用BSF复合矿物掺合料配制C35路面混凝土的收缩性能研究

李 辉，陈裕佳，张 浩，张东省，谢 松，张志明

(1.西安建筑科技大学材料与矿资学院，西安 710055；2.陕西省交通建设集团公司，西安 710075)



用BSF复合矿物掺合料配制C35路面混凝土的收缩性能研究

李 辉1，陈裕佳1，张 浩1，张东省2，谢 松1，张志明1

(1.西安建筑科技大学材料与矿资学院，西安 710055；2.陕西省交通建设集团公司，西安 710075)

研究了以砖粉、粉煤灰和矿渣粉为主要原料开发的BSF复合粉体作为矿物掺合料对混凝土干燥收缩的影响，以及三种原料分别对混凝土干燥收缩的作用机理。试验结果表明粘土砖粉和粉煤灰能小幅的补偿收缩，并且随着其掺量的增加，混凝土收缩减少的幅度也增大；而矿渣粉的掺入会加剧混凝土收缩，BSF复合粉体对混凝土体积稳定性的影响与三种原料的相互作用有关，混凝土中10 nm以下的微孔对干缩的影响最大。

粘土砖粉； 混凝土； 干燥收缩； 机理

1 引 言

随着城镇化进程的加快，我国建筑垃圾的产生量已占到城市垃圾总量的30%～40%[1]。而现在拆除的建筑物多为上世纪七八十年代建造的砖混结构建筑。在拆除这些建筑物所产生的建筑垃圾中废弃粘土砖约占建筑垃圾的30%～50%[2]。如何实现这些废弃粘土砖的资源化利用是实现建筑垃圾分类增值利用的一个重要方面[3]。

在陕西省交通厅的资助下，西安建筑科技大学粉体工程研究所与陕西省交通建设集团公司合作开展《建筑垃圾再生路用复合粉体材料的开发研究》工作，将废粘土砖超细粉磨得到废砖粉，用这种废砖粉与矿渣微粉及粉煤灰为主要原料外加少量改性剂，制配出BSF复合矿物掺合料(粘土砖粉的掺量≥20%)，并成功用于道路水泥稳定基层的施工和小型混凝土预制件的制备。为了进一步将这种复合矿物掺合料拓展用于路面工程，作者尝试用这种材料替代30%的水泥，成功制备出C35路面混凝土。

据不完全统计，我国现有水泥混凝土路面由于开裂引起的破坏占到路面总里程的 20%～30%，如果不重视改善混凝土抗裂性能，混凝土道路经过30～50年后便会进入维修期[4]。开裂是混凝土破坏的主要形式之一，前人已有的研究表明超过80%的混凝土非荷载裂缝是由收缩引起的[5]，混凝土的早期收缩开裂会加速道路混凝土的破坏，其主要表现在(1)干燥收缩引起的裂缝降低了混凝土的强度；(2)干燥收缩引起的裂缝会使钢筋部分暴露于空气中，使其加快腐蚀，进而使裂缝进一步扩展；(3)降低混凝土的抗渗性与抗冻性。因此，采取有效措施抑制混凝土的早期收缩将有助于降低混凝土早期开裂的几率，提高道路混凝土的耐久性[6]。

为了探讨将这种BSF复合矿物掺合料用于路面混凝土工程的可行性，本文重点研究用这种复合矿物掺合料部分替代胶凝材料所配制C35路面混凝土的早期收缩性能及BSF复合矿物掺合料的掺入对混凝土体积稳定性的影响与作用机理。

2 试 验

2.1 试验原料

2.1.1 水 泥

试验所用水泥为用陕西声威铜川水泥厂生产的水泥熟料和西安当地的天然石膏以95∶5的比例混合粉磨配制而成的普通硅酸盐水泥。所用水泥熟料和石膏的化学组成如表 1 所示，所配制硅酸盐水泥的基本性能如表2所示。

表1 水泥熟料和石膏的化学组成Tab.1 The chemical composition of cement clinker and gypsum /wt%

表2 水泥的基本性能Tab.2 The basic properties of the cement

2.1.2 矿物掺合料

试验用矿物掺合料有四种，(1)废粘土砖粉，用从西安市某拆迁工地建筑垃圾中分离出的废粘土砖磨细制成，平均粒径3～5 μm，主要矿物组成为石英(SiO2)、刚玉(Al2O3)、赤铁矿(Fe2O3)以及少量的游离CaO；(2)矿渣微粉由西安德龙粉体工程材料有限公司提供；(3)粉煤灰，为陕西某电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，试验中采用原灰直接使用；(4)BSF复合矿物掺合料，是用上述废粘土砖粉、矿渣微粉和粉煤灰按一定比例混合并加少量改性剂配制而成的复合粉体(粘土砖粉的掺量≥20%)。各种矿物掺合料的化学成分见表3，基本物理性质见表4。

