粉煤灰掺量和再生骨料替代率对再生混凝土强度影响研究

刘 婷，刘京红，张仕桦，周双双，马 凯

（1.河北农业大学 城乡建设学院，河北 保定 071001；2.天津城建大学 土木工程学院，天津 300384；3.保定广成建筑设计有限公司，河北 保定 071000；4.河北省雄安新区规划建设工作领导小组办化室，河北 石家庄 050000）

再生混凝土技术是利用废弃混凝土块、火电厂发电所产生的粉煤灰等工业废料，把废弃物变废为宝再次加工制作成再生骨料，代替天然骨料制成再生混凝土，既能解决大量的建筑垃圾，挽救珍贵的耕地，同时也能在一定程度上节约天然石材和水泥，是提高建筑工业附加值和减少污染的必然途径［1-3］。再生骨料的孔隙率大于普通天然骨料的孔隙率，并且内部本身存在大量细小裂缝。而粉煤灰的活性成分可以填充水泥石的毛细孔使之密实，因此加入粉煤灰可以改进再生混凝土的力学性能。

近几年很多研究人员对再生混凝土做了多方面的研究分析。研究结论均显示了粉煤灰的掺入对普通混凝土力学性质的影响［4-5］、粗骨料替代率对再生混凝土强度的影响以及再生混凝土应用到实际工程中的可能性［6-7］。但是以往研究关于不同再生骨料替代率对再生混凝土影响规律的研究分析较少，本文研究不同掺量粉煤灰、不同再生粗骨料取代率下对再生混凝土强度的力学特性规律。

1 试验材料及试验内容

1.1 再生粗骨料

再生粗骨料由于是经过破碎机破碎产生的，因此在其内部存在大量的微细裂纹，粗骨料表面会附着水泥砂浆，相比普通粗骨料，再生粗骨料的力学性能较低，下面从以下四方面的测定结果对二者进行分析。

（1）骨料颗粒级配

由表1可以得到，再生粗骨料的级配符合规范要求，可用于试验研究。

表1 普通与再生粗骨料的级配表Table 1 Grading table for common and recycled coarse aggregates

（2）骨料堆积密度和表观密度

根据表2，可以看出普通天然粗骨料和再生粗骨料的表观密度均符合规范要求。

而再生粗骨料的孔隙率明显比规范要求的高。原因主要是再生粗骨料的表面比普通天然粗骨料更粗糙，导致再生粗骨料的颗粒之间有大的间隙，因此再生粗骨料的堆积密度小于普通天然粗骨料的堆积密度。

表2 表观密度和堆积密度Table 2 The apparent density and bulk density

（3）骨料压碎指标

由表3可以看出，再生粗骨料的压碎指标比普通天然粗骨料的压碎指标要高，造成此结果的主要因素是：粘附在再生粗骨料表面的水泥砂浆是软弱颗粒，很容易被压碎；再生粗骨料由于在用破碎机破碎过程中的压力很大而使其内部产生了一定的损伤。

表3 试验粗骨料的粗压碎指标测量值Table 3 Measuring value of crushed coarse aggregate crushing index

图1 压碎指标的测定Fig.1 Determination of crushing index

（4）骨料吸水率

由表4，可以看出再生粗骨料为普通天然粗骨料吸水率的11.4倍，因此不能按照拌和普通混凝土所需要的水量来确定其实际所需要的水量，在进行配合比设计时，应添加额外的附加水，来提高新拌制再生混凝土的力学性质。

表4 粗骨料的吸水率测定Table 4 Determination of water absorption of coarse aggregate

1.2 粉煤灰

粉煤灰本身所具有的活性成分可以填充水泥石的毛细孔，具有“玻璃微珠效应”，掺入适当的粉煤灰可以使混凝土浆固体体积比增加，它的火山灰效应还可以抵制冰冻所产生的孔隙，有利于拌制的混凝土流动。因此，粉煤灰的合理加入会对再生混凝土的耐久性能起到良好的作用。

本试验所用到的粉煤灰来自保定市大唐保定热电厂，其具体性能指标如表5。

由表5可知，本实验所用粉煤灰等级为Ⅱ级。

表5 粉煤灰的力学性能Table 5 Mechanical properties of fly ash

1.3 试验过程

在该试验中，本研究设计了2种类型的再生粗骨料替代率，分别为30%和50%，粉煤灰替代率设计了4种类型，分别为0%、10%、20%和30%。其试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，试件共计72块。

对所制作的试块先进行回弹值测试（如图2），再进行超声声速值测试（如图3），最后进行抗压强度值的测试（如图4）。

图2 回弹值测试Fig.2 Rebound valuetest

图3 超声声速的测量Fig.3 Ultrasonic sound velocity test

图4 试块的破坏Fig.4 Broken of concrete

2 试验结果分析

2.1 再生粗骨料替代率对强度的影响

将试验数据进行分析，得到同粉煤灰掺量再生混凝土抗压强度的平均值随再生粗骨料替代率的发展趋势，如图5所示。

图5 同粉煤灰掺量再生混凝土抗压强度均值随再生粗骨料替代率的发展情况Fig.5 Development of the average compressive strength of recycled concrete with fly ash and the replacement rate of recycled coarse aggregate

