矿渣粉对不同取代率再生混凝土力学性能的影响研究

李军发

（山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

随着我国建筑行业的迅猛发展，导致每年产生建筑废弃物约为15～24 亿t，不仅占用大量的土地资源，同时也给自然环境造成严重污染[1-2]。再生集料混凝土是建筑废弃物回收利用的重要途径，是由废弃混凝土块、水泥、砂、碎石等拌合而成的一种新型环保建筑材料，但由于再生集料具有表面粗糙、孔隙率高、吸水性大、强度及密度较低等特征，限制了其在某些工程领域推广应用，这是因为对再生集料混凝土的使用性能缺乏足够的理论研究[3-4]。

由于矿渣粉在混凝土拌合物中能起到良好的填充密实作用与微集料效应，故有利于改善水泥混凝土的强度及耐久性[5]。近年来，国内学者在矿渣粉对混凝土性能影响方面进行了大量研究，如王露等[6]通过正交设计确定大掺量矿渣水泥的最佳配合比并制备出C40 混凝土，同时研究了混凝土的力学性能及耐久性；杨斌等[7]探讨了粉煤灰、矿渣在单掺或复掺条件下对混凝土力学性能的影响；王永合等[8]分别研究了不同掺量的粉煤灰、矿渣、硅灰对混凝土工作性能及力学性能的影响。上述研究均为矿渣粉对混凝土性能方面的影响，而在再生混凝土方面的研究较为欠缺。基于此，本文通过配合比设计将矿渣粉掺入3 种不同再生粗集料取代率的混凝土中并进行了力学性能试验，研究了矿渣粉和龄期对再生混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度及轴心抗压强度的影响，以期为再生混凝土工程应用提供依据。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

a）水泥 某水泥厂家生产的P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，密度为3.1 g/cm3，比表面积为3 960 cm2/g，各项性能技术指标如表1 所示。

表1 P.O 42.5 普通硅酸盐水泥技术性能指标

b）粗集料 天然粗集料选用碎石，再生粗集料通过C30 旧混凝土路面破碎而成，其筛分结果具体如表2 所示。

表2 粗集料筛分结果

c）细集料 中砂，其细度模数为2.65。

d）矿渣粉 取自某厂水淬高炉矿渣粉磨，细度为657 m2/kg。

e）减水剂 高效减水剂，减水率为26%，减水剂掺量为1.2%。

1.2 配合比设计

试验按照《普通混凝土配合比设计规程（JGJ 55—2011）》进行配合比设计，不同混凝土所采取的配合比设计结果如表3 所示。

表3 再生混凝土配合比设计

从表3 可以看出，混凝土拌合物中水泥用量为400 kg/m3，水灰比为0.34，再生粗集料替代率分别为0、30%、50%，矿渣粉等量替代20%水泥。通过对不同组合的再生混凝土坍落度展开测试，得到掺加矿渣粉组合的再生混凝土坍落度均有明显增大，说明矿渣粉能有效改善再生混凝土的工作性能。

1.3 试验方法

再生混凝土的力学性能测定方法均参照《普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T 50081—2002）》、《普通混凝土拌合物性能试验方法标准（GB/T 50080—2016）》的规定执行，其中立方体抗压强度试验采用边长10 cm 的立方体试块，劈裂抗拉强度试验采用边长为15 cm 的立方体试块，抗折强度试验采用10 cm×10 cm×40 cm 的长方体试块，轴心抗压强度试验则采用15 cm×15 cm×30 cm 的长方体试块，待各成型试块达到24 h 后脱模，再置于标准养护室中进行养护，并分别测试其在7 d、28 d 和90 d 龄期的各项物理力学性能指标。

2 试验结果及分析

2.1 立方体抗压强度

通过对不同配合比的再生混凝土进行立方体抗压强度试验，分别得到7 d、28 d、90 d 龄期时再生混凝土的立方体抗压强度结果如表4 及图1 所示。

表4 再生混凝土的立方体抗压强度 MPa

图1 再生混凝土的立方体抗压强度变化曲线

由图1 可知，随着龄期的增大，不同配合比的再生混凝土的立方体抗压强度均逐渐增大，其中在7 d 龄期时掺入矿渣粉再生混凝土的立方体抗压强度较对照组有所降低，而在28 d、90 d 龄期时立方体抗压强度较对照组有较为明显的提高，原因是矿渣粉的掺入能够改善胶凝材料的颗粒级配，使得拌合物的密实度增大，从而提升了再生混凝土的立方体抗压强度；矿渣粉在养护前期的反应程度较低，因此7 d 龄期时的立方体抗压强度出现小幅降低，但后期矿渣粉与胶凝材料水化产生的氢氧化钙发生二次水化反应生成硅酸钙，使得再生混凝土的立方体抗压强度提高。随着再生粗集料掺量的增大，再生混凝土的立方体抗压强度均逐渐减小，其中再生粗集料掺量为0%、30%、50%时，掺入矿渣粉的再生混凝土90 d 龄期立方体抗压强度较对照组分别提高了8.2%、7.3%、6.7%，说明矿渣粉对混凝土拌合物的立方体抗压强度提升效果随着再生粗集料掺量的增加逐渐减弱。