表3 各矿物掺合料的化学成分Tab.3 The chemical composition of each mineral admixtures /wt%

表4 各矿物掺合料的物理性质Tab.4 The physical properties of each mineral admixtures

2.1.3 集 料

试验用粗集料由富平石料场提供，其级配分布如表5。细集料(砂)由富平市砂石厂提供，其各指标均满足《公路水泥混凝土路面施工规范》JTG F30-2003中的要求，详细见表6。

表5 粗集料颗粒级配分布Tab.5 The particle size distribution of coarse aggregate

表6 砂的技术指标Tab.6 The technical index of the sand

2.1.4 外加剂

本试验所采用的减水剂为聚羧酸减水剂，由陕西交建机械化养护公司提供，密度为1.09±0.02 g/mL，pH值为6～8，减水率为25%。

2.2 试验方法

2.2.1 试验标准

混凝土干燥收缩的测试参照《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》(GB/T50082-2009) 规定的方法进行[7]。但温度控制在 20± 10 ℃，相对湿度为室内自然湿度。试验的温湿度环境类似于工程的实际情况。

2.2.2 试验方案

基于工程实践，确定C35混凝土的基准配合比，如表7所示。在此基础上，保持砂、石、减水剂和水灰比等配比不变，分别将废砖粉、矿渣微粉、粉煤灰和BSF复合矿物掺合料按10%、20%、30%和40%的质量比例替代水泥，制成100 mm×100 mm×515 mm的混凝土试块，测量其不同时间的收缩率(1 d、3 d、7 d、28 d、45 d、60 d、90 d和120 d)，以研究BSF复合矿物掺合料的掺入对混凝土早期体积稳定性的影响，并对比分析配制BSF复合矿物掺合料所用的废砖粉、矿渣微粉和粉煤灰等材料对混凝土早期体积稳定性的影响。

表7 混凝土基准配合比Tab.7 The basic proportions of concrete mix /(kg/m3)

3 结果与讨论

3.1 试验结果

四组试验方案的最终试验结果如下图1所示。

结果显示，掺了废砖粉(图1(a))的混凝土在各龄期各掺量下都减小了收缩值。在同龄期混凝土收缩率的减少幅度随废砖粉掺量的增加而增大；在28 d龄期掺40%砖粉的混凝土收缩率比不惨矿物掺合料的基准组混凝土(以下简称基准组)减少了27%。随着龄期的继续增长，收缩变得缓慢。掺粉煤灰(图1(b))对于混凝土收缩率的影响类似于废砖粉，只是从图中可以看出，加入粉煤灰后混凝土试样收缩率的减小幅度比加入废砖粉的略小。

相反，矿渣微粉(图1(c))的掺入会加剧混凝土的收缩率，在同龄期下，随着矿渣微粉掺量的不断增加，混凝土的收缩率也跟着不断增大，并且随着掺量的增加，其收缩率增大的幅度也不断地增大，尤其是在掺量为40%时，在各个龄期下其收缩率基本上都是基准组的两倍。

当BSF复合粉体(图1(d))的掺入量为10%时，混凝土的收缩率比基准组试样要减小，并且7 d以后减小的幅度增大(如图1(e))，表明此时因为废砖粉和粉煤灰的存在而减小混凝土收缩率的幅度，要大于因矿渣粉的掺入而引起的混凝土收缩率增大的幅度。但是，当BSF复合粉体掺入量大于20%时，混凝土的收缩率在同龄期中又随着掺量的增加而增大(如图1(f))，说明此时废砖粉和粉煤灰减小混凝土收缩率的幅度，已经不足以补偿因矿渣微粉而引起的收缩率的增大了。

图1 加入不同比例各矿物掺合料混凝土试样的收缩率Fig.1 Shrinkage of concrete sample added with each admixture in various proportion (a)shrinkage of added brick powder; (b)shrinkage of added fly ash;(c)shrinkage of added GBFS;(d)shrinkage of added BSF; (e)shrinkage of added 10% each admixture;(f)shrinkage of added 30% each admixture

3.2 作用机理分析

混凝土的干燥收缩实际上是发生在其水化相上的收缩，而未水化的胶凝材料和粗细骨料则起约束收缩行为的作用。毛细管应力、表面自由能、分离压力和层间水脱离被认为是主导水泥石干缩的机理作用，通常认为，每种机理都在特定的相对湿度段起作用，但毛细管张力影响最大也是被阐述最多的机理[8～11]。因而水泥石中孔隙失水引起的毛细管张力是干缩的主因。

在60 d龄期时用压汞仪分析掺入不同比例BSF复合矿物掺合料的各混凝土试样的微观孔结构，结果如表8所示。

表8 掺入各比例BSF的部分孔径累计分布Tab.8 A part of the cumulative distribution of the hole diameter of Mixed with the proportion of BSF /vt%

