掺合料、石粉及石屑对再生混凝土抗压强度及抗氯离子渗透性能影响研究

管小健（福建省建筑科学研究院，福建福州　350025）



掺合料、石粉及石屑对再生混凝土抗压强度及抗氯离子渗透性能影响研究

管小健
（福建省建筑科学研究院，福建福州350025）

摘要：按ASTM C1202测试了粉煤灰、矿渣、硅灰等掺合料以及石粉和石屑掺量对再生混凝土抗压强度及抗氯离子渗透性能的影响。结果表明，矿物掺合料可显著改善再生混凝土抗氯离子渗透性能，尤其粉煤灰和硅灰复掺能改善再生混凝土的抗压强度和抗氯离子渗透性能；随着石粉掺量的增大，再生混凝土的抗压强度逐渐降低，抗氯离子渗透性能先增强后减弱，表明适量的石粉能在不影响强度的情况下，显著改善其抗氯离子渗透性能，石粉的最佳掺量为水泥质量的5%；石屑取代率增加虽然能改善混凝土的强度，但过量的石屑会降低再生混凝土抗氯离子渗透性能，试验表明，石屑取代率不宜超过20%。

关键词：再生混凝土；掺合料；石屑；石粉；抗压强度；氯离子扩散系数

国内外学者对再生混凝土抗氯离子渗透性能作了初步探讨［1-6］，但研究成果可比性较差，并且还存在着不一致、甚至相互矛盾的结论，而关于石粉和石屑影响再生混凝土氯离子渗透性能的研究较少。本文通过试验研究矿物掺合料、石屑和石粉掺量等因素对再生混凝土抗氯离子渗透性能的影响，为再生混凝土在实际工程中的应用提供理论依据。

1 试验

1.1 原材料及配合比

水泥：炼石牌P·O42.5水泥，比表面积352 m2/kg；粉煤灰：Ⅱ级，细度（45 μm方孔筛筛余）25%，需水量比92.8%，烧失量2.89%；矿渣：福建中联建材微粉有限公司产，密度2.87 g/cm3，比表面积415 m2/kg；石屑和石粉：来自福州某大理石采石场，取来时为混合物，筛分后得到粒径为0.15～4.75 mm的石屑和粒径为0.15 mm的石粉；天然粗骨料：5～25 mm连续级配碎石；再生粗骨料：某公路路面废弃混凝土加工而成，粒径5～25 mm；细骨料：河砂，细度模数2.9；聚羧酸高效减水剂：福建某外加剂厂产；水：自来水。

由于现有规范尚未对再生混凝土配合比设计作出规定，本试验再生混凝土配合比设计参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行，具体配合比见表1。各组试件水胶比均为0.50，通过调整减水剂掺量，使拌合物坍落度控制在160～180 mm；NC组为对比组，100%使用天然粗骨料，其余组均使用再生粗骨料100%替代天然粗骨料；用石粉和石屑分别等量取代混凝土中部分水泥和细骨料，石粉取代率分别为5%、10%、15%、20%，石屑取代率分别为20%、40%、60%、80%。

表1 再生混凝土的配合比　kg/m3

1.2 试验方法

再生混凝土抗压强度试验采用TYA-2000型全自动压力试验机进行，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。再生混凝土抗氯离子渗透性按照美国材料试验协会ASTM C1202［7］进行测试，该方法是通过测量在外加电压60 V作用下6 h内通过混凝土的电量来快速评价混凝土的抗氯离子渗透性。

2 试验结果及分析

2.1 掺合料对再生混凝土抗压强度和抗氯离子渗透性的影响（见图1、图2）

图1 矿物掺合料对再生混凝土抗压强度的影响

由图1可知，再生混凝土的抗压强度低于使用天然粗骨料的普通混凝土，单掺30%粉煤灰的再生混凝土（A2组）抗压强度最低，粉煤灰与矿渣或硅灰复掺（A3、A4组）能显著提高再生混凝土的抗压强度，尤其掺入5%硅灰时（A4组）其强度甚至接近未掺矿物掺合料时的情况，原因在于矿渣或硅灰的比表面积和活性大于粉煤灰，尤其是硅灰，因此其水化后生成了大量的凝胶类物质可以弥补取代水泥后水化产物减少的影响，同时复掺掺合料中的粉煤灰有“滚珠效应”可以提高混凝土的流变性能，更好地改善混凝土的力学性能，使得混凝土更加密实，强度得到提高。