由图5可以看出，随着再生粗骨料替代率的增加再生混凝土试块的抗压强度降低。再生粗骨料具有许多缺点如孔隙率和吸水率较大，表观密度和堆积密度较小，压碎值指标较低。根据实验结果可知，再生粗骨料替代率超过30%，抗压强度会随之降低，因此建议粉煤灰再生混凝土的再生粗骨料替代率控制在30%以下。

2.2 相同再生粗骨料替代率

将试验数据进行分析，得到同一再生粗骨料取代率混凝土实测回弹值、声速值、抗压强度值的平均值随龄期的发展趋势，如图6、图7和图8所示。

图6 回弹均值随养护时间发展曲线Fig.6 Curve of rebound mean value developing with curing time

图7 声速均值随养护时间发展曲线Fig.7 Curve of sound velocity average developing with curing time

图8 抗压强度均值随养护时间发展曲线Fig.8 The average value of compressive strength with the development time of curing time

由图6、图7、图8可以看出：4种粉煤灰替代率下，再生混凝土的回弹值、声速值、抗压强度值均随着龄期的增长而增大，且其增长的大致趋向与普通混凝土的增长趋向相类似；并且再生混凝土试块中未掺粉煤灰的回弹值、超声声速值、抗压强度值的增幅均小于掺粉煤灰的，在龄期超过28 d以后尤其明显；含10%粉煤灰试件的回弹值、超声波声速值和抗压强度值均高于其他粉煤灰含量。粉煤灰的比表面积小，拌合物需水量较低，提高了混凝土的密实性；其次，粉煤灰的反应缓慢，一般晚于水泥水化反应，反应过程在水泥孔隙中进行，进一步改善了混凝土的密实度；最后，粉煤灰的适当加入对提高再生混凝土密实性是非常有效的。但是由于粉煤灰的水化速度小于水泥熟料，故掺加粉煤灰后混凝土的早期强度低，且粉煤灰掺量越高早期强度越低。同时粉煤灰的掺入会使混凝土的抗碳化性、抗冻性有所降低。因此，应控制粉煤灰的掺入量，在实际工程中建议将粉煤灰的合理掺入量控制在10%范围内。

2.3 相同粉煤灰掺量

将试验数据进行分析，得到相同粉煤灰掺量再生混凝土实际所测得的回弹值、声速值、抗压强度值的平均值随养护时间的发展趋势，如图9、图10和图11所示。由图9、图10、图11可以看出：在粉煤灰掺量相同时，再生混凝土试块中再生粗骨料替代率为50%的回弹值、超声声速值、抗压强度值均小于替代率30%的相应值，并且关于抗压强度的下降幅度分别为24.5%、24.2%、9.2%、12.6%。再生混凝土试块60 d的回弹值、超声声速值相比14 d均有增幅，但增幅有限，而抗压强度值相比14 d有不小增幅。

再生粗骨料存在大量微裂纹，力学性能较普通粗骨料低，因此其抗压强度随着再生粗骨料量的增加而减小。再生混凝土试块在早期的时候，胶凝材料活化反应较慢，试块的抗压强度与弹性模量均较低，所测得的回弹值、声速值也较小，而后随着活性反应继续进行，再生混凝土强度增长，抗压强度与弹性模量均有增长，回弹值、声速值也逐渐增大，这是因为粉煤灰通过形态效应提高了混凝土的密实性。从养护时间看，其增幅有限的主要原因是：早期活化反应低，但含水率较高，后期强度虽增长但含水率降低，内部形成微小孔隙无法大幅提高回弹值、声速值。

图9 回弹均值随养护时间发展曲线Fig.9 Curve of rebound mean value developing with curing time

图10 声速均值随养护时间发展曲线Fig.10 Curve of sound velocity average developing with curing time

图11 抗压强度均值随养护时间发展曲线Fig.11 Curve of compressive strength mean value with curing time

3 结论

（1）在养护时间超过28 d以后，没有加入粉煤灰的再生混凝土试块的抗压强度增加缓慢。相比之下，含有10%粉煤灰替代水泥掺入量的再生混凝土试块抗压强度值较没有掺入粉煤灰的试块提高了4.08%，因此建议将粉煤灰的掺量控制在10%左右。

（2）在0%、10%、20%、30% 4种粉煤灰替代水泥的替代率下，再生骨料替代率为30%较替代率50%再生混凝土试块的强度提高了17.6%。故随着再生粗骨料的掺入量的增大，其再生混凝土试块的抗压强度值也随之降低。因此粉煤灰再生混凝土中再生粗骨料替代率应控制在30%，以保证再生混凝土具有足够的强度。