双掺粉煤灰及再生骨料对混凝土强度影响研究★

梁 谦 程建萍 陈平平 景亚州 王香香 孙彩珍 郑宗倩

(1.河西学院土木工程学院，甘肃 张掖 734000； 2.河西走廊水资源保护利用研究所，甘肃 张掖 734000)

1 概述

近年来，我国工业、建筑业飞速发展，然而在发展的同时伴随着一系列的亟待解决的问题，如资源紧缺，环境污染，垃圾回收处理等问题。混凝土材料是当今用量最大、用途最广泛的建筑材料，据统计，每年全世界的耗用量接近100亿t[1]。如此巨大的用量，伴随着生产、使用过程带来的矿石资源、能源的消耗，以及对大气和环境造成的污染，已引起全世界业内关注。为此建筑方面的专家提出了制作“绿色混凝土”[2]，绿色混凝土发展的关键是要满足建筑行业的可持续发展，减少资源和能源的消耗，降低材料成本，增加废弃物的再生利用，减轻对环境的负荷或更有利于环境，既能为当代人提供舒适、易居的生活环境，又不损害后代人的利益[3]。因此，如何提高废弃混凝土的再生利用，成为当前解决废弃混凝土等建筑垃圾对生态环境影响的关键。

就目前而言，建筑废弃混凝土的处理方法不外乎填埋处理和再次利用[4]，而当下废弃混凝土的再生利用为“绿色混凝土”，成为从根本上解决废弃混凝土污染生态环境的主要途径。本项目通过再生骨料取代一定量天然或人工骨料，同时掺入一定量的粉煤灰，来研究在保证再生骨料的物理力学性能的条件下降低混凝土的成本，达到充分利用再生骨料，减轻废弃混凝土对生态环境的影响。

2 实验方案

本实验设计混凝土强度等级为C30，用零掺量粉煤灰、再生骨料，天然骨料拌合的混凝土作为对照组，处理组实验16组，粉煤灰的掺量分为15%,20%,25%,30%四个梯度，再生骨料的掺量为20%,30%,40%,50%四个梯度，采用正交实验方案进行混凝土立方体试件的制作；对照与处理试验中，混凝土拌合物在拌合的过程中加入2%的减水剂，每组制作等同的6个100 mm×100 mm×100 mm的混凝土非标准试件，同等条件下制作两批试件，在标准养护条件下(湿度为95%，温度20 ℃±3 ℃)，分别养护7 d和28 d，按照GB/T 50081—2002普通混凝土力学性能试验方法规定的方法进行混凝土立方体抗压强度实验[4]，并换算为立方体抗压强度标准值。

3 数据分析

3.1 7 d粉煤灰再生骨料混凝土立方体抗压强度

混凝土立方体试件经标养7 d后，不同掺量粉煤灰在不同掺量再生骨料掺量的情况下，其变化趋势如图1所示(图中左侧的第一点为对照试验值)。

从图1可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，不同处理混凝土试件7 d的立方体抗压强度大致呈现倒“V”型变化，即当再生骨料掺量为20%,40%，50%时，不同掺量粉煤灰混凝土的立方体抗压强度呈接近或小于对照组的试件抗压强度平均值，而当再生骨料掺量为30%时，除掺量为15%的处理外，其余处理得到的立方体抗压强度平均值均高于对照实验强度，同时反映出当再生骨料掺量为30%时，随着粉煤灰掺量逐渐增大时，混凝土的立方体抗压强度平均值亦随之增大。从实验结果得到，当再生骨料掺量为30%时，对粉煤灰再生骨料混凝土的抗压强度影响最为明显。

分析出现以上现象的主要原因如下：水灰比不变的条件下，混凝土7 d的强度主要取决于水泥水化产生的凝胶体的数量和凝胶体与骨料的接触面积，当再生骨料的掺入量达到30%左右时，骨料的比表面积与凝胶体的数量达到最优比，致使骨料表面可以较均匀地分布凝胶体[5]，因此，在混凝土强度增长过程中表现出强度最优的特点；而再生骨料在此掺入量的条件下，粉煤灰起到了微骨料效应[6]，即微观结构呈滚珠状的粉煤灰细小颗粒，在混凝土的凝结硬化过程中填充于各骨料空隙之间，随粉煤灰掺量的增加，混凝土中的孔隙率越小，混凝土内部变得越密实[7]，因此，总体表现出混凝土试件抗压强度随粉煤灰掺量的增加而呈增长的趋势。