图2 矿物掺合料对再生混凝土抗氯离子渗透性的影响

由图2可知，A1组再生混凝土的氯离子扩散系数比普通混凝土NC组显著增大，而掺入矿物掺合料后氯离子扩散系数显著降低，表明矿物掺合料掺入到再生混凝土中可提高其抗氯离子渗透性能，主要原因有2方面：一是矿物掺合料具有火山灰效应，其活性成分SiO2、Al2O3能与水化产物Ca（OH）2发生水化反应，减少过渡区的CH含量，改善CH的取向，同时水化产生的C-S-H凝胶能够填充过渡区的孔隙，改善过渡带的性能；二是矿物掺合料具有微集料填充效应，表现在不同粒径的水泥与矿物掺合料颗粒相互填充，可使粉体具有良好的连续级配，减少复合胶凝材料凝结硬化后的总孔隙率，提高混凝土抗氯离子渗透性能。

2.2 石粉掺量对再生混凝土抗压强度和抗氯离子渗透性的影响（见图3、图4）

图3 石粉掺量对再生混凝土抗压强度的影响

由图3可知，石粉取代水泥时，再生混凝土抗压强度随着石粉掺量的增加而降低，当石粉掺量为20%时，混凝土的28 d强度下降幅度最大，达到17.6%，其原因在于石粉在水泥水化过程中主要起到了两方面的作用［8］：一方面，石粉中CaCO3颗粒对Ca2+的吸附作用加速了C3S的水化，改善了混凝土的孔隙结构；另一方面，石粉本身能与C3A反应生成水化碳铝酸钙，使得水化反应产物增多。但毕竟石粉的活性不如水泥，石粉等量取代水泥减少了水化产物的总量，最终表现为混凝土抗压强度随着石粉掺量的增加而降低。

图4 石粉掺量对再生混凝土抗氯离子渗透性的影响

由图4可知，再生混凝土氯离子扩散系数随着石粉掺量的增加先减小后增大，石粉取代水泥量小于5%时，混凝土的抗氯离子渗透能力略有增强，当石粉取代水泥量大于5%时，混凝土的抗氯离子渗透能力随着石粉掺量的增加而降低。石粉的掺入能够改善混凝土的耐久性主要在于石粉的微集料填充效应、活性效应和晶核效应［9］，但石粉的活性不如水泥，过量石粉的掺入，减少了水化产物的生成，使得混凝土密实性变差，再生混凝土抗氯离子渗透性能降低。与未掺石粉的混凝土相比，石粉掺量为5%时，其强度几乎不受影响，但抗氯离子渗透性则得到大幅改善，因此，本试验中较佳的石粉掺量为5%。

2.3 石屑掺量对再生混凝土抗压强度和抗氯离子

渗透性的影响（见图5、图6）

图5 石屑掺量对再生混凝土抗压强度的影响

由图5可知，石屑取代河砂时，再生混凝土抗压强度随着石屑掺量的增大有所提高，当石屑掺量为80%时，再生混凝土28 d抗压强度较未掺石屑的提高约9%，这是因为石屑质地坚硬，表面粗糙，带有尖锐棱角，使得集料与浆体的粘结力增强，抗压强度随之提高。

图6 石屑掺量对再生混凝土抗氯离子渗透性的影响

由图6可知，随着石屑取代量的不断增大，再生混凝土氯离子渗透性略有下降，当石屑掺量达到80%时，氯离子渗透系数较未掺石屑时增大约9%，可见石屑取代过量时，再生混凝土抗氯离子渗透性能明显降低。其主要原因可能是随着石屑增加，虽然粗糙的外形可增加相互间的咬合力，提高抗压强度，但空隙率亦有所增大，使得混凝土的抗氯离子渗透性能降低［10］。

