代水泥的量较大时，可用于与偏高岭土发生火山灰反应的水化产物中氢氧化钙的含量减少，导致水化产物（C-S-H凝胶）数量减少，微观结构不致密；
同时，偏高岭土的填充不足以改善由于氢氧化钙缺乏而导致抗碳化性能下降的负面影响[9]。

2.5 抗氯离子渗透性能

混凝土的抗氯离子渗透性能根据氯离子渗透深度[9]进行评估,结果如图8所示。由图8可知，用再生骨料替代天然粗骨料可使氯离子渗透深度显著增加。对照组（RM0-0）在氯离子溶液中浸泡28d和90d，氯离子渗透深度分别为15mm和17mm。相对于RM0-0, RM100-0在28d和90d时的氯离子渗透深度分别高出14%和16.5%。

图8 不同混凝土混合料的氯离子渗透深度

随着再生粗骨料取代率的增加，混凝土的抗氯离子渗透能力在所有浸水期均呈下降趋势。这可能是再生骨料周围残留的砂浆中存在相互连通的孔隙，因此再生骨料混凝土相对于天然粗骨料混凝土（NAC）更具渗透性。这些孔隙使氯离子容易扩散到混凝土中，最终增加氯离子的渗透深度。随着偏高岭土掺量增加，各龄期再生骨料混凝土的抗氯离子渗透能力逐渐增强。掺入5%~20%偏高岭土和50%再生骨料的混凝土，抗氯离子渗透性能得到明显提高。在同样环境下，15%偏高岭土替代水泥降低幅度最大，28d和90d氯离子渗透深度分别降低了32.6%和31.3%。同样，相同掺量的偏高岭土和100%再生骨料，其氯离子渗透深度分别降低31.0%和28.8%。结果表明，偏高岭土替代率为15%时，偏高岭土对提高抗氯离子渗透性能的效果最好。可能的原因是偏高岭土颗粒在再生骨料混凝土内部的孔洞堵塞作用，使孔洞不连续，阻碍了氯离子的扩散。此外，偏高岭土生成大量C-S-H凝胶提高微观结构密实度，减少氯离子的进入，从而降低了氯离子的渗透深度。而使用较高掺量的偏高岭土（20%）不利于提高再生骨料混凝土的抗氯离子渗透性能。

本文对掺入不同量偏高岭土的再生骨料混凝土的力学性能和耐久性进行了详细而系统的实验研究。研究的主要目的是利用偏高岭土来提高混凝土质量，并利用偏高岭土和再生骨料来生产可持续发展的混凝土。通过对实验结果的分析，得出以下结论：

（1）在混凝土中使用再生骨料会降低混凝土的抗压强度。当再生骨料取代率为100%时，抗压强度最大降低约21.3%。当偏高岭土掺量达到15%时，抗压强度可提升15%，有效地消除了再生骨料的负面影响；

（2）随着再生骨料掺量的增加，混凝土劈裂抗拉强度、抗压强度均显著降低。然而，在再生骨料混凝土中掺入偏高岭土后，上述性能得到了显著改善，其中在偏高岭土掺量为15%时改善效果最好；

（3）再生粗骨料混凝土的碳化深度和氯离子渗透深度明显高于天然粗骨料混凝土。在100%再生骨料条件下，90d碳化深度和氯离子渗透深度分别增加了22.2%和16.5%。掺入15%偏高岭土，通过细化孔洞和阻止毛细管孔隙的连续性，有效地提高了再生骨料混凝土的抗碳化和抗氯离子渗透能力；

（4）5%~20%偏高岭土的使用改善了再生骨料混凝土的力学性能和耐久性，但在本研究范围内的所有性能中，均观察到在15%偏高岭土替代水平下的性能最佳。较高掺量的偏高岭土（20%）对再生骨料混凝土性能改善并不有效。因此，从经济和环境的角度来看，在实际工程中，掺入15%偏高岭土和100%再生骨料可以最大限度地利用废弃混凝土，从而方便生产可持续发展的混凝土。