3.2 28 d粉煤灰再生骨料混凝土立方体抗压强度

混凝土立方体试件经标养28 d后，不同掺量粉煤灰在不同掺量再生骨料掺量的情况下，其变化趋势如图2所示(图中左侧的第一点为对照试验值)。

从图2可以看出，立方体试件标准养护28 d后，不同掺量粉煤灰再生骨料混凝土的强度随粉煤灰、再生骨料掺量的增加而总体呈增长趋势。但不同掺量粉煤灰和再生骨料条件下，不同处理的强度变化情况又各有所不同，表现如下：

1)粉煤灰掺量为15%的处理实验，当再生骨料掺量不大于30%时，混凝土的强度大于对照，且随着再生骨料掺量的增加而增加；当再生骨料掺量大于30%时，试件强度均随再生骨料掺量的增加而呈下降趋势；

2)当粉煤灰掺量范围在20%～30%、再生骨料掺量在40%～50%时，其处理实验抗压强度均大于对照试验，且试验最大值达到设计强度的1.16倍之高。分析原因有以下几个方面：

第一，混凝土拌合物的水灰比是影响混凝土强度的主要因素，在其他条件不变的情况下，水灰比越小，混凝土的强度越高[8]。而再生骨料孔隙率大于天然骨料，再生骨料吸水率大于天然骨料，使得混凝土拌合物中一部分拌合水在混凝土搅拌及凝结硬化中进入再生骨料内部，致使处理试验中混凝土拌合物的水灰比，相比对照试验无再生骨料存在的条件下，无形中降低了处理试验中水灰比值，进而表现出处理实验混凝土28 d的立方体抗压强度高于对照组。

第二，再生骨料表面较天然骨料粗糙，水泥粉煤灰浆体在搅拌和振捣过程中能与骨料表面充分结合，且分布在骨料表面更为均匀，则在混凝土的凝结硬化过程中产生的凝胶体分布更为均匀，此时水泥颗粒被生成的凝胶体形成的一层包裹膜完全包住，并不断向外增厚，逐渐在膜内沉积。同时膜的外侧长针状钙矾石晶体，钙矾石晶体与水泥及粉煤灰水化生成的凝胶体错综结合，使水泥石网状结构不断致密的结合在再生骨料表面，表现出混凝土的强度不断增长[9]。

第三，粉煤灰“活性效应”的不断显著表现。在水泥水化中后期，粉煤灰中所含的SiO2和Al2O3与水泥产物Ca(OH)2和水泥中所掺的石膏的激发下，生成大量的水化硅酸钙和水化铝酸钙等凝胶体[10]，进一步提高了与骨料的结合，表现出其28 d的抗压强度显著接近及超过对照试验。

4 结语

通过试验数据及实验分析得出以下结论：

1)通过7 d混凝土抗压强度试验得出，粉煤灰及再生骨料对混凝土早期强度影响比较明显：当粉煤灰掺量小于15%，对混凝土早期强度的影响不明显；当粉煤灰掺量大于15%、再生骨料掺量为30%左右时，有利于提高混凝土的早期抗压强度；当粉煤灰掺量超过30%、再生骨料掺量超过30%时，混凝土的早期强度随粉煤灰及再生骨料掺量的增加，有明显的降低。

2)通过对混凝土28 d的抗压强度试验得出，混凝土28 d的抗压强度并未因粉煤灰及再生骨料的掺入而劣化。当粉煤灰掺量、再生骨料掺量均小于30%时，对混凝土强度的影响并不明显，达到对照组(普通混凝土)抗压强度同等水平，由此得出，混凝土中掺入小于30%的粉煤灰和再生骨料，不影响混凝土拌合物和易性及硬化后混凝土的力学抗压性能，这为今后混凝土中掺入粉煤灰及再生骨料，达到废料充分利用、降低混凝土成本等目的，提供了充分的科学依据。

3)同时，通过对混凝土28 d的抗压强度试验得出，当粉煤灰的掺量在15%～30%、再生骨料掺量分布在30%～50%范围时，双掺粉煤灰再生骨料混凝土抗压强度明显高于普通混凝土，超过混凝土设计强度的1.16倍，为此得出，粉煤灰和再生骨料数量的合理掺入，不仅可以有效改善混凝土拌合物的性能，而且还可以明显提高凝结硬化后混凝土的抗压强度。这为今后增加粉煤灰及再生骨料在混凝土中的应用量及粉煤灰再生骨料混凝土性能的科学研究，提供了可靠的实验数据。