再生混凝土中石屑掺量为20%时，立方体抗压强度有所提高，而氯离子扩散系数降低不明显，综合考虑再生混凝土的力学性能和耐久性能，石屑掺量不宜大于20%。

2.4 SEM分析

对A1、A4、B1、C1组试件进行SEM分析，研究再生骨料混凝土在未掺及分别掺入掺合料、石粉和石屑后的微观结构。SEM照片分别见图7～图10。

图7 A1组试件的SEM照片

图8 A4组试件的SEM照片

图9 B1组试件的SEM照片

图10 C1组试件的SEM照片

由图7～图10可知，未掺掺合料、石粉、石屑的再生混凝土颗粒粒径较大，细颗粒较少，孔隙较多；双掺粉煤灰和硅灰的再生混凝土水化产物较为密实地粘结在一起，形成良好的整体，孔隙率较少；掺加5%石粉的再生混凝土中有较多不规则的石粉颗粒分散在浆体和骨料周围，填充孔隙；掺加20%石屑的再生混凝土中，由于石屑颗粒偏粗，与细颗粒的搭配无法达到足够密实状态，存在一定的孔隙。

3 结论

（1）粉煤灰与矿渣或硅灰复掺能够显著改善再生混凝土的抗氯离子渗透性能，尤其是粉煤灰和硅灰复掺的改善效果明显，且能提高再生混凝土的抗压强度。

（2）再生混凝土的抗压强度随着石粉取代水泥量的增加而降低，而适量的石粉能够改善抗氯离子渗透性能。石粉掺量为5%时，再生混凝土的抗压强度不受影响，且抗氯离子渗透性能又能得到较为明显的改善。

（3）石屑取代部分天然砂能够改善再生混凝土的抗压强度，当取代率达到80%时，强度提高约9%，但同时氯离子渗透系数也增大9%，表明抗氯离子渗透性下降。综合考虑，石屑掺量不宜大于20%，此时能够改善再生混凝土的抗压强度，同时又不会明显影响其抗氯离子渗透性能。

参考文献：

［1］吴相豪，焦延涛.粉煤灰对再生混凝土氯离子渗透性的影响［J］.混凝土，2011（2）：72-74.

［2］罗伯光，覃荷瑛.矿物掺合料对再生混凝土抗氯离子渗透性能的影响［J］.公路工程，2014，39（5）：72-74.

［3］ANN K Y，MOON H Y，KIM Y B，et al.Durability of recycled aggregate concrete using pozzolanic materials［J］.Waste Management，2008，28（6）：993-999.

［4］饶志明，吴相豪，花丽君.再生粗骨料影响混凝土抗氯离子渗透性能试验研究［J］.粉煤灰，2014（3）：18-19.

［5］陈爱玖，潘丽云，王静，等.再生混凝土抗氯离子渗透试验研究［J］.新型建筑材料，2009（9）：5-7.

［6］顾军荣，耿欧，卢刚，等.再生混凝土抗氯离子渗透性能研究［J］.混凝土，2011（8）：39-41.

［7］ASTM C1202-97，Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetration［S］.

［8］葛磊.废弃石粉和预置再生骨料混凝土性能的试验研究［D］.杭州：浙江工业大学，2013.

［9］李晶.石灰石粉掺量对混凝土性能影响的试验研究［D］.大连：大连理工大学，2007.

［10］任静.石屑对混凝土性能影响的试验研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

Influence of mineral admixture，stone powder and stone chips on compressive strength and resistance to penetration of chloride ions of recycled concrete

GUAN Xiaojian
（Fujian Institute of Building Research，Fuzhou 350025，China）

Abstract：Influence of type of mineral admixture，replacement rate of stone powder and stone chips on the compressive strength and resistance to permeability of chloride ions into recycled concrete were studied by the method of ASTM C 1202. The result shows that recycled aggregate concrete incorporates with mineral admixture can effectively improve resistance of concrete to chloride ion penetration，especially incorporate both with fly ash and silica fume. With the increase of replacement ratio of stone powder，the compressive strength of recycled coarse aggregate concrete reduced while resistance of concrete to chloride ion penetration was strengthened and then weakened，5%replacement of cement with stone powder is optimum. The compressive strength of recycled coarse aggregate concrete improved with the increase of replacement ratio of stone powder，but resistance of concrete to chloride ion penetration was significantly reduced when incorporates with excessive amount of stone chips，the result shows that replacement of stone chips should not be more than 20%.

Key words：recycled aggregate concrete，mineral admixture，stone chips，stone powder，compressive strength，chloride ion diffusion coefficient

中图分类号：TU528.09

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）03-0016-04

基金项目：建设部2015科技项目计划（2015-K4-031）

收稿日期：2015-10-24；

修订日期：2015-12-24

作者简介：管小健，男，1960年生，福建福州人，高级工程师。