2.2 劈裂抗拉强度

混凝土结构的抗开裂性能主要通过劈裂抗拉强度来表征。通过对标准养护7 d、28 d、90 d 龄期后的各再生混凝土试块进行劈裂抗拉强度测试，分别得到再生混凝土的劈裂抗拉强度试验结果如表5 及图2 所示。

表5 再生混凝土的劈裂抗拉强度 MPa

图2 再生混凝土的劈裂抗拉强度变化曲线

根据图2 可知，随着龄期的增大，不同再生混凝土的劈裂抗拉强度均逐渐增大，其中7～28 d 龄期的劈裂抗拉强度增幅比较明显，而28～90 d 龄期的劈裂抗拉强度增幅则表现较为平缓。随着再生粗集料掺量的增加，再生混凝土的劈裂抗拉强度均逐渐减小，但掺入矿渣粉后再生混凝土的劈裂抗拉强度较对照组均有不同程度的提高，其中再生粗集料掺量为0%、30%、50%时，掺入矿渣粉的再生混凝土90 d 龄期劈裂抗压强度较对照组分别提高了3%、2.8%、1.4%，原因是矿渣粉的掺入可提升水泥的黏结性，限制了混凝土结构的裂缝形成及扩展，同时矿渣粉填充于水泥基体的毛细孔内，有利于改善界面过渡区的性能，故再生混凝土的劈裂抗拉强度得到提高。

2.3 抗折强度

抗折强度是混凝土结构中重要的力学性能指标之一。通过对不同再生混凝土试块进行抗折强度测试，分别得到再生混凝土在7 d、28 d、90 d 龄期时的抗折强度结果如表6 及图3 所示。

表6 再生混凝土的抗折强度 MPa

图3 再生混凝土的抗折强度变化曲线

由图3 可知，随着龄期的增大，不同配合比的再生混凝土抗折强度均呈逐渐增大趋势，其中在7～28 d 龄期时，各再生混凝土的抗折强度增幅比较明显，而在28～90 d 龄期时，抗折强度增幅趋于平缓。随着再生粗集料掺量的增加，不同再生混凝土的抗折强度均逐渐减小，掺入矿渣粉的再生混凝土的抗折强度较对照组均有不同程度的提高，对比不同再生粗集料掺量混凝土在90 d 龄期的抗折强度发现，掺入矿渣粉的再生混凝土的抗折强度较对照组分别提高了2.5%、2.8%、3.3%，说明矿渣粉有利于改善再生混凝土的抗折强度。

2.4 轴心抗压强度

通过对不同配合比的再生混凝土进行轴心抗压强度测试，分别得到不同龄期时再生混凝土的轴心抗压强度的试验结果如表7 及图4 所示。

表7 再生混凝土的轴心抗压强度 MPa

图4 再生混凝土的轴心抗压强度变化曲线

根据表7 及图4 可知，随着龄期的增大，不同配合比再生混凝土的轴心抗压强度均逐渐增大，其中再生混凝土在7～28 d 龄期时的轴心抗压强度增幅较小，而28～90 d 龄期的轴心抗压强度增幅则表现为相对较明显。随着再生粗集料掺量的增大，不同再生混凝土的轴心抗压强度也均呈逐渐减小变化，且掺入矿渣粉再生混凝土的轴心抗压强度较未掺组均有所提高，其中再生粗集料掺量为0%、30%、50%时，掺入矿渣粉的再生混凝土90 d 龄期轴心抗压强度较对照组分别提高了4.6%、5.1%、6%，说明矿渣粉有利于改善再生混凝土的轴心抗压强度。

3 结语

a）随着龄期的增大，未掺或掺入矿渣粉的再生混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度及轴心抗压强度均有提升；随着再生粗集料掺量增大，再生混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度及轴心抗压强度均逐渐减小。

b）由于矿渣粉前期的反应程度较低，使得掺入矿渣粉再生混凝土在7 d 龄期的立方体抗压强度较未掺组有所降低，但后期矿渣粉与胶凝材料水化产生的氢氧化钙发生二次水化反应生成硅酸钙，可有效增强再生混凝土的立方体抗压强度。

c）掺入矿渣粉再生混凝土在不同龄期时的劈裂抗拉强度、抗折强度及轴心抗压强度均较未掺组有所提高，综合可知矿渣粉有利于改善再生混凝土的各项力学性能指标。