由表8可知，各试样中小于10 nm的微孔的体积百分数随BSF掺量变化情况与试样的宏观收缩率的变化规律高度吻合，即收缩率大的试样，其<10 nm的微孔所占百分数相应地较大。这主要是因为根据Laplace-Kelvin公式(式1)，毛细管所受的应力γ与其孔径R'成反比，即毛细管孔径越小，所受到的压力就越大，所以小毛细管孔对干缩性影响甚大。表8的结果表明，混凝土试样中10 nm以下的微孔对干缩的影响最大。

(1)

为进一步探讨废砖粉，矿渣微粉(GBFS)和粉煤灰对混凝土体积稳定性影响的作用，特通过扫描电镜观察，对比分析这三种材料粉体颗粒微观形貌的差异，结果如图2所示。由图2a可知，废砖粉颗粒表面粘附有更细小颗粒、呈疏松絮状。由于砖粉的活性比较低，在早期只有极小部分参与水化，大部分砖粉颗粒存在于水化相中。砖粉替代水泥实际上是既减少了水化相，同时又增加了微集料，这些砖粉颗粒在水化相中既充当连通孔的媒介，又有储水的功能，可以补充毛细管内的失水，从而减低因毛细管应力引起的收缩。

图2 各矿物掺合料的SEM图Fig.2 SEM images of each mineral admixtures(a)brick powder;(b)fly ash;(c)GBFS;(d)BSF

粉煤灰(图2b)颗粒表面光滑，以圆球形颗粒居多。因粉煤灰活性也较低，所以其掺入的作用与废砖粉类似，只不过其圆球形的颗粒形貌更有利于水分的均匀分散，大小颗粒之间也更易形成最紧密的充填效果，这些都有助于抑制水化相的收缩。

矿渣微粉(图2c)表面致密、棱角分明，这种形貌的颗粒惨加在胶凝材料中后极易形成多孔结构，而且由于矿渣微粉的活性较高，在早期参与水化反应的颗粒较废砖粉和粉煤灰要多。又因为矿渣微粉比水泥颗粒粒径小很多，所以矿渣微粉的加入形成了更多更小更封闭的毛细孔。根据开尔文公式，毛细孔孔径越小，孔壁所受的毛细管应力就越大，从而造成了混凝土试样较大幅度的宏观收缩。所以矿渣微粉的掺入会加剧混凝土试样早期的收缩。

将废砖粉、粉煤灰和矿渣微粉这三种材料混合配制成BSF复合矿物掺合料(图2d)后，砖粉颗粒疏松絮状的形貌和粉煤灰光滑圆球状的颗粒形貌与矿渣致密、带棱角的形貌形成互补，使水分在胶凝材料中分布的更均匀，此外大部分粉煤灰和砖粉颗粒比矿渣颗粒的粒度要细，正好可以充填在矿渣颗粒堆积所形成的空隙中，形成更紧密的堆积，且砖粉和粉煤灰的水化活性较矿渣微粉要差，这几种作用都有助于抑制因矿渣微粉加入而产生的混凝土早期收缩。

4 结 论

(1)废砖粉和粉煤灰可以有效地减小混凝土的干燥收缩，废砖粉的减小幅度略高于粉煤灰；矿渣微粉的掺入将大幅的加剧混凝土的收缩，并且随着掺量的增加，其收缩率增大的幅度也不断地增大;

(2)BSF复合矿物掺合料的掺量≤10%时能够减小混凝土的收缩；而当掺量大于20%时，会增大混凝土干燥收缩，并且随着掺量的增加，收缩幅度也随之增大;

(3)混凝土的干燥收缩与其孔结构密切相关，10 nm以下的微孔对混凝土干缩的影响最大。随着混凝土内部小于10 nm微孔的增加，将导致混凝土收缩加剧。

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Shrinkage Performance of C35 Pavement Concrete Used BSF Admixture

LIHui1，CHENYu-jia1，ZHANGHao1，ZHANGDong-sheng2,XIESong1，ZHANGZhi-ming1

(1.College of Materials and Mineral Resources,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China;2.Shaanxi Provincial Communication Construction Group,Xi'an 710075,China)

The shrinkage performance of C35 pavement concrete with BSF admixture, the influence of BSF admixture on the shrinkage of concrete as well as the effect mechanism of brick powder, fly ash and granulated blast furnace slag (GBFS) powder on the shrinkage of concrete were investigated. The results showed that: clay brick powder and fly ash could compensate the shrinkage of concrete slightly, and with the increase of dosage of these two kind of materials, the drop amplitude of concrete shrinkage rate increased. On the contrary, GBFS powder could aggravate the shrinkage of concrete. The shrinkage performance of C35 pavement concrete was attributed to the interaction of brick powder, fly ash and GBFS, composite admixture. For the concrete shrinkage, the microhole smaller than 10 nm played dominate role.

brick powder；concrete；dry shrinkage；mechanism

交通运输部建设科技项目(2013318J16490)

李 辉(1971-)，女，博士，教授，博导.主要从事固体废弃物资源化利用的研究.

TD98

A

1001-1625(2016)09-